1 概述

回顧移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的歷史，可以看到2 條明顯的發(fā)展脈絡(luò)。一條是以移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能力為代表的移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，一條是承載在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)的發(fā)展與變化。隨著技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)支持的速率快速增加，服務(wù)能力不斷增強(qiáng)，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為代表的移動(dòng)視頻、手游、移動(dòng)支付等業(yè)務(wù)應(yīng)用得以迅猛發(fā)展。而不斷豐富的業(yè)務(wù)類型，反過來對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)的容量、速率和服務(wù)能力提出了更高的要求。

目前三大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開始大規(guī)模建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，通信系統(tǒng)的演進(jìn)必將帶來更加豐富多樣的業(yè)務(wù)類型，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清全景視頻等多種高容量、高速率應(yīng)用即將迸發(fā)，推動(dòng)人類社會(huì)信息交互方式的進(jìn)一步升級(jí)。

毫米波擁有超大帶寬資源和靈活彈性的網(wǎng)絡(luò)配置能力，可以滿足和適應(yīng)未來通信更高速率和差異化業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求。盡管現(xiàn)階段高頻段毫米波的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷突破和高頻器件產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，毫米波及更高頻段憑借其豐富的頻率資源的天然優(yōu)勢(shì)，必然成為現(xiàn)階段5G 乃至未來B5G/6G通信技術(shù)的重要組成部分。

目前毫米波產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)在高頻器件性能、波束賦形和波束管理算法、鏈路特性等方面開展了很多研究。運(yùn)營(yíng)商也已經(jīng)開始從系統(tǒng)應(yīng)用角度考慮5G 毫米波部署和應(yīng)用問題。參考文獻(xiàn)［6］分析了毫米波系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并提出推動(dòng)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工作建議。參考文獻(xiàn)［7］提出毫米波的幾種主要的部署場(chǎng)景，進(jìn)一步提出了設(shè)備和終端的發(fā)展要求和網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃。

隨著對(duì)業(yè)務(wù)需求的深入研究，毫米波應(yīng)用場(chǎng)景和具體需求也逐漸變得明晰，特別是在大上行業(yè)務(wù)需求逐漸增強(qiáng)的情況下，毫米波如何更好地適應(yīng)業(yè)務(wù)需求成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。本文首先簡(jiǎn)要分析毫米波系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)5G 業(yè)務(wù)需求進(jìn)行深入分析，明確毫米波適用場(chǎng)景和具體需求，根據(jù)大上行業(yè)務(wù)的需求，提出適應(yīng)不同業(yè)務(wù)需求的毫米波幀結(jié)構(gòu)和靈活幀結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)方案可行性進(jìn)行分析。

2 應(yīng)用場(chǎng)景和靈活幀結(jié)構(gòu)需求分析

2.1 應(yīng)用場(chǎng)景分析

從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，5G 毫米波適合部署在相對(duì)空曠無遮擋或少遮擋的園區(qū)環(huán)境。經(jīng)過多次行業(yè)會(huì)議和研討會(huì)討論，業(yè)界已經(jīng)明確毫米波典型的部署場(chǎng)景，具體如下：

a）行業(yè)專網(wǎng)場(chǎng)景。5G 毫米波系統(tǒng)與MEC、AI 技術(shù)相結(jié)合，可以為覆蓋區(qū)域提供“大容量高速率+本地化”的智能解決方案，滿足行業(yè)客戶低時(shí)延、大帶寬、安全隔離的需求。

b）品牌價(jià)值區(qū)。毫米波在部署初期將與6 GHz以下頻段的5G 系統(tǒng)結(jié)合，形成5G 系統(tǒng)高低頻混合組網(wǎng)方式，用于重要品牌價(jià)值區(qū)域的覆蓋，提升品牌價(jià)值，或者用于人流密集場(chǎng)所和熱點(diǎn)區(qū)域的吸熱，提供進(jìn)一步的大容量上傳能力。

c）大帶寬回傳場(chǎng)景。毫米波可以作為無線回傳鏈路，利用高達(dá)800 MHz 帶寬、10 Gbit/s 的系統(tǒng)峰值速率，可應(yīng)用在一些無法布放光纖或布放光纖代價(jià)過高的固定無線寬帶場(chǎng)景，或者毫米波自回傳組網(wǎng)場(chǎng)景。

2.2 典型業(yè)務(wù)需求分析

體育場(chǎng)館是毫米波應(yīng)用的典型場(chǎng)景。毫米波與sub 6 GHz系統(tǒng)相結(jié)合，為場(chǎng)館提供無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。具體業(yè)務(wù)需求包括：場(chǎng)館內(nèi)電視臺(tái)媒體的4K、8K 攝像轉(zhuǎn)播，實(shí)時(shí)VR 影像、運(yùn)動(dòng)員視角影像等多角度實(shí)時(shí)體驗(yàn)業(yè)務(wù)，滿足公眾自拍直播和場(chǎng)館安保等業(yè)務(wù)服務(wù)。

2.2.1 轉(zhuǎn)播和攝像需求分析

在運(yùn)動(dòng)會(huì)中，比賽場(chǎng)館眾多，比賽場(chǎng)地頻繁更換，運(yùn)動(dòng)員和觀眾等人員位置也隨時(shí)移動(dòng)更換。攝像機(jī)借助高帶寬和高速率的毫米波進(jìn)行轉(zhuǎn)播和攝像，能夠避免重復(fù)布線工作，更加靈活快捷。

如圖1所示，以滑雪賽道場(chǎng)景為例，在競(jìng)賽區(qū)域部署固定機(jī)位和移動(dòng)機(jī)位，并且部署VR 4K 直播機(jī)位。各機(jī)位的網(wǎng)絡(luò)容量需求如表1所示。則區(qū)域網(wǎng)絡(luò)上行帶寬需求可達(dá)1.3 Gbit/s左右。

圖1 毫米波系統(tǒng)部署滑雪賽道場(chǎng)景

表1 攝像機(jī)位網(wǎng)絡(luò)容量需求

2.2.2 360°全景觀賽

冬奧會(huì)場(chǎng)館部署360°攝像頭+5G毫米波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比賽直播，電視觀眾不再只能固定欣賞平臺(tái)拍攝的畫面，可以隨意選擇鏡頭和角度，改變觀賽視角。

以VR 觀賽為例，如果賽場(chǎng)4K VR 席位100 個(gè)，8K VR席位50個(gè)，VR的網(wǎng)絡(luò)容量需求如表2所示，則區(qū)域網(wǎng)絡(luò)下行帶寬需求可達(dá)7.5 Gbit/s左右。

表2 VR網(wǎng)絡(luò)容量需求

2.3 靈活幀結(jié)構(gòu)需求

5G 時(shí)代的通信業(yè)務(wù)需求將會(huì)更加多樣化，傳統(tǒng)eMBB 業(yè)務(wù)以下行容量需求為主，但如安防監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療等大帶寬上行需求正日益凸顯，現(xiàn)階段固定化的組網(wǎng)方式和資源配置難以滿足差異化的業(yè)務(wù)需求，需要更靈活的資源配置和協(xié)同融合的彈性網(wǎng)絡(luò)。圖2給出了5G業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

圖2 5G業(yè)務(wù)場(chǎng)景

即使在同一個(gè)行業(yè)應(yīng)用的不同時(shí)段，也需要靈活地配置上下行網(wǎng)絡(luò)容量資源。以安防監(jiān)控為例：在日常監(jiān)控中，4K 高清攝像頭將監(jiān)控視頻圖像回傳網(wǎng)絡(luò)，需要大帶寬上行業(yè)務(wù)保障能力；突發(fā)安全事故后，需要將事故發(fā)生時(shí)的視頻和目前實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻發(fā)送到附近警衛(wèi)終端，快速告知情況，需要大帶寬下行業(yè)務(wù)保障能力；出警后，監(jiān)控中心和警衛(wèi)間需要實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻遠(yuǎn)程互動(dòng)，需要上行和下行保障能力。圖3 給出了安防監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程。

圖3 安防監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程

在頻譜和帶寬動(dòng)態(tài)共享的前提下，網(wǎng)絡(luò)還需要具備靈活調(diào)整上下行網(wǎng)絡(luò)容量的能力。TDD 網(wǎng)絡(luò)是時(shí)分雙工網(wǎng)絡(luò)，可通過調(diào)整上下行時(shí)隙結(jié)構(gòu)來調(diào)整上下行網(wǎng)絡(luò)容量。

3 毫米波靈活幀結(jié)構(gòu)

在26 GHz 頻段5G 毫米波系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)討論中，中國(guó)聯(lián)通首次提出基于上行增強(qiáng)的毫米波幀結(jié)構(gòu)配比方案，用以滿足未來更加豐富的上行業(yè)務(wù)需求。目前行標(biāo)中3種幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 種方案皆為0.625 ms 周期，對(duì)應(yīng)120 kHz 子載波帶寬。3 種幀結(jié)構(gòu)上下行時(shí)隙比例不同，Option1 幀結(jié)構(gòu)下行與上行比例為3.24；Option2 幀結(jié)構(gòu)下行與上行比例為0.31；Option3 幀結(jié)構(gòu)下行與上行比例為0.79。3種幀結(jié)構(gòu)中，后2種充分考慮了上行業(yè)務(wù)需求。

圖4 5G毫米波系統(tǒng)Option1、Option2和Option3幀結(jié)構(gòu)示意圖

在高低頻混合組網(wǎng)中，3.5 GHz 頻段5G 系統(tǒng)用于城市基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，幀結(jié)構(gòu)要求相對(duì)穩(wěn)定；26 GHz 頻段5G毫米波系統(tǒng)用于滿足行業(yè)應(yīng)用，幀結(jié)構(gòu)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求靈活調(diào)整。

在彈性網(wǎng)絡(luò)中，可以根據(jù)覆蓋區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間的業(yè)務(wù)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)調(diào)整，也可以根據(jù)5G行業(yè)應(yīng)用的突發(fā)性進(jìn)行上下行幀結(jié)構(gòu)快速調(diào)整，滿足5G 行業(yè)應(yīng)用需求，也可以有效面對(duì)演唱會(huì)等對(duì)上行帶寬需求明顯的公網(wǎng)場(chǎng)景需求。

4 毫米波不同幀結(jié)構(gòu)性能分析

采用不同幀結(jié)構(gòu)方案，會(huì)影響毫米波系統(tǒng)容量、傳輸時(shí)延、覆蓋距離等關(guān)鍵性能。

Option 1、2、3 具有不同的上下行時(shí)隙占比，參考3GPP TS 38.306 協(xié)議對(duì)不同幀結(jié)構(gòu)峰值速率的計(jì)算方式，可得如圖5 和表3 所示26 GHz 毫米波系統(tǒng)不同幀結(jié)構(gòu)上下行網(wǎng)絡(luò)容量的對(duì)比結(jié)果。

可以看出3 種幀結(jié)構(gòu)在總體容量上無較大差異，不同幀結(jié)構(gòu)上下行容量分配有差異，可以較好地滿足了下行為主、上行為主和上下行均衡3 種業(yè)務(wù)需求。同時(shí)，考慮不同組網(wǎng)架構(gòu)，在園區(qū)內(nèi)毫米波基站SA 組網(wǎng)時(shí)，可采用DDDSU 與DDSUU 滿足設(shè)備性能要求。對(duì)于NR-DC 組網(wǎng)場(chǎng)景，下行信令開銷降低，采用DSUUU方案亦可滿足上下行容量需求。

圖5 毫米波不同幀結(jié)構(gòu)峰值速率對(duì)比

表3 毫米波系統(tǒng)不同幀結(jié)構(gòu)上下行網(wǎng)絡(luò)容量的對(duì)比

5G 毫米波系統(tǒng)不同幀結(jié)構(gòu)上下行空口時(shí)延對(duì)比如表4 所示。其中DDSUU 理論初傳時(shí)延約1 ms，DDDSU 與DSUUU 的初傳時(shí)延則分別增大了25%與20%；在10% HARQ 一次重傳時(shí)延對(duì)比中，DDSUU 理論時(shí)延為1.5 ms，DDDSU與DSUUU的重傳時(shí)延則分別增大了25%與20%。

表4 毫米波系統(tǒng)不同幀結(jié)構(gòu)上下行空口時(shí)延對(duì)比

3種方案時(shí)延最大相差0.3 ms（空口），這種空口時(shí)延差異在端到端時(shí)延中影響較小，并且考慮到目前暫無對(duì)0.1 ms 級(jí)時(shí)延敏感的應(yīng)用，3 種幀結(jié)構(gòu)在時(shí)延方面的差異可以暫不考慮。

3種幀結(jié)構(gòu)的覆蓋性能差異如表5所示。其中，毫米波頻點(diǎn)為26 GHz，全視角8K 視頻應(yīng)用至少需要100 Mbit/s 的上傳速率。則在400 MHz 帶寬下，2T2R 的終端選用DSUUU幀結(jié)構(gòu)覆蓋性能最好，在LOS路徑的覆蓋距離可以達(dá)到570 m，而DDDSU 上行覆蓋性能最差，只有370 m。可以看到在上行傳輸業(yè)務(wù)密集區(qū)域，采用Option 2 幀結(jié)構(gòu)可以明顯提高LOS 經(jīng)的覆蓋距離。

表5 毫米波系統(tǒng)不同幀結(jié)構(gòu)覆蓋性能對(duì)比

綜上可知，3 種方案在容量和覆蓋方面具有較明顯的性能差異，在未來應(yīng)用中需要根據(jù)具體場(chǎng)景需求進(jìn)行靈活的選擇和轉(zhuǎn)換，比如在專網(wǎng)場(chǎng)景中選擇大上行Option 2幀結(jié)構(gòu)，在廣場(chǎng)區(qū)域選擇大下行Option 1幀結(jié)構(gòu)，在超低時(shí)延場(chǎng)景選擇Option 3 幀結(jié)構(gòu)等。采用靈活的幀結(jié)構(gòu)符合差異化的行業(yè)應(yīng)用需求，為用戶帶來更極致和貼心的5G服務(wù)體驗(yàn)。

5 結(jié)論

本文首先簡(jiǎn)要分析毫米波大帶寬、高速率、視距傳播的系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)5G業(yè)務(wù)需求特別是體育場(chǎng)館的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行深入分析，明確使用場(chǎng)景和具體的帶寬需求。面對(duì)多樣化的業(yè)務(wù)需求，提出適應(yīng)不同業(yè)務(wù)需求的毫米波幀結(jié)構(gòu)和靈活幀結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)方案進(jìn)行可行性分析。