上行選擇發射原理和實現分析

（中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

4G 時代的移動業務需求以下行為主，因此網絡能力主要為下行大帶寬，上行大帶寬需求較少。而隨著移動互聯網蓬勃發展，5G 超高速率、超大連接、超低時延的特性進一步推動萬物互聯構建的智能世界進入各行各業千家萬戶，如AR/VR、4K/8K 高清直播、短視頻等上行高速率需求的業務逐漸增多并占據重要位置，對移動網絡提出了上行大帶寬和低時延等需求。

國內運營商主流的5G 頻段一般在中高頻，以中國電信和中國聯通的3.5 GHz TDD 網絡為例，使用2.5 ms 雙周期的幀結構，下行時隙占比遠高于上行時隙，網絡的上行利用率較低。提升網絡的上行利用率是網絡發展需要解決的問題，在這種背景下，利用多頻協同的上行選擇發射技術被提出以用于提升5G 的上行利用率和容量。

1 上行選擇發射技術原理

在上行選擇發射技術提出之前，3GPP 在R15 版本已經有相關的上行增強技術，主要包括SUL（Supplementary Uplink，補充上行）、CA（Carrier Aggregation，載波聚合）和EN-DC（EUTRA-NR Dual Connection，4G-5G 雙連接）三類[1]。SUL 主要用于小區邊緣，用于提升上行覆蓋；CA 可以提升下行吞吐率，但受限于終端的發射天線數量無法有效提升上行吞吐量；EN-DC 主要用于NSA 網絡。

2019 年9 月，上行選擇發射技術正式納入3GPP Rel-16 立項[2]，并分別于2019 年11 月和2020 年2 月由RAN4 聯絡函出發RAN1 和RAN2 工作組討論。3GPP 定義了2Tx 終端的兩種工作情形[3]，如表1 所示。

表1 2Tx終端的工作模式

Case1 指的是2Tx 終端在兩個載波1 和載波2 上分別以1Tx 傳輸，Case2 指的是2Tx 終端在其中一個載波上以2Tx 傳輸。其中，Case1 根據是否支持上行數據在兩載波并發又分為option1 和option2 兩種模式，如表2 所示。

表2 Case1兩種工作模式

以載波1 為2.1 GHz FDD 載波和載波2 為3.5 GHz TDD 載波為例，現階段的終端大多在2.1 GHz FDD 上行只能單發，在3.5 G 上行可以雙發。為方便描述，在本文中Case1 option1 模式默認在2.1 GHz 上工作，Case1 option2 模式默認在2.1 GHz 和3.5 GHz 上同時工作，Case2 模式默認在3.5 GHz 上工作。若可以實現Case2 和Case1 工作模式的切換，在3.5 GHz TDD 下行時隙時終端切換到另一FDD 載波上工作進行上行發送，則可以有效提升上行的容量。

Case1 和Case2 兩種工作模式的切換的本質是上行發射天線的切換，所以3GPP 在Rel-16 引入了Uplink Tx Switching 功能，并同時定義了35/140/210 μs 三檔切換容忍時延，明確SUL 和UL CA 場景下切換時延選擇區間為{35 μs,140 μs,210 μs}，EN-DC 場景下切換時延選擇區間為{35μs,140 μs}[4]。Uplink Tx Switching功能需要終端支持，終端所支持的切換時延等級將在接入網絡時包含在終端能力中進行上報，同時，終端能力上報中引入上行切換所帶來的下行中斷上報，并且針對SUL+TDD、TDD+TDD CA、TDD+TDD EN-DC 三種場景下不引入下行接收中斷。

在SUL、UL CA 和EN-DC 三種上行增強技術的基礎上開啟Uplink Tx Switching 功能，即為上行選擇發射技術，也稱為超級上行技術。上行選擇發射技術可以使終端通過類似TDM（Time Division Multiplexing，時分復用）的方式在兩個載波上進行上行時分發射，工作模式如圖1 所示。對于上行選擇發射的Switching period 位置由基站調度器決定，無須經過RRC 消息配置，一般位于FDD 載波上。

需要明確的是，在終端開啟Uplink Tx Switching功能后，終端不可配置兩個載波1Tx+2Tx 同時發送，1Tx+2Tx 只適于TDM 模式。

2 基于SUL的上行選擇發射實現

不同能力的終端在基于SUL 上行選擇發射的網絡中工作模式不同，基于SUL 的上行選擇發射其主要的工作流程如下：

（1）小區的SUL 載波頻段配置

小區的SUL 載波的配置信息由小區的系統消息SIB1 中servingCellConfigcommon 字段里supplementaryUplink中的frequencyInfoUL 參數提供，包含了小區中的所有SUL 載波信息。如果該參數缺失或缺省，則表明終端接入的小區未配置SUL 載波，終端直接在Non-SUL 載波上進行接入。

（2）終端隨機接入流程

當終端支持SUL 且小區配置了SUL 載波時，終端將根據在SIB1 消息中的字段RACH-ConfigCommon中rsrp-ThresholdSSB-SUL 參數的值和測量得到的小區SSB-RSRP 值進行判斷。如果SSB-RSRP 值大于SIB1 設置的門限值，終端將在Non-SUL 載波上進行隨機接入。如果SSB-RSRP 值小于設置的門限值，則終端將直接在SUL 載波上進行隨機接入[5]。

圖1 2Tx終端上行選擇發射工作狀態

當終端不支持SUL 或不支持小區配置的SUL 頻段時，終端將無視SIB1 消息中的SSB-RSRP 判斷字段，直接在Non-SUL 載波上進行隨機接入。

（3）基于SUL 的上行選擇發射生效流程

當終端在SUL 載波上進行隨機接入時，網絡默認開啟SUL 功能，配置終端工作模式為Case1 option1，終端在SUL 載波上進行上行傳輸。此過程非3GPP 標準定義，具體策略由基站調度器決定，可以進行優化。例如可以將基站測量得到的SRS-RSRP 值作為第二道判決依據，當終端在SUL 載波上進行接入后，若SRS-RSRP 值大于某一門限，說明信道質量尚可，基站將使基于SUL 的上行選擇發射生效；而SRS-RSRP 值小于門限時，基站僅使SUL 生效，上行選擇發射不生效。

當終端在Non-SUL 載波上進行隨機接入時，在隨機接入MSG5 RRCSetupcomplete 消息發送完成后，網絡將要求終端上報終端能力，根據終端能力的不同有以下不同的流程：

1）終端不支持SUL 或不支持小區配置的SUL 頻段時，網絡將配置終端的工作模式為Case2，終端在Non-SUL 載波上進行上行傳輸。終端是否支持SUL 具體可檢索UE capability information element 消息中BandCombinationList字段中的頻段組合。

2）終端支持SUL，但不支持上行選擇發射。基站會根據終端上報的多載波能力和單載波能力進行比較，從而確定終端的工作模式將。例如，終端Non-SUL 的能力為T2R4 SRS，但SUL 的能力為T1R4 SRS，那么終端處在小區近中點信道環境較好時，將不會使SUL 生效，因為SUL 生效會導致終端上行傳輸只能為單流，極大減小了終端的上行容量。但如果終端Non-SUL 的能力為T2R4 SRS，SUL 的能力也為T2R4 SRS，則基站調度器會根據SUL 載波和Non-SUL 載波上的容量決定在哪個載波上進行上行傳輸。

3）終端支持上行選擇發射，終端開啟上行選擇發射。終端是否支持上行選擇發射具體可檢索UE capability information element 消息中BandCombination-UplinkTxSwitch-r16 字段，若該參數缺失或缺省，則表明不支持上行選擇發射。

基于SUL 的上行選擇發射，其工作流程示意圖如圖2所示。

對于 基于SUL 的上行選擇發射，終端在近中點和遠點的工作模式如圖3 所示。

3 基于UL CA的上行選擇發射實現

圖2 基于SUL的上行選擇發射工作流程示意圖

圖3 基于SUL的上行選擇發射工作模式

與基于SUL 的上行選擇發射可以在SUL 載波上發起隨機接入不同，基于UL CA 的上行選擇發射一般在主載波上發起隨機接入，所以在整體生效的流程上會更加單一。基于UL CA 的上行選擇發射其主要的工作流程如下：

（1）小區的輔載波配置

小區的輔載波配置信息不在小區的系統消息中廣播，而是在發起隨機接入后，由RRC 重配置消息配置，輔小區頻段或小區的添加和刪除分別由CellGroupConfig 字段的sCellToAddModList 參數和sCellToReleaseList 參數提供，輔小區的參數配置由相同字段的SCellConfig 參數提供。輔小區添加和刪除的觸發機制分別為通過基于測量添加或盲添加輔載波，通過基于測量刪除輔載波。

（2）終端隨機接入流程

終端根據駐留策略，優先在高優先級的小區中駐留并發起隨機接入。

（3）基于上行CA 的上行選擇發射生效流程

3GPP 未定義輔小區的激活方式，可基于不同的策略實現，如默認激活或基于終端buffer 的緩存大小激活。在滿足輔小區的激活條件后，基站通過在主載波上發送MAC CE 激活輔載波，MAC CE 中對應輔載波的bitmap比特信息為1 則表示激活對應的輔載波。

根據終端能力的不同有以下不同的考慮：

1）終端支持UL CA，但不支持上行選擇發射。基站是否激活輔小區還可以考慮終端在輔小區的上行容量。因為對于2Tx 的終端，激活上行CA 時終端的工作模式為Case1 option2，終端在主小區和輔小區各1T 并發有可能會導致上行的容量降低。

2）終端支持上行選擇發射，可以默認激活或基于終端buffer 的緩存大小激活輔小區開啟上行選擇發射。

基于UL CA 的上行選擇發射流程圖如圖4 所示。

對于基于UL CA 的上行選擇發射，終端在近點、中遠點的和在邊緣點的工作模式如圖5 所示。

4 上行選擇發射不同實現技術的比較

圖4 基于UL CA的上行選擇發射流程圖

上行選擇發射可以通過SUL 和UL CA 實現，基于這兩種技術實現的上行選擇發射具有不同的特點，以3.5 GHz和2.1 GHz 的雙頻組合為例，兩種技術的具體對比情況如下：

（1）配置與激活方式：對于UL CA 方案，輔小區添加可采用基于測量的添加和盲添加兩種方式，通過MAC CE 激活，激活方式可根據業務量或者默認激活等。對于SUL 方案，SUL 頻段由SIB1 配置，SUL 參數由RRC 消息配置，激活方式一般為默認配置后立即激活，根據業務量激活由于需要RRC 重配置消息下發SUL 參數配置會有較大時延，較不靈活。

（2）控制信道資源：對于UL CA 方案，下行控制信道PDCCH 資源可配置位于主載波或輔載波或同時位于主載波和輔載波，上行控制信道PUCCH 資源位置與PDCCH 相同。對于SUL 方案，下行控制信道PDCCH 資源只能配置在Non-SUL 載波，上行控制信道PUCCH 資源可位于Non-SUL 載波或SUL 載波。

圖5 基于UL CA的上行選擇發射工作模式

（3）UE 上行近點速率：UE 上行近點速率和終端的發射天線數以及第二載波的帶寬相關。在2Tx 終端和3.5 G 100 M/2.1 G 20 M 的配置下，UL CA 方案和SUL 方案兩者可達的上行速率基本一致。

（4）UE 上行中遠點速率：對于UL CA 方案，可以上行并發，在2.1 G 單載波速率高于3.5 G 雙流速率一半的區域上行容量更大。對于SUL 方案，無法上行并發，中遠點部分區域上行容量可能劣于基于上行CA 的上行選擇發射。

（5）UE 上行邊緣速率：NR 3.5 G 和2.1 G 二者取優。對于UL CA 方案，NR 3.5 G 做CA 主載波時PDCCH 資源充足，邊緣有保障。對于SUL 方案，因SUL 無對應的下行信道測量，因此性能難以保障。

（6）移動性能：對于UL CA 方案，移動性能較好，比較成熟，上行和下行可以走不同載波，二者可非同步。對于SUL 方案，移動性能較差，NR 3.5 G 和SUL 必須同扇區，SUL 無對應的下行導頻測量，跟隨NR 3.5 G 下行切換會存在較大誤差。

（7）組網靈活性：對于UL CA 方案，組網靈活性較好，TDD 和FDD 載波相互解耦，可用于小區間、站間，組網靈活。對于SUL 方案，組網靈活性較差，R15 和R16 版本的SUL都是基于共站組網，TDD 與FDD 相互耦合，組網靈活性低。

（8）網絡改造量：對于UL CA 方案，對于2.1 G 和3.5 G小區方向沒有較高要求，改造量可能較小。對于SUL 方案，需保證2.1 G 小區和3.5 G 小區方向基本一致，可能需要將現有的2.1 G 基站天面進行改造。

5 結束語

上行選擇發射技術利用多頻協同的方法，提升了網絡上行的容量，同時也因為基于SUL 和上行CA 的技術基礎，同樣可以提升小區的覆蓋。基于SUL 和基于UL CA 的上行選擇發射具有不同的特點，各有優劣，在實際部署中應該根據需求選擇合適的技術部署，也可以制定相關的策略，實現兩種上行選擇發射技術的自適應，以最大化發揮網絡的性能。