5G SUL上行增強(qiáng)技術(shù)研究及應(yīng)用

［黃智瀛 白錫添 杜安靜］

1 引言

隨著我國5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，目前已建設(shè)為一張全球最大的5G網(wǎng)絡(luò)，5G 業(yè)務(wù)在AI、AR、視頻直播、視頻監(jiān)控以及各垂直行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，5G 用戶增長迅速。中國移動目前將2.6 GHz 作為5G網(wǎng)絡(luò)主用頻段，采用TDD 雙工模式。網(wǎng)絡(luò)采用的頻段越高，傳播損耗就越大，對應(yīng)的深度覆蓋能力越差，2.6 GHz 頻段相對于1.8 GHz頻段的傳播損耗多8 dB 左右。如要達(dá)到相近的覆蓋范圍，5G 的發(fā)射功率比4G 要求更高，基站側(cè)的AAU 可以直接增加發(fā)射功率（目前AAU 的功率可達(dá)320 W），但UE側(cè)的功率則受限于協(xié)議規(guī)定的最大值(雙天線的手機(jī)最大值為26 dBm，即400 mW)，導(dǎo)致5G上行覆蓋不足，用戶上行體驗(yàn)不佳。同時，中國移動5G 的時隙配比為8:2，上行時隙資源有限，也會影響大流量用戶的上行體驗(yàn)。因此，需要引入SUL上行增強(qiáng)技術(shù)，通過2.6 GHz 加1.8 GHz 的高低頻與時頻聯(lián)合調(diào)度，使能上行全時隙調(diào)度，提升5G用戶的上行體驗(yàn)和覆蓋能力。

2 5G上行增強(qiáng)技術(shù)概況

針對5G上下行覆蓋不平衡的問題，3GPP 引入了多種上行增強(qiáng)技術(shù)，主要包括雙連接、上下行解耦、超級上行、載波聚合等。

（1）雙連接

在雙連接模式下，5G 終端可以同時連接5G基站和4G基站，其中連接的4G LTE 一般采用較低的頻段，在5G 覆蓋不足的地方，由4G LTE 提供覆蓋補(bǔ)充，通過5G與LTE 聯(lián)合組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)良好的連續(xù)覆蓋。比如中國移動采用的雙連接模式 Option 3/3a/3x 架構(gòu)中，LTE 與5G基站都接入4G 核心網(wǎng)，其中LTE基站為主節(jié)點(diǎn)，5G基站作為輔節(jié)點(diǎn)，UE 的控制面信令終結(jié)在LTE基站，用戶面數(shù)據(jù)則可根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)方式由5G基站或LTE基站傳輸。

（2）上下行解耦

由于5G在上下行覆蓋上的不平衡，3GPP 引入了上下行解耦技術(shù)。5G 的上下行解耦是在一個NR 小區(qū)中有一個下行載波和兩個上行載波，兩個上行載波中一個是普通的頻段較高、頻帶較寬的NR NUL上行載波，另外一個是部署在頻點(diǎn)較低（如1.8 GHz）的頻段上的NR SUL上行載波。即在同一個NR 小區(qū)中將同時存在一個大帶寬的下行載波和一個覆蓋優(yōu)異的上行載波。因此，該技術(shù)既保證了5G網(wǎng)絡(luò)的下行峰值速率，又改善了中遠(yuǎn)點(diǎn)的上行覆蓋，提升了5G 用戶的滿意度和5G網(wǎng)絡(luò)性能。

（3）超級上行

超級上行是另外一種TDD/FDD 時頻域復(fù)用聚合提升上行覆蓋和容量的技術(shù)。超級上行技術(shù)包含SUL 時頻域聚合、CA 時頻域聚合等場景，通過將TDD 和FDD 協(xié)同，高頻和低頻互補(bǔ)，時域和頻域聚合，充分發(fā)揮TDD 高頻的大帶寬能力，同時利用FDD 頻段低、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，同時提升上行帶寬和遠(yuǎn)點(diǎn)覆蓋能力。

（4）載波聚合

載波聚合（CA）同時在兩個或兩個以上的成分載波上傳輸數(shù)據(jù)，在LTE網(wǎng)絡(luò)中已得到了充運(yùn)用，該技術(shù)也可以應(yīng)用于5G上行覆蓋增強(qiáng)方面。在5G 載波聚合時，通過中頻載波與低頻載波聚合，讓流量同時承載于高頻段和低頻段，就可以增強(qiáng)上行覆蓋和用戶體驗(yàn)。

本文主要對5G上行增強(qiáng)技術(shù)中的上下行解藕技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，即通過NR SUL上行載波的方式來提升上行性能。

3 基于SUL 的上行增強(qiáng)的主要技術(shù)特征

3.1 SUL上行增強(qiáng)的核心思想

5G上下行解耦技術(shù)的核心思路是為5G上行引入SUL 頻段，NR 根據(jù)需要可靈活地調(diào)整上行使用的頻段。基于SUL上行增強(qiáng)方案通過將上行數(shù)據(jù)分時在NR TDD 和NR SUL 頻段上發(fā)送，極大地增加了5G 用戶的上行可用時頻資源。其基本原理為：在TDD 頻譜的上行時隙，可使用NRTDD 或SUL 頻譜進(jìn)行上行數(shù)據(jù)發(fā)送；在TDD 下行時隙，使用空閑的SUL 頻譜補(bǔ)充進(jìn)行上行數(shù)據(jù)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)上行數(shù)據(jù)可以在全時隙發(fā)送。SUL上行增強(qiáng)原理如圖1 所示。

圖1 SUL上行增強(qiáng)原理圖

3.2 上行TDM 調(diào)度

基于SUL 的上行增強(qiáng)方案，下行鏈路承載在NR TDD 載波，上行鏈路承載在NR TDD 和NR SUL 載波。NR SUL 載波在NR TDD 下行時隙對應(yīng)的NR SUL 時隙上使用，此時特殊時隙上的上行子幀不再發(fā)送數(shù)據(jù)。

由于NR TDD 的子載波間隔為30 kHz，NR SUL 載波的子載波間隔為15 kHz，NR TDD 載波與NR SUL 載波的時隙數(shù)量比例是2:1，因此調(diào)度時需要考慮不同時序的調(diào)度。NR 引入了靈活的調(diào)度機(jī)制，協(xié)議引入k1 和k2，以保證gNodeB 和UE 間的調(diào)度時序不錯亂。其中，k1 用于確定下行數(shù)傳的HARQ 時序，k2 用于確定上行調(diào)度時序，k1 和k2基于算法自動計算得到。gNodeB 通過DCI消息將k1 和k2 參數(shù)下發(fā)給UE。

3.3 上行功率控制

上行增強(qiáng)方案的NR TDD 和NR SUL 載波單獨(dú)進(jìn)行功率控制，gNodeB 通過TPC 單獨(dú)指示UE 兩個載波的功率調(diào)整值，UE 也在兩個載波上單獨(dú)上報PHR 值。NR SUL 與NR TDD 載波的上行功率控制差異點(diǎn)在于：NR SUL 載波沒有下行鏈路，因此采用NR TDD 下行鏈路進(jìn)行路損估計。采用NR TDD 載波下行鏈路獲得路損估計會大于實(shí)際路損情況，因此會導(dǎo)致NR SUL上行發(fā)射功率過高，導(dǎo)致上行干擾提升。因此gNodeB 會根據(jù)NR SUL 和NR TDD 載波的路損差調(diào)整NR SUL 載波各信道的功率譜水平，給UE 下發(fā)如下調(diào)整值：

（1）P0_pre：gNodeB 期待接收到的preamble 功率譜水平

（2）P0_PUCCH：gNodeB 期待接收到的PUCCH 功率譜水平

（3）P0_PUSCH：gNodeB 期待接收到的PUSCH 功率譜水平

3.4 定時提前

上行增強(qiáng)方案場景下，NR TDD 載波和NR SUL 載波共用一個TAG（Timing Advance Group）。對于近點(diǎn)用戶，根據(jù)NR TDD 載波計算定時提前量；對于遠(yuǎn)點(diǎn)用戶，根據(jù)NR SUL 載波計算定時提前量。兩者的切換點(diǎn)根據(jù)算法門限（NRDUCellSul.SrsRsrpThld）進(jìn)行指示：

當(dāng)NR TDD SRS RSRP ≥ NRDUCellSul.SrsRsrpThld +hyst（2 dB），則優(yōu)選根據(jù)NR TDD 載波計算定時提前量。

當(dāng)NR TDD SRS RSRP ＜ NRDUCellSul.SrsRsrpThld–hyst（2 dB），則優(yōu)選根據(jù)NR SUL 載波計算定時提前量。

當(dāng)NR TDD 開啟載波聚合后，支持PCC、SCC 和SUL 載波共用一個TAG。gNodeB 根據(jù)PCC SRS RSRP 判斷遠(yuǎn)近點(diǎn)，近點(diǎn)用戶優(yōu)選根據(jù)PCC、SCC 載波計算定時提前量，遠(yuǎn)點(diǎn)用戶優(yōu)選NR SUL 載波計算定時提前量。

3.5 移動性管理

UE 的移動性管理分為系統(tǒng)內(nèi)移動性管理和系統(tǒng)間移動性管理。系統(tǒng)內(nèi)移動性管理包含：同頻切換、異頻切換、異頻重定向、異頻盲重定向。系統(tǒng)間移動性管理包含：異系統(tǒng)切換、異系統(tǒng)重定向、異系統(tǒng)盲重定向。支持上行增強(qiáng)方案的UE在上行增強(qiáng)方案小區(qū)間移動時，切換和重定向時需要重新選擇NR TDD 鏈路。當(dāng)切換入或重定向入上行增強(qiáng)方案小區(qū)時，對于支持上行增強(qiáng)方案的UE，會同時下發(fā)NR SUL 載波的信息用于UE 接入。

3.6 上行聯(lián)合接收

由于NR TDD 載波和NR SUL 載波使用不同的天線，工程實(shí)施誤差會導(dǎo)致NR TDD 載波和NR SUL 載波的覆蓋方位角不一致，影響上行增強(qiáng)方案增益。通過NR SUL上行聯(lián)合接收功能可以彌補(bǔ)覆蓋方位角不一致（夾角30°以內(nèi)）情況下的增益影響，提升交疊區(qū)用戶的上行接收性能，進(jìn)而提升交疊區(qū)的吞吐率。

3.7 上行頻譜共享

上下行解耦解決了上下行覆蓋的問題，但是由于當(dāng)前低頻頻段已經(jīng)被LTE 占用，難以給SUL 部署新頻段，LTE 與NR 頻譜共享則可以解決SUL 的頻譜資源問題。LTE 與NR 頻譜通過FDM 的形式實(shí)現(xiàn)上行頻譜共享。考慮到現(xiàn)網(wǎng)上下行業(yè)務(wù)不平衡，F(xiàn)DD 低頻段上行頻譜利用率低的特點(diǎn)，通過上行毫秒級動態(tài)頻譜共享獲取低頻段的上行頻譜，使NR SUL 和FDD LTE在同一頻段內(nèi)基于業(yè)務(wù)需求進(jìn)行動態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)上行頻譜共享。SUL上行頻譜共享原理如圖2 所示。

圖2 SUL上行頻譜共享原理圖

在同一TTI 內(nèi)，F(xiàn)DD LTE上行與NR SUL 使用不同的頻譜資源，在LTE 頻譜中共享部分頻譜給NR SUL。

4 應(yīng)用效果

深圳移動選擇FDD 1.8 GHz 作為NR 2.6 GHz 的NR SUL 頻段，通過高低頻時頻聯(lián)合調(diào)度，使能上行全時隙調(diào)度，提升上行體驗(yàn)和覆蓋。在中心政務(wù)區(qū)選擇一批站點(diǎn)，開通SUL上行增強(qiáng)功能，SUL上行增強(qiáng)打開前后的增益對比如表1 所示，可見上行速率增益明顯。

表1 NR SUL上行增強(qiáng)打開前后的增益對比

5 結(jié)束語

針對5G網(wǎng)絡(luò)頻段較高，上下行覆蓋不平衡的問題，需要通過上行增強(qiáng)技術(shù)來進(jìn)行彌補(bǔ)。本文介紹了5G上行增強(qiáng)技術(shù)的基本情況，分析了基于SUL 的上行增強(qiáng)的主要技術(shù)原理和特征，并在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了應(yīng)用，通過2.6 GHz 與1.8 GHz 高低頻時頻聯(lián)合調(diào)度，使能上行全時隙調(diào)度，提升了5G 用戶的上行體驗(yàn)和覆蓋范圍。