盡管5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已普遍具備主流水平的下行性能，但上行性能仍是許多應(yīng)用的瓶頸。5G上行的核心挑戰(zhàn)在于：個(gè)人用戶設(shè)備代替移動(dòng)基站成為數(shù)據(jù)發(fā)送端，而用戶設(shè)備的輸出功率遠(yuǎn)不及移動(dòng)基站。一方面，用戶設(shè)備的可用電池容量有限，另一方面，用戶設(shè)備需嚴(yán)格滿足保障人體安全的輻射控制要求（例如比吸收率SAR），導(dǎo)致用戶設(shè)備的輸出功率受限。
5G引入了新的高頻頻段（通常在3.5GHz左右），在實(shí)現(xiàn)超高速下行的同時(shí)，也抬高了用戶設(shè)備的上行門檻——相比4G低頻段，高頻信號(hào)更容易被障礙物衰減。。為有效解決這一難題，5G最新標(biāo)準(zhǔn)已納入上行增強(qiáng)特性。
為何上行性能對(duì)消費(fèi)者日益重要？
當(dāng)前，主流運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)承載著諸多形態(tài)的上行業(yè)務(wù)，從網(wǎng)絡(luò)直播、聯(lián)網(wǎng)安防、企業(yè)遠(yuǎn)程虛擬專網(wǎng)，到傳統(tǒng)的消息或郵件附件共享。與此同時(shí)，AI和網(wǎng)絡(luò)切片正在帶動(dòng)個(gè)人消費(fèi)者以及企事業(yè)應(yīng)用的快速發(fā)展。對(duì)運(yùn)營(yíng)商而言，提升上行性能是未來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差異化、避免“管道化”的先決條件。
Meta推出的Ray-Ban智能眼鏡是上行性能價(jià)值的典型例證。該眼鏡搭載Meta的視覺AI功能：用戶與AI交互時(shí)，只需注視某物體并提問，，眼鏡會(huì)拍照并上傳圖片到云端進(jìn)行深度分析。這類照片大小通常為5-10MB，需要高速上行來縮小響應(yīng)時(shí)延。此外，Meta還集成了基于智能手機(jī)的“Be My Eyes”服務(wù)，為視障用戶與真人志愿者之間提供實(shí)時(shí)連接，幫助這些用戶了解適應(yīng)周圍環(huán)境。目前，“Be My Eyes”服務(wù)已覆蓋全球150多個(gè)國(guó)家，惠及約80萬視障用戶，連接850多萬志愿者。
Meta目前正在測(cè)試一項(xiàng)名為“Live AI”的新功能，旨在提升這類視覺AI的用戶體驗(yàn)。用戶啟動(dòng)Live AI會(huì)話后，智能眼鏡會(huì)持續(xù)上傳圖像至云端；當(dāng)用戶問及周圍環(huán)境時(shí)，系統(tǒng)可借助提前獲取的圖像快速做出回應(yīng)。這類應(yīng)用所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)高于“按需拍照上傳”方式，且其他智能眼鏡廠商很可能快速跟進(jìn)。
5G-A上行助力“超然蘇超”
中國(guó)擁有全球最大的5G-A網(wǎng)絡(luò)。盡管中國(guó)職業(yè)足球近年經(jīng)歷轉(zhuǎn)型期，但今春江蘇省城市足球聯(lián)賽（簡(jiǎn)稱“蘇超”）的興起卻呈現(xiàn)另一番景象。蘇超現(xiàn)場(chǎng)觀賽規(guī)模龐大，每場(chǎng)比賽吸引上萬名現(xiàn)場(chǎng)觀眾，同時(shí)還有大量觀眾通過線上直播觀看比賽，甚至一度有超過80萬人關(guān)注某場(chǎng)比賽的門票銷售情況。在抖音平臺(tái)，今年相關(guān)話題的總瀏覽量更是超過了8.2億次。
蘇超聯(lián)賽現(xiàn)場(chǎng)觀眾人數(shù)超3萬
賽事對(duì)體育場(chǎng)館內(nèi)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)性能提出了極高的要求，尤其是上行性能。與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)相比，5G-A技術(shù)支持更高密度用戶設(shè)備接入，并顯著提升了上行能力。蘇超聯(lián)賽的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量構(gòu)成中，上行流量占比超過40%，其中80%來源于現(xiàn)場(chǎng)解說、微信短視頻、照片分享等實(shí)時(shí)互動(dòng)，有力說明了優(yōu)質(zhì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于提升觀賽體驗(yàn)的重要性。
中國(guó)三大電信運(yùn)營(yíng)商充分發(fā)揮5G-A的優(yōu)勢(shì)，通過3載波聚合技術(shù)部署多個(gè)網(wǎng)絡(luò)頻段，并利用輔助上行和高效調(diào)度機(jī)制，顯著提升了網(wǎng)絡(luò)性能，上行峰值速度高達(dá)240Mbps，保障球迷暢享賽事。
非消費(fèi)者應(yīng)用同樣需要強(qiáng)大的上行性能
上行性能的重要性同樣體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)中。許多網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)本就專為實(shí)現(xiàn)上行速率、時(shí)延和下載性能等網(wǎng)絡(luò)保障而設(shè)計(jì)。例如，在應(yīng)急響應(yīng)場(chǎng)景中，現(xiàn)場(chǎng)人員需要上傳事故現(xiàn)場(chǎng)視頻，以便控制中心或救援隊(duì)伍快速評(píng)估險(xiǎn)情并采取措施。
另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用場(chǎng)景是5G在公共場(chǎng)所用作回傳網(wǎng)絡(luò)。由于此類場(chǎng)景通常采用共享網(wǎng)絡(luò)資源的方式，為確保每個(gè)最終用戶都能獲得10Mbps或20Mbps的上行性能，整個(gè)回傳鏈路需要支持該速率的倍數(shù)速率，因?yàn)樵撴溌沸柰瑫r(shí)服務(wù)于多個(gè)用戶設(shè)備。以列車場(chǎng)景為例，即便部分用戶通過Wi-Fi連接，而非5G直連，整列車廂所需的合并上行速率仍需達(dá)到數(shù)百兆，甚至可能高達(dá)500Mbps。
與其他網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相比，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常具有更多的對(duì)稱性能需求：傳感器數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程機(jī)械操控、安全應(yīng)用等皆需穩(wěn)定上行。無人機(jī)管控通常需要25Mbps的典型目標(biāo)上行速率；自動(dòng)駕駛同樣對(duì)上行性能要求較高——當(dāng)本地自動(dòng)駕駛系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，或惡劣天氣導(dǎo)致自動(dòng)駕駛系統(tǒng)無法正常工作時(shí)，遠(yuǎn)程真人安全駕駛員必須能夠快速、可靠地接管控制。
5G新標(biāo)準(zhǔn)顯著提升上行性能
最近幾代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過載波組合或頻段組合來提升整體網(wǎng)絡(luò)吞吐量，從而提高網(wǎng)絡(luò)速率。在下行方向，設(shè)備通常支持6載波聚合甚至更多。而在上行方向，由于用戶設(shè)備自身的限制，通常只能實(shí)現(xiàn)單載波或至多雙載波聚合。
另一種提高速率的方法是MIMO空分復(fù)用。MIMO空分復(fù)用將額外的數(shù)據(jù)流疊加在單個(gè)載波上，提高有效容量和傳輸速度。這種方法主要應(yīng)用于TDD頻段，TDD是應(yīng)用于高頻頻段的一種常見雙工模式，能有效提升5G網(wǎng)絡(luò)容量并實(shí)現(xiàn)超高下載速度。
運(yùn)營(yíng)商還可通過增加上行時(shí)隙占比來提升TDD頻段的上行容量和速率，這種方式已長(zhǎng)期應(yīng)用于4G網(wǎng)絡(luò)的TDD頻段。然而，該方法通常會(huì)犧牲一部分下行容量，因此在許多場(chǎng)景下也并非理想的解決方案。
除此之外，上行載波聚合技術(shù)也是關(guān)鍵首段。該技術(shù)自最初的5G標(biāo)準(zhǔn)（3GPP R15）起即已支持，但實(shí)際應(yīng)用受限，主要源于兩方面因素：一是運(yùn)營(yíng)商在5G非獨(dú)立組網(wǎng)階段仍大量依賴4G頻段；二是由于FDD與TDD頻段在上行聚合中的技術(shù)限制。隨著5G獨(dú)立組網(wǎng)的逐步推廣，運(yùn)營(yíng)商將有能力整合多個(gè)5G頻段用于上行傳輸，從而顯著提升上行性能。
現(xiàn)階段，運(yùn)營(yíng)商可通過配置專用的輔助上行（SUL），與具備上下行雙工能力的主頻段協(xié)同部署，從而提供額外的專用上行容量。與動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙的方式相比，SUL技術(shù)通過引入額外的專用上行頻段，可在不犧牲下行性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)上行容量與速率的提升。盡管SUL技術(shù)在中國(guó)已得到廣泛應(yīng)用，這類專用頻譜在全球范圍內(nèi)的部署仍面臨較大限制。
3GPP R16針對(duì)5G上行載波聚合的技術(shù)瓶頸提出了多項(xiàng)改進(jìn)。其中，上行發(fā)射通道切換技術(shù)（Uplink-Tx Switching）通過將上行載波聚合與單頻段的額外空間層相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)上行性能的進(jìn)一步提升。其核心原理是：在TDD頻段用于下行傳輸?shù)臅r(shí)隙內(nèi)，設(shè)備上行天線依然工作在FDD頻段；當(dāng)TDD調(diào)度切換到上傳時(shí)隙時(shí)，設(shè)備雙天線均切換到MIMO模式下的TDD頻段，以最大化上傳性能。
3GPP R17和R18進(jìn)一步增強(qiáng)了上行發(fā)射通道切換技術(shù)。例如，R17增加了FDD頻段雙天線同時(shí)傳輸?shù)倪x項(xiàng)。相比單頻段單天線，雙頻段可以靈活地調(diào)用兩個(gè)天線，進(jìn)一步提高了性能。而R18甚至支持四頻段切換。如果運(yùn)營(yíng)商在TDD頻段有兩個(gè)連續(xù)載波，則可以利用TDD 2x2 MIMO上行連續(xù)載波聚合功能，實(shí)現(xiàn)FDD上行2流+TDD 4流間的切換。
TDD和FDD頻段并用的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，F(xiàn)DD低頻天然具備的更高的覆蓋能力以及更廣的信號(hào)發(fā)射范圍，可有效彌補(bǔ)移動(dòng)設(shè)備在TDD高頻段上傳輸時(shí)面臨的電量和功率限制。FDD通常覆蓋1GHz以下及1GHz至2.2GHz之間的大部分頻段，而TDD則覆蓋這些頻段之上的大部分頻段。
3GPP R18還提供了一種上行發(fā)射通道切換技術(shù)的替代方法，即上行3Tx天線傳輸（Uplink 3-Transmit）。與發(fā)射通道切換不同，該方法實(shí)現(xiàn)雙載波同時(shí)傳輸。然而，其限制在于需要修改用戶設(shè)備硬件設(shè)計(jì)，且通常僅適用于具備三個(gè)配套天線的FWA場(chǎng)景。
最新版本的3GPP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步增強(qiáng)了跨頻段載波聚合的能力，能夠有效整合非連續(xù)分配的頻譜資源，尤其適用于那些在特定頻段內(nèi)擁有大量帶寬但頻譜分配不連續(xù)的運(yùn)營(yíng)商。
L4S保障高負(fù)載下的低延遲
L4S（Low Latency, Low Loss, Scalable Throughput）技術(shù)是5G-A網(wǎng)絡(luò)提升上行性能的另一項(xiàng)關(guān)鍵特性。作為一項(xiàng)已在固定網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的技術(shù)，L4S現(xiàn)已合入3GPP R18移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在路由器高負(fù)荷工作時(shí)，仍能保障網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)響應(yīng)。
通常情況下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重時(shí)，延遲會(huì)顯著增加。L4S通過提升網(wǎng)絡(luò)在高負(fù)載和高緩沖區(qū)占用下的響應(yīng)能力，不僅有助于改善上行性能，也對(duì)下行性能有所提升。目前，美國(guó)T-Mobile等運(yùn)營(yíng)商已開始L4S早期部署。與其他技術(shù)類似，L4S不僅提升上行性能，對(duì)于實(shí)時(shí)通信、游戲和XR等應(yīng)用場(chǎng)景亦具重要意義。
5G SA是提升5G上行性能的基礎(chǔ)
隨著網(wǎng)絡(luò)從早期非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）逐步向獨(dú)立組網(wǎng)（SA）演進(jìn)，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)具備部署上述3GPP新特性的能力，從而優(yōu)化上行性能。5G-A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步要求網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于SA模式。隨著網(wǎng)絡(luò)向SA轉(zhuǎn)變，F(xiàn)DD低頻段被用于TX切換，有助于進(jìn)一步提升上行速率。對(duì)于剛剛開始部署SA網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商而言，應(yīng)提前規(guī)劃演進(jìn)路線圖，以支持這些新特性，實(shí)現(xiàn)差異化的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和服務(wù)體驗(yàn)，從而在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。
(作者：Ian Fogg CCS, Insight網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新總監(jiān)）
原文鏈接： https://www.ccsinsight.com/blog/why-5g-advanced-is-the-unseen-backbone-of-ai-economy/
