子帶全雙工，5G 夢想的妥協(xié)？

老師：一邊… 一邊….是說兩件事在同時進行，請大家造個句。

小明：基站一邊發(fā)送，一邊接收。

老師：嗯？你爸是通信工程師吧？

(資料圖片僅供參考)

大家好，我是蜉蝣君。

本期我們來聊聊一個無線通信領域最基本的話題：雙工。

所謂雙工，是指兩臺通信設備之間，可以進行雙向的數據傳輸。具體來說，雙工技術包含全雙工和半雙工這兩種模式。

全雙工是指雙向的數據傳輸可同時進行。也就是說，通信雙方都可以在發(fā)送數據的同時也在接收對方發(fā)來的數據，收發(fā)并行兩不誤。

半雙工可就簡陋地多了，收發(fā)不能同時進行，只能輪流進行：發(fā)的時候不能收，收的時候不能發(fā)。我們常見的對講機就是這樣的模式。

全雙工，我們用上了嗎？ 

移動通信技術經過 5 代的發(fā)展，可以說已經臻于至善了。那么，我們的基站和手機在交互時，用的必然是全雙工吧？

這個時候，我們最常用的兩個術語是：FDD（頻分雙工）和 TDD（時分雙工）。那么，它們到底是全雙工和半雙工呢？

對于 FDD 來說，我們使用兩段頻譜，一段專門用作基站給手機發(fā)送信號，也叫做下行；另一段則專門用作手機給基站發(fā)送信號，也叫做上行。為了防止下行和上行之間的干擾，使用的這兩段頻譜之間還必須留有一定的隔離帶，這叫做“雙工帶寬”。

由此可見，FDD 的下行和上行這兩條鏈路都是半雙工的，它們組合起來，以頻譜資源占用翻倍為代價，形成了一個“偽全雙工”系統(tǒng)。這就像馬路上的車道一樣，每條車道只能是單向的，但不同方向的車道組合起來，就可以實現雙向通行。

對于 TDD 來說，頻譜確實僅需占用一段，但上行和下行只能輪流使用。也就是說，基站在發(fā)送數據的時候，手機只能靜靜地接收，想發(fā)送數據也只能憋著，等分給你的發(fā)送時間到了才行。

這不就是貨真價實的半雙工么？我們常用的 5G 頻段都是 TDD 模式的，只是上下行之間切換的時間極短，是毫秒級的，我們根本感受不到。所以說，TDD 是用微觀上快速切換的半雙工來實現宏觀上的“偽全雙工”。

我們難道就不能在同一段頻譜上同時進行收發(fā)，實現真正的“同時同頻全雙工”嗎？這樣一來，頻譜效率直接翻倍?。裁駱?，豈不美哉？

然而，這么多年大家都能看得出的問題還一直懸而未決，其中必然是有著極難解決的巨大困難。

要實現全雙工，無異于兩列火車在同一條鐵軌上朝對向高速行駛，其結果不言而喻。

之所以如此，是因為在同一頻段內同時收發(fā)，就會產生巨大的干擾。這不但包含基站自身發(fā)送對自身接收的自干擾，還有基站和基站之間的干擾、基站和手機之間的干擾、手機和手機之間的干擾，這些交叉鏈路干擾處理起來異常棘手。

因此，大家都只能將主要精力放在增加車道上，把使用的頻段不斷推高，載波帶寬不斷擴寬，收發(fā)通道數不斷倍增。

比如，從 2G 到 5G，使用的頻段從低頻（小于 1GHz）到中頻（小于 6GHz），再到毫米波甚至太赫茲，信道帶寬也隨之從幾兆擴展到幾十 M、上百 M 甚至上 G；收發(fā)通道數也從單通道到雙通道、4 通道、8 通道、32 通道、64 通道甚至 128 通道。

至于全雙工技術，雖說在 5G 的標準化初期被廣泛討論，并被認為是 5G 的關鍵技術之一，但最終卻因實現困難而被束之高閣。

讓無線通信用上真正的全雙工，成了通信人深埋心底的最大夢想。

現實的妥協(xié)：子帶全雙工

斗轉星移，目前 5G 已商用數年，5G 下半場的技術標準：5G-Advanced 標準正在緊鑼密鼓地制定中。

全雙工，再次進入了大家的視野。

這是因為，隨著 5G 行業(yè)應用向工業(yè)現場網的滲透，網絡同時支持超大上行帶寬和超低時延的需求凸顯，目前的 FDD 和 TDD 模式都難以招架。

比如，工廠里面的視頻監(jiān)控、電子圍欄、機器視覺等應用都是大上行業(yè)務為主，多個終端的帶寬需求從幾百 Mbps 甚至上 Gbps；工業(yè) AR 需要時延小于 10 毫秒，AGV 協(xié)同搬運需要時延小于 5 毫秒，機器運動控制需要時延小于 4 毫秒。

為什么不論是當前的 FDD 和 TDD 模式都難以同時滿足大帶寬和低時延需求？下面我們來說一說。

由于頻譜的使用劃分在歷史上早已確定，不將當前已應用的系統(tǒng)全部下線就沒法更改，因此不同的頻段頻段實際上是和 FDD 或者 TDD 雙工模式強綁定的。

FDD 頻段的特點是頻段低，可用帶寬少，能提供的速率有限。比如，900M 上下行各有 35M 帶寬，1800M 上下行各有 75M 帶寬，這些為數不多的寶貴資源還要分給多家運營商，每家能用的就更是捉襟見肘，覆蓋雖好但網速上不去。

雖說速率有限，但 FDD 模式有一個突出的優(yōu)點，那就是上下行數據在各自獨立的頻譜上發(fā)送，基本上可以做到有數據就可以發(fā)送，不用像 TDD 那樣要卡時間，所以 FDD 可以實現比較短的時延。

TDD 頻譜則相反，頻段普遍較高，可用帶寬大。比如在 3.5GHz 上，聯通和電信就各有 100M 帶寬；在 2.6GHz 上，移動則獨享 160M 帶寬。

這些 TDD 大帶寬載波通過設置不同的上下行時隙配比，可以實現上行或者下行高速率，但受限于 TDD 本身的半雙工特點，時延難以降低。

雖說我們不太能感受到時延帶來的影響，但工廠里面的機器間通信對此異常敏感。并且如此苛刻的時延要求還是剛性的，達不到就沒法工作。

如果能把 TDD 和 FDD 的優(yōu)勢融合在同一個頻段內，不就能同時支持大帶寬和低時延了嗎？

于是就有人想到，你 TDD 頻譜的帶寬不是大么？我就在 TDD 載波內部再切上一刀劃分成兩段子頻段（稱之為子帶），兩個子帶還都是 TDD 模式，但上下行時間的配置相反。這樣一來，你發(fā)送時我接收，你接收時我發(fā)送，這不就擁有了 FDD 的氣質了嗎？

這樣一來，我們就可以以較小的代價，就通過子帶劃分和時隙配置，在 TDD 載波內融合了 FDD 的技術，也就實現了 TDD 載波內的偽“全雙工”。

然而這樣的偽“全雙工”本質上是 TDD 和 FDD 技術的縫合，實際并沒有實現頻譜效率的提升，只是實現全雙工這個萬里長征的一小步探索，因此它就被叫做“子帶全雙工”，簡稱 SBFD（Subband Full Duplex）。

子帶怎樣劃分？

從純技術的角度來說，上下行怎樣劃分都行，可以各占一半，這樣上下行速率是平衡的；也可以下行子帶多劃一些，這樣就能實現大下行速率；也可以上行子帶多劃一些，這樣就能實現大上行速率。

從需求來看，我們普羅大眾刷視頻需要的是大下行速率，但對時延要求其實并不高，對子帶全雙工沒啥需求；而在工廠里，數據上報、監(jiān)控攝像頭、機器視覺等應用需要大上行，同時大量控制類應用需要低時延，因此子帶全雙工在工業(yè)場景是有用的，需配置為以上行子帶為主。

至于需要劃分幾個子帶，從使用角度兩個就夠了，但實際這個主要看干擾情況。

如果要部署子帶全雙工的運營商的頻譜和其他運營商相鄰，那相鄰的頻譜最好保持原樣以下行為主，那就盡量把上行子帶放得遠一些，這樣能最大化減少干擾。

具體來說，如果頻譜兩邊都有相鄰運營商的頻譜，則建議劃分兩個下行子帶和一個上行子帶，并把上行子帶放在中間，按照下行 + 上行 + 下行的三明治方式配置；如果只有一邊有其他運營商，那劃分一個下行子帶和一個上行子帶就可以了，這樣效果更好。

在幀結構的上，為了兼容已有的終端，可以保持 DFFFU 的傳統(tǒng)幀結構，第一個時隙為全下行，中間的三個時隙配置子帶并按需進行上下行靈活調度，第三個時隙為全上行。

干擾怎樣消除？

系統(tǒng)內的自干擾，是子帶全雙工必須解決的核心問題。

由于子帶全雙工的上下行的子帶是緊密挨著的，并不像傳統(tǒng)的 FDD 的上下行頻段那樣有幾十 M 的雙工間隔，這會導致嚴重的收發(fā)間干擾。

一般情況下，基站的信號發(fā)送和接收是共用天線的，發(fā)射出去的強信號又會直接被接收進來，導致本應接收的來自手機的微弱信號被淹沒阻塞。另外，在基站內部處理時，射頻收發(fā)鏈路之間也會產生耦合干擾。

自干擾抑制有空間域、射頻域、數字域等手段，多管齊下，多級消除。

空間域自干擾抑制最簡單的手段是收發(fā)天線分離。發(fā)射和接收通過使用各自獨立的天線，并在兩個天線之間增加多個隔離柵，可有效阻止發(fā)射信號進入接收天線。再加上發(fā)射天線在接收天線方向的波束零陷技術，可進一步降低干擾。

射頻域干擾抑制有兩種方式：子帶濾波器和射頻干擾消除。

通過在基站內增加子帶濾波器，下行子帶可通過濾波器濾除上行子帶的信號，上行子帶通過濾波器濾除下行子帶的信號。這種方式相對比較簡單，但調整濾波器帶寬不靈活，且會增加插損。

射頻干擾消除是通過采集已知的下行發(fā)射信號的一個副本并傳給上行接收端，再通過構造與之相反的信號進行抵消。這種方式比較復雜，成本高。

射頻域干擾抑制在具體實現時，可以通過評估需要的干擾抑制能力，選擇一種方式或者兩種方式組合實現。

數字域干擾抑制和射頻域的第二種干擾抑制的思路類似。通過在射頻域引入一路輔助射頻通道并將其轉換成數字信號，再在數字域構造與之相反的信號進行抵消，進一步降低殘余干擾。

通過空間域、射頻域、數字域這三級的自干擾消除，就可以將自干擾抑制到靈敏度稍有降低但可接受的水平。

解決了自干擾，也就是單個基站自己能正常工作了，但實際部署時不可能僅有一個基站一個終端，而是多個基站要組成網絡，同時服務多個不同的終端。這就涉及到更為棘手的問題：交叉鏈路干擾。

交叉鏈路干擾的消除，就需要設計對應的干擾測量機制，做到知己知彼，并傳遞已知的干擾特征，然后再通過波束零陷 、干擾抑制合并等技術進行干擾消除。這個過程比單個基站內的子干擾消除要復雜，目前業(yè)界還在研究中。

為了能順利地邁出第一步，我們應該從由易到難，循序漸進。首先，我們可以在智能工廠部署子帶全雙工微站，功率較小，和室外宏站的隔離相對容易一些。

后續(xù)，我們再考慮多個子帶全雙工基站之間的組網，最后我們再嘗試去解決子帶全雙工宏站和現網大下行宏站之間的組網。隨著組網干擾問題解決的進展，產業(yè)生態(tài)也就順理成章地成熟了。

標準化之路

子帶全雙工已在 3GPP R18 立項，目前正處于 SI（Study Item）階段，理論和工程技術研究已全面展開。

中國移動牽頭子帶全雙工技術的標準化，并將其打包到了 UDD（Unified Division Duplex，統(tǒng)一雙工）系列技術中。其中 S-UDD（Single carrier UDD，單載波 UDD）就指的是子帶全雙工。三星也類似，將該技術包裝成了 XDD（cross division duplex，交叉雙工）。

雖說目前的研究已經取得了一定的進展，但該技術離正式商用還比較遙遠。按照 R18 研究，R19 標準化的節(jié)奏，相關協(xié)議預計要到 2025 年才會凍結，商用預計要到 2026 年以后了。

2026 年，距離 6G 也就僅剩三年時間。因此，要順利推進實現子帶全雙工技術的商用，必須著重考慮對現有終端的兼容。因為基站側的升級改造通常比較容易推動，而終端產業(yè)鏈的普及則要更為滯后一些。

在實現了上述子帶不交疊的子帶全雙工之后，我們可以更進一步，讓子帶之間有所交疊，研究怎樣讓交疊之處的少量頻譜可以做同時同頻全雙工。再下一步，我們將推進整個載波向同時同頻全雙工邁進。這是個一步一個腳印的過程。

無論如何，子帶全雙工都將作為通向同時同頻全雙工的重要里程碑，在 5G 和 6G 的時代之交發(fā)揮承前啟后的價值。

FDD 和 TDD 之別，最終將成為歷史的煙塵。

本文來自微信公眾號：無線深海 （ID：wuxian_shenhai），作者：蜉蝣采采