5G頻段間協同技術

曹麗芳，江天明，鄧偉，陳卓

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

1 引言

3GPP定義5G NR頻率從700 MHz到2.6 GHz再到26 GHz，頻段跨度較大，根據頻率特性可知，不同頻率適用于不同的應用場景。低頻段（比如2 GHz以下）作為覆蓋層，提供廣域連續覆蓋和深度覆蓋；中頻段（比如2～6 GHz）作為連續的容量層，滿足廣域覆蓋和容量需求；而高頻段（比如6 GHz以上）作為容量層，可用于熱點局部區域補容。

目前，3GPP在NR系統中引入了載波聚合、補充上行和雙連接3種高低頻協同技術，在保障基礎覆蓋的同時，可以有效提升峰值速率，更好滿足大帶寬業務需求。

2 5G多頻協同方案原理

2.1 載波聚合

載波聚合（carrier aggregation，CA）將同一系統的多個載波單元（component carrier，CC）聚合以支持更大的傳輸帶寬。LTE單載波最大的帶寬為20 MHz，NR進行了帶寬增強，FR1（頻率低于6 GHz）和FR2（頻率高于6 GHz）支持最大的單載波帶寬分別可達100 MHz和400 MHz。

3GPP定義可獨立為UE添加下行載波聚合，但若有上行載波聚合需求，也需要同時配置該頻段的下行載波聚合。協議在R15、R16和正在做標準化的R17都定義了上行載波聚合的增強，此處以n41+n79 UL CA為例進行說明，n41（即2.6 GHz）的帶寬為100 MHz，幀結構為DDDDDDDSUU（可簡寫為7D1S2U，D為下行時隙，S為以下行符號為主的特殊時隙，U為上行時隙），根據協議公式計算2Tx（雙發）時上行峰值速率M為250 Mbit/s，n79（即4.9 GHz）的帶寬為100 MHz，幀結構是DDDSUDDSUU（可簡寫為 5D2S3U），2Tx（雙發）時計算上行峰值速率N為375 Mbit/s。

（1）R15版本

針對上行最大兩發的終端，最大支持上行兩載波聚合，即支持在兩個載波 1Tx（單發）+1Tx（單發）并發，即峰值為X=M/2+N/2=313 Mbit/s。

（2）R16版本（業界也稱超級上行）

針對上行最大兩發的終端，支持在兩個上行載波進行 1Tx（單發）和 2Tx（雙發）的輪發，同時結合兩載波幀頭錯開使得上行時隙盡量錯開，進而提升單用戶的上行時隙利用率，R16幀結構配置如圖1所示，起始位置即和GPS對齊的位置，也稱幀頭，如圖所示兩載波的幀頭偏移了3個時隙（即1.5 ms），兩個載波的上行時隙U可完全錯開，4.9 GHz和2.6 GHz各分配一個終端天線，其中2.6 GHz的天線在2.6 GHz下行時隙切換到4.9 GHz發送數據，在2.6 GHz上行時隙來臨前切換到2.6 GHz，則可計算峰值速率X=M/2+N=500 Mbit/s。

圖1 R16幀結構配置

（3）R17版本

針對上行最大兩發的終端，考慮終端能力增強可支持兩個天線同時切換到不同載波，正在推動2Tx（雙發）和2Tx（雙發）的輪發，幀頭配置方案和R16相同，可進一步提升用戶的上行性能，即峰值X=M+N=625 Mbit/s。

通過上述計算，最大2Tx發送的終端，隨著上行輪發的增強，單用戶峰值速率有明顯提升，匯總見表1。

表1 不同R版本的n41+n79上行載波聚合峰值速率

2.2 補充上行

中高頻的下行覆蓋能力可通過大規模MIMO、高功率、增加資源等技術保障，但上行覆蓋主要受限于終端的發射功率，覆蓋能力較弱。為了解決上下行覆蓋不匹配的問題而又不帶來太大的部署成本，5G系統在 R15引入了補充上行（supplementary uplink，SUL），即將上下行解耦，在中高頻部署時采用一個下行載波捆綁兩個上行載波的組合方案。在上行方向，兩個上行頻段包括一個中高頻（normal uplink NUL carrier）和一個相對低的頻段（SUL carrier），用低頻段覆蓋優勢彌補中高頻上行覆蓋的不足，進而擴大中高頻的下行使能范圍。SUL和CA相同，僅限于同一系統內使用。且兩個技術互不排斥，即可以在SUL基礎上疊加DL CA技術。

SUL技術發展經歷了兩個階段，正在向第 3階段增強，具體如下。

（1）R15版本

針對上行最大兩發的終端，允許終端在兩個上行載波間零微秒切換，但終端需要PA的關閉和預熱等物理處理過程，無法達到零時延，故該版本僅可通過RRC配置終端在何時切換到另一個上行載波，一般應用如下（以 n41+n83為例）：在n41上行覆蓋較好的位置默認選擇上行載波為n41，在n41覆蓋較差的位置，終端上報測量報告，基站判斷信號質量低于門限值（門限值的配置取決于基站實現），則通過RRC信令指示終端切換到n83，增強上行覆蓋能力，下行覆蓋能力不變，因上行覆蓋范圍擴大，n41的下行使能范圍也隨之擴大。

（2）R16版本

針對上行最大兩發的終端，對載波間的切換時延做了放松，使得終端可實現頻繁快速切換過程，R16版本對SUL和UL CA做了相同的增強，具體如下。

1）終端上報支持的載波間1Tx和2Tx切換時延能力，有 3 檔能力，分別為 35 μs、140 μs和 210 μs。

2）基站通過 RRC指示終端在兩個上行載波的天線數和切換損失信息（即終端天線切換發生在哪個頻段的上行時隙），同UL CA，以n41+n83的SUL為例：

· 在 n41載波的 UplinkConfig 信令中，uplinkTxSwitchingPeriodLocation-r16=fault，表示切換損失不在 n41 uplinkTxSwitchingCarrier-r16=carrier2，代表n41上行為雙流；

· 在 n83載波的 UplinkConfig 信令中，uplinkTxSwitchingPeriodLocation-r16=true，表示切換損失在n83，上行數據傳輸模式如圖2所示，其中叉形所示，終端一根天線從700 MHz載波切換到2.6 GHz載波會浪費700 MHz的幾個符號資源，無法發送數據，uplinkTxSwitching Carrier-r16=carrier1，代表n83上行為單流；

圖2 上行數據傳輸模式

· 通過DCI符號級調度使得終端在預定的位置切換即可完成載波間的數據輪發，增強上行峰值速率性能。

（3）R17版本

針對上行最大兩發的終端，正在推動2Tx和2Tx的輪發，該增強方案同樣適用于UL CA。

2.3 雙連接

雙連接是 UE使用兩個通過非理想回傳鏈路相連的網絡節點：主節點（master node，MN）和輔節點（second node，SN）提供無線資源進行通信。無線接入技術雙連接（multi RAT dual connectivity，MR-DC）是一系列不同的雙連接配置選項的總稱，與前面兩小節的 CA、SUL相比，DC最大的區別在于不僅支持相同系統間的協同，同樣支持不同系統間的協同，包括 EN-DC（E-UTRA-NR雙連接）、NR-DC（NR雙連接）、NGEN-DC（NG-RAN-E-UTRA雙連接）和NE-DC（NR- E-UTRA雙連接）。

3 5G多頻協同方案部署要求

3.1 載波聚合

載波聚合適合理想回傳場景，但考慮不同頻段的覆蓋性能有一定差異，存在較多不共站但有重疊覆蓋的場景。本節主要分析異站場景的載波聚合技術方案，包括性能影響和對應的解決方案。

（1）成員載波不共用基帶板

現網終端僅支持單PUCCH，即PUCCH 只在PCell 上傳輸。因輔載波的下行數據HARQ確認信息需要在主載波的 PUCCH發送，故對兩載波的BBU（基帶單元）間傳輸時延要求較高。時延越大，性能增益就會損失越大，LTE異站CA測試結果見表2：共站部署時，X2時延為0 ms，DL峰值為39.65 Mbit/s，最大X2時延為8 ms時，性能增益會降低約30%，DL峰值降低為27.91 Mbit/s，增益損失嚴重，導致網絡的頻譜效率降低。

表2 LTE異站CA測試結果

可通過以下兩種方式來規避或緩解上述性能損失。

· 降低BBU間傳輸時延，可通過CRAN部署方式，即將多個BBU放到同一個機房，BBU之間通過光纖直連，則Xn時延（5G中基站之間的接口，類似于4G的X2）降低，性能損失也得到了緩解，但CRAN邊界處對性能無改善。

· 降低跨BBU的載波聚合對Xn時延的要求，通過多套PUCCH實現，即輔載波的HARQ確認信息在輔載波的PUCCH反饋，不需要經過Xn口，則對Xn時延的要求相對寬松。

（2）成員載波不共用天面

如果兩載波單元的RRU（射頻單元）或AAU（射頻和天線一體化）不共用，終端到兩個小區天面的時間可能不同。以 n41（2.6 GHz）+n28（700 MHz）UL CA為例，考慮700 MHz覆蓋性能遠好于2.6 GHz，故存在較大區域內，終端到700 MHz基站的距離要大于到2.6 GHz基站的距離，此刻，終端在700 MHz小區的時間提前量TA_n28要大于在2.6 GHz小區的TA_n41。若終端共用700 MHz小區的定時提前量，則終端發送數據到2.6 GHz基站的時刻相比2.6 GHz小區其他終端要提前TA_n28-TA_n41；若終端共用2.6 GHz小區的定時提前量，則終端發送數據到700 MHz基站的時刻相比700 MHz小區其他上行同步的終端要晚TA_n28-TA_n41。

當同一小區的用戶在上行數據到達基站時刻不同，則會出現上行符號間干擾，故該場景僅使用一個TA值容易引起上行同步問題，導致上行干擾，影響性能。載波聚合終端可通過支持不同的服務小區采用獨立的TA值，來避免因TA值不同造成上行不同步引起的符號間干擾。

3.2 補充上行

補充上行和載波聚合類似，均適合理想回傳場景部署。

（1）當NUL載波和SUL載波不共RRU/AAU時，終端到兩個載波天面的時間差不同，而3GPP僅定義一個TA值，即SUL載波共用NUL的TA值，該情況下，TA對上行性能影響如下。

n83頻段子載波間隔為15 kHz時，normal CP長度為4.6 μs，LOS場景下對應容忍的覆蓋距離偏差范圍約 4.6 μs ×（3×108m/s）=1.38 km；NLOS下，覆蓋距離縮短，預計城區較小站間距場景TA同步問題不大，但郊區較大站間距場景下可能有一定區域性能會因此受到影響。跨AAU或BBU示意圖如圖3所示。

圖3 跨AAU或BBU示意圖

（2）SUL要求同一時刻只能在一個上行載波發送數據，以 n41+n83（SUL）為例，當上行在n83傳輸時，則需要n41的下行HARQ確認信息在n83的PUCCH發送，若n41和n83的BBU不共BBU框，如圖4所示，兩個載波的基帶單元通過光纖或者通過路由連接，則 Xn時延增加，HARQ等待時延加長，影響用戶性能以及網絡的頻譜效率。

圖4 BBU不共框

3.3 雙連接

雙連接適合解決非理想回傳場景下的速率提升，主要原因有兩點：一是每個載波的下行數據的 HARQ均在本載波的上行反饋，對兩載波的BBU間時延要求相對寬松；二是數據流量在PDCP層分流，兩個載波各自擁有獨立的調度器，理論上，可以做異廠商雙連接，這也是雙連接的最大優勢，可以解除對供應商的頻段綁定關系，對運營商的采購有利，但網絡優化和維護可能存在互相推諉等異廠商間協調問題，實際部署可能性較低。

目前，產業較為常見的雙連接架構是EN-DC，LTE eNB為MN，NR gNB為SN，控制面通過LTE eNB接入EPC。option 3系列示意圖如圖5所示，4G基站和4G核心網承載信令傳輸（圖5中虛線），4G基站和5G基站均可承載數據業務（圖5中實線），5G無線網與核心網之間的NAS信令（如注冊、鑒權等）通過4G基站傳遞，5G無法獨立工作，也稱為非獨立組網。

圖5 option 3系列示意圖

隨著5G核心網的成熟，5G產業逐步向獨立組網發展。NR和NR之間，3GPP僅定義了FR1 NR+FR2 NR的雙連接，但FR2尚未完成國內的頻譜分配，故現網中NR和NR之間雙鏈接暫未部署。

4 5G多頻協同方案性能和產業對比分析

NR和NR間的多頻段協同技術主要考慮CA和SUL。針對n41+n28 CA和n41+n83 SUL的R15和R16的峰值速率和邊緣速率進行理論分析，對應的基本系統配置參數見表3。

4.1 峰值速率

根據表3中單載波的理論峰值速率，可計算得到如下結論。

（1）上行鏈路

· 支持1Tx+1Tx并發的R15的UL CA，上行峰值250+175=300 Mbit/s。

· R15 SUL支持在NUL和SUL兩個上行載波選擇最優的一個載波傳輸，上行峰值max(175 Mbit/s,250 Mbit/s)=250 Mbit/s。

· 支持1Tx和2Tx輪發的R16 UL CA或SUL，上行峰值相同，可達250 Mbit/s+175 Mbit/s×(17/(14×5))=383 Mbit/s，相比 R15 UL CA和R15 SUL分別有27%和53%增益。其中，17為700 MHz無法使用的符號個數（具體如圖6所示，切換時延帶來2符號損失，為保障2.6 GHz的SRS參考信號發送，需減少700 MHz的1個符號，2.6 GHz上行時隙時刻，700 MHz上行不發送數據，減少14個上行符號），14×5為5 ms周期內700 MHz的上行符號個數。

圖6 上行輪發時700 MHz無法使用的符號

（2）下行鏈路

· DL CA在R15和R16峰值速率性能相同，均為1 700 +350=2 050 Mbit/s。

· SUL在R15和R16的下行性能相同，下行僅n41單載波，均為n41的峰值1 700 Mbit/s，若SUL同時添加n28為下行輔載波，則可達到與DL CA相同峰值速率。

峰值速率性能對比如圖7所示，R16的上行性能相比 R15有一定提升，下行峰值速率性能不變。

圖7 不同技術的上下行峰值速率

4.2 邊緣速率

中單載波的理論邊緣速率見表3，可推理得到如下結論。

表3 基本系統配置參數

（1）上行鏈路

上行邊緣位置，終端功率受限，單發效率最高，即UL CA或SUL均只在700 MHz（n83或n28）上單發，邊緣速率3.5 Mbit/s。

（2）下行鏈路

· DL CA在R15和R16性能相同，考慮兩個載波的邊緣位置可能不同，不能直接相加，需要測試驗證。

· SUL在R15和R16的下行性能相同，下行僅n41單載波，為n41的邊緣速率70 Mbit/s。

5 產業支持情況

目前，DL CA產業相對成熟，已支持基站和終端的端到端測試，UL CA和SUL端到端產業成熟度相對較慢，2021年基站和終端將支持端到端測試驗證，其中UL CA相比SUL產業鏈更加豐富。

6 結束語

為加強多頻段協同，達到提升用戶峰值速率，提升網絡覆蓋能力等目的，載波聚合、補充上行和雙連接技術是重要的解決手段，但適用場景不同，載波聚合和補充上行適用于理想回傳場景，其中，載波聚合主要用于相同頻段之間（比如n41+n41）、TDD頻段之間（比如n41+n79）以及TDD頻段和FDD頻段之間（比如n41+n28）等，適用范圍相對廣泛；補充上行主要適用于TDD頻段和SUL頻段之間（比如n41+n83），適用范圍相對較小；雙連接主要適用于非理想回傳場景，目前較多應用于 FDD LTE+TDD NR 或 TDD LTE+TDD NR等EN-DC。未來毫米波等高頻段頻譜可能會逐步引入現網，考慮和中低頻段的覆蓋差異較大，高低頻協同技術會更多地應用在非理想回傳場景，未來可進一步對非理想回傳場景下的載波聚合或補充上行等多頻段協同技術進行性能影響定量分析和測試驗證，并針對存在的問題考慮解決方案或性能提升方案。