5G無線網上行覆蓋增強技術探討

李 兵，陽夢華

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410126）

0 引 言

蜂窩通信技術因技術體制原因，存在上下行覆蓋不平衡問題。下行鏈路上的基站與上行鏈路上的終端發射功率存在較大差異，基站側的發射功率可以達到上百瓦，而終端側的發射功率僅為毫瓦級。

5G網絡因采用高頻段，鏈路損耗較大。下行基站側可通過增大天線發射功率和天線增益等方法，使下行覆蓋能力與LTE相當。但是，上行終端側因天線數量和發射功率的限制，上行覆蓋能力有限，相差下行約14dB，上下行覆蓋嚴重不平衡。此外，隨技術的發展和算法的優化，未來5G上下行覆蓋能力的差異將進一步擴大。因此，在5G網絡部署上需采用上行覆蓋增強技術來彌補上行覆蓋不足的問題。

上行覆蓋增強技術是5G的關鍵技術之一，決定了5G網絡小區的覆蓋范圍。目前，上行覆蓋增強技術主要有雙連接、上下行解耦、超級上行、下行載波聚合和上行載波聚合等。

1 5G系統總體架構

5G采用基于服務化（SBA）接口的系統架構，控制面功能被分解為多個獨立的NF（Network Function），而NF間在業務功能上解耦，對外呈現單一的服務化接口，如圖1所示[1]。NF與無線側以及與外部網絡采用傳統的點對點通信。服務化的控制面架構通過NF的靈活編排大大簡化了新業務的拓展和上線流程。

圖1 基于服務化接口的5G系統架構

2 5G NR上行覆蓋增強技術

2.1 雙連接（Dual Connectivity，DC）

2.1.1 雙連接技術原理

3GPP Release 14在LTE雙連接技術基礎上定義了LTE和NR的雙連接技術，實現了LTE和NR系統的互連，以提高無線資源利用率，增強網絡覆蓋和容量。在5G網絡建設中，前期可在現有LTE網絡的基礎上部署5G熱點，將5G網絡連接到現有的LTE核心網中，實現5G系統的快速部署。5G核心網建成后，5G可實現獨立組網，提供更高速的數據業務和更高的業務質量，但是在某些覆蓋盲點仍可通過雙連接技術，借助LTE系統提供更好的上下行覆蓋。雙連技術架構如圖2所示。

2.1.2 LTE/NR雙連接模式

針對5G部署場景，3GPP Release 15定義了多種LTE/NR雙連接模式，包括option3/3a/3x、option4/4a和option7/7a/7x[2]。雙連接3/3a/3x模式下，LTE和NR基站都連接在LTE核心網上，LTE eNB總是作為主eNB（即MeNB），5G gNB作為從eNB（即SeNB）；雙連接4/4a模式下，LTE和NR基站都連接在NR核心網上，NR gNB總是作為主eNB，eLTE eNB作為從eNB；雙連接7/7a/7x模式下，LTE和NR基站都連接在NR核心網上，eLTE eNB總是作為主eNB，5G gNB作為從eNB。eNB和gNB通過Xn接口互連，終端可同時連接LTE和NR基站。

圖2 雙連接協議棧架構

2.2 上下行解耦（Supplementary Uplink，SUL）

上下行解耦定義了新的頻譜組合方式，利用SUL低頻段提升上行覆蓋，下行數據在3.5G頻段傳輸。而在上行覆蓋受限區域，上行數據在2.1G等低頻段傳輸。低頻段上行載波不建立獨立小區，采用動態頻譜共享技術共享現網LTE頻段，NR與LTE系統間需進行信息交互。

上下行解耦接入流程基于用戶事件測量上報的下行RSRP電平值，指示用戶選擇合適的上行載波并發起初始接入。網絡側指示終端上行載波信息和上行載波選擇門限，終端則需要測量并選擇合適的上行載波用于初始接入。

3GPP Release 15定義上下行解耦頻段組合為：上行3.3～3.8GHz+SUL 700MHz/800MHz/900MHz/1800MHz/2100MHz； 下 行 4.4 ～ 5.0GHz+SUL 900MHz/1800MHz，如圖3所示。

圖3 上下行解耦技術原理

2.3 超級上行（Super UL）

超級上行在3.5G基礎上新增FDD低頻段通道（如2.1G等），以低頻段FDD的方式進行上行數據傳輸，從而增強上行覆蓋。超級上行可在3.5G和低頻段之間進行TTI級靈活切換，支持終端3.5G雙通道26dBm發射和低頻段23dBm單通道發射。3.5G與低頻段時分復用，同一時刻僅一個頻段工作。

超級上行當3.5GHz頻段傳送上行數據時，FDD上行不傳送數據，因此可充分利用3.5G 100MHz大帶寬和終端雙通道發射的優勢提升上行吞吐率，同時確保每通道最大發射功率達到23dBm，保證最大覆蓋。

與SUL和CA不同，超級上行不僅能夠提升上行覆蓋，而且能夠提升上行吞吐率和降低時延。在中近點區域支持3.5G和低頻段間靈活切換，提升上行容量和時延；在遠點區域提升3.5G上行覆蓋。

超級上行不需要修改駐留策略和主副載波錨點，也無需進行輔載波配置流程，接入后即生效，無額外信令開銷，如圖4所示。

圖4 超級上行技術原理

2.4 下行載波聚合（DL Carrier Aggregation，DL CA）

5G NR在3.5G基礎上通過載波聚合的方式開通低頻段作為上行通道的補充。低頻段需支持NR，在低頻段上建立獨立NR小區。在覆蓋受限區域，上行數據優先在覆蓋能力較好的低頻段上發送，從而增強上行覆蓋。3.5G載波和低頻段載波之間可進行信息交互和負載均衡，能夠提升用戶上行或下行峰值速率和容量，提升用戶體驗。載波聚合分為下行載波聚合和上行載波聚合兩種。

3GPP Release 15版本定義CA頻段組合為TDD 3.3～3.8G+FDD 700 MHz/900MHz/1800MHz[2]。

下行載波聚合時，近中點區域，下行3.5G與Sub 3G載波聚合，提升下行體驗，3.5G為主載波，Sub 3G為輔載波；遠點區域，下行3.5G與Sub 3G載波聚合，提升下行體驗，Sub 3G為主載波,3.5G為輔載波；上行采用Sub 3G單載波，利用低頻段增強上行覆蓋。

終端上行發送時，在近中點區域采用3.5G雙天線26dBm發送，在遠點區域采用Sub 3G單天線23dBm發送。在小區近中點區域上行2T發送SRS，波束賦型能力較好，小區遠點區域需終端支持SRS載波切換，否則存在SRS發送損失，導致速率下降。

下行載波聚合需要修改駐留策略和主副載波錨點選擇，并且需要進行輔載波測量和添加流程（SCC配置、SCC激活、SCC去激活和SCC刪除等），增加了額外的信令流程，如圖5所示。

圖5 下行載波聚合技術原理

2.5 上行載波聚合（UL Carrier Aggregation，UL CA）

上行載波聚合時，在近中點區域，下行采用3.5G單載波，上行3.5G和Sub 3G載波聚合，3.5G為主載波，Sub 3G為輔載波；在遠點區域，下行采用3.5G單載波，上行3.5G和Sub 3G載波聚合，Sub 3G為主載波，3.5G為輔載波（3.5G弱覆蓋，相當于Sub 3G單載波），從而利用Sub 3G低頻段，增強上行覆蓋。

終端上行發送時，3.5G頻段和Sub 3G頻段同時激活，且都采用單天線發送。發送的總功率最高為23dBm，因此存在功率回退問題，且上行僅支持1T發送SRS，下行波束賦形能力有所減弱。

同下行載波聚合一樣，上行載波聚合需要修改駐留策略和主副載波錨點選擇，且需要進行輔載波測量和添加流程，增加了額外的信令流程，如圖6所示。

圖6 上行載波聚合技術原理

2.6 上行覆蓋增強技術比較

不同的上行覆蓋增強技術具有不同的技術特點，如適用場景、發送天線數、發射功率、下行波束賦形能力和信令體驗等方面。幾種5G上行覆蓋增強技術方案的比較如圖7和表1所示[3]。

可以看出，雙連接主要是借助LTE網絡來補充NR覆蓋盲點和承載5G錨點信令；上下行解耦利用SUL頻段提升了遠點區域上行覆蓋；超級上行在提升遠點區域上行覆蓋的同時，提升了近中點區域的上行體驗；下行載波聚合不僅能夠提升遠點區域上行覆蓋，還能夠提升下行體驗；上行載波聚合多頻段并發運行，但存在功率回退問題。

3 結 論

面向5G時代的應用如AR、智能制造、自動駕駛以及遠程醫療等，需要具備超帶寬、超可靠、低時延的5G網絡的支持。上行覆蓋增強技術是5G網絡提升上行覆蓋能力、完善網絡覆蓋不可或缺的技術。隨著5G網絡建設步伐的逐步加快，確定并選擇一種覆蓋提升能力較好、系統及終端設計相對簡單、工程部署相對容易的上行覆蓋增強技術顯得尤為重要。

本文詳細分析5G無線網幾種上行覆蓋增強技術的原理及特點，總結了各技術的優勢與不足：雙連接主要用于NSA組網；上下行解耦具有較好的上行覆蓋補充能力，但是上下行解耦系統側和終端側實現都較為復雜，且對現網性能有一定影響；下行載波聚合利用FDD低頻段，不僅能夠提升上行覆蓋，還能提升下行體驗，但增加了信令開銷；上行載波聚合技術標準目前還處于討論階段，上行載波聚合發射端不同頻段共享23dBm的發射功率，存在功率回退問題，同時增加了信令開銷；超級上行不僅能夠提升上行覆蓋能力，而且能夠提升上行容量與體驗且無額外信令開銷。在5G網絡建設中，應根據實際情況著重考慮下行載波聚合和超級上行技術。

圖7 上行覆蓋增強技術時域比較

表1 上行覆蓋增強技術特點比較