5G網(wǎng)絡能力提升方案研究與應用

摘要：文章研究了5G網(wǎng)絡上行容量不足、上行覆蓋受限以及上行傳輸時延變長等問題，并提出了采用FDD-NR和TDD-NR時頻聚合技術來提升5G網(wǎng)絡性能的方案。該方案主要通過深度聚合低頻FDD和高頻TDD載波，利用中低頻段覆蓋優(yōu)勢和中高頻段大帶寬優(yōu)勢，以提升5G上下行容量、覆蓋和時延。研究表明，采用不同頻段的載波深度聚合方式可以顯著提高上行速率、覆蓋半徑以及上行時頻資源利用率。智能調(diào)度功能還允許基站根據(jù)終端能力、無線條件和業(yè)務性能需求等因素，靈活選擇不同工作模式，以最大化地利用頻譜資源。實地驗證測試結果表明，采用該方案后上行峰值速率和邊緣覆蓋均得到了顯著提升，為5G網(wǎng)絡性能的改善提供了有效的解決方案。

關鍵詞：5G網(wǎng)絡；上行容量；時頻聚合；覆蓋增強

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A

0 引言

到2025年，中國5G用戶將達到8.92億，到2027年，月均移動數(shù)據(jù)流量將增至50 G，數(shù)據(jù)流量增長將近350%。且隨著2K VR、Cloud Gaming等高速率2C應用的興起、5G與2B業(yè)務的結合，上行容量的需求將是巨大的，以某大型港口的工業(yè)智能化改造為例，至少需要配置無人駕駛貨車、5G攝像頭和無人機等智能聯(lián)網(wǎng)設備，上行速度需要達到200 Mbps以上^［1］。而5G主流頻段存在的傳播損耗高等問題將會導致在一定程度上難以應對這些需求挑戰(zhàn)。基于此，研究5G網(wǎng)絡能力提升方案，能更好地推動5G發(fā)展。

1 5G面臨的挑戰(zhàn)

TDD是5G主流商用頻譜，但仍然存在一些問題，導致上行覆蓋和容量亟需提升。

1.1 5G可能容量不足

雖然5G帶寬達到100 MHz，下行峰值可達1530 Mbps，上行峰值可達373 Mbps，但是隨著5G用戶數(shù)的增長和速率要求達到上百兆等應用的普及，5G的上下行容量將無法滿足需求。

1.2 上行覆蓋受限

頻率越高，路徑損耗越大，覆蓋距離越短。如圖1所示，TDD-NR頻段通常使用中高頻段，無線傳播損耗較導致上行覆蓋受限，即采用3.5 GHz比2.1 GHz的路徑損耗高約4.4 dB左右。此外，頻率越高，穿透損耗也越大，導致覆蓋距離縮短。3.5 GHz比2.1 GHz的穿透損耗高，例如穿透玻璃墻時，3.5 GHz比2.1 GHz的穿透損耗高3 dB左右，這將導致5G上行覆蓋受限，雖然5G終端的發(fā)生功率增強1倍，但是隨著用戶向小區(qū)邊緣移動，5G終端上行2天線和大帶寬的優(yōu)勢逐漸消失^［2］。

1.3 上行傳輸時延變長

由于5G采用TDD模式，上行占空比低，終端在進行下行傳輸?shù)臅r候不能進行上行傳輸，這會導致上行傳輸時延變長。如圖1所示，對于2.5 ms雙幀結構，上行占比約30%，不能100% 時間發(fā)送。上行傳輸時間會額外增加0～2 ms，平均增加0.8 ms；下行傳輸時間會額外增加0～1 ms，平均增加0.2 ms。

綜上所述，采用3.5 GHz TDD-NR部署5G網(wǎng)絡，亟須提高5G上行的容量和覆蓋，以提升用戶體驗。隨著 5G商用部署的頻譜持續(xù)擴展，F(xiàn)DD-NR頻段可以采用頻段重耕或者頻譜共享方式與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡共存，例如采用900 MHz FDD-NR、2.1 GHz FDD-NR部署5G網(wǎng)絡，促進TDD-NR（簡稱“TNR”）和FDD-NR（簡稱“FNR”）之間的深度聚合與協(xié)同，將TNR 和FNR網(wǎng)絡聚合為一張網(wǎng)，從而提升5G上下行容量、覆蓋和時延，有效提升網(wǎng)絡競爭力。

2 FNR和TNR時頻聚合技術

2.1 概述

相比高頻的TDD頻段，傳統(tǒng)的低頻FDD雖然在帶寬和大規(guī)模天線支持能力上不占優(yōu)勢，但是在時隙占比、時延以及傳播能力上有著天然的優(yōu)勢。如果能充分發(fā)揮高頻TDD和低頻FDD的優(yōu)勢，則可以實現(xiàn)容量、帶寬和時延的全面提升。FNR和TNR聚合技術主要用于SA網(wǎng)絡架構，針對TNR上下行覆蓋不平衡的問題，將較低頻段的FDD載波和較高頻段的TDD載波結合，利用中低頻段覆蓋補充中高頻段覆蓋短板，從而提升5G上下行性能^［3］。如圖2所示，在下行方面，F(xiàn)NR和TNR時頻聚合使用傳統(tǒng)CA技術，將多個頻段聚合到一起拓展帶寬，在上行方面，F(xiàn)NR和TNR時頻聚合支持并發(fā)和輪發(fā)模式的CA，保持TDD雙流，最大化利用頻譜資源，從而提升上行吞吐量，降低上行時延。

FNR和TNR時頻聚合具備多種高低頻聚合手段，能夠靈活適配多種組網(wǎng)場景，滿足終端差異化網(wǎng)絡需求。就目前而言，F(xiàn)NR主要采用900 MHz和2.1 GHz等頻段，TNR采用3.4 GHz 和3.5 GHz等頻段，可以通過頻段重耕或者頻譜共享方式實現(xiàn)。FNR和TNR時頻聚合技術部署無限制，可以靈活支持共站和跨站場景的CA，基于不同站點實現(xiàn)跨扇區(qū)、跨站協(xié)同，改善5G連續(xù)覆蓋能力，提升用戶上下行體驗速率。如圖3所示的時頻聚合部署方式，其中共站部署是指3.5 GHz TNR和2.1 GHz/900 MHz FNR共站，屬于基礎場景，適用于城區(qū)或2B場景。跨站部署指的是900 MHz FNR與3.5 GHz TNR或者900 MHz FNR與2.1 GHz FNR跨站部署，由于900 MHz與3.5 GHz/2.1 GHz不是1∶1組網(wǎng)，所以針對這種情況，跨站部署成為必然，適用于城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等場景。宏微協(xié)同部署屬于跨站CA補充場景，適用于補熱場景^［4］。

2.2 FNR和TNR下行聚合

5G下行聚合繼承了4G載波聚合的相關理念，可以通過整合連續(xù)或者非連續(xù)的頻率，靈活選擇 900 MHz/2.1 GHz/3.5 GHz多頻段多載波進行3CC或者2CC的CA，實現(xiàn)可用帶寬的疊加，從而增加系統(tǒng)吞吐量。此外，CA的主輔小區(qū)間可以更靈活地做負載均衡，充分利用各載波空閑資源，從而實現(xiàn)資源利用率最大化。同時，通過主輔載波之間的靈活調(diào)度，避免同頻干擾。

在部分場景中，比如下行是FNR1+TNR2進行時頻聚合（主載波是FNR）、上行只有FNR單載波，或者下行是TNR1+TNR2 進行聚合（主載波是TNR1）、上行只有TNR1單載波等場景中，上行只有單載波的情況下，TNR作為下行輔載波無法獲取上行SRS，所以下行輔載波TNR只能基于PMI進行波束賦形，導致在近中點會有約10%～30%吞吐量損失。5G下行聚合可靈活疊加多種技術保障TNR上進行SRS反饋，實現(xiàn)TNR的精準波束賦形，確保TNR中近點容量無損失。

2.3 FNR和TNR上行聚合

傳統(tǒng)的UL CA需要終端能在多個頻段上同時發(fā)送上行數(shù)據(jù)，由于TNR支持上行雙流，那么對于2.1 G+3.5 G UL CA則需要終端具備3個天線同時進行發(fā)送。出于耗電、處理能力等考慮，現(xiàn)階段5G商用終端只支持上行2Tx，需要靈活的CA模式才能達到最大化利用頻譜資源，基于此，3GPP引入了上行并發(fā)模式（也叫標準CA模式）和輪發(fā)模式（也叫TDM CA模式），如圖4所示。2種模式均是通過多載波的優(yōu)勢互補、時頻域資源深度聚合，提升上下行覆蓋和容量。

（1）并發(fā)模式：并發(fā)模式也叫標準CA模式，對于2Tx終端來說，如果要支持跨頻段CA，每個頻段分配一個Tx發(fā)送上行數(shù)據(jù)，即終端的一個Tx通道占用3.5 GHz TNR上行頻段，另一個Tx通道占用2.1 GHz FNR上行頻段。

（2）輪發(fā)模式：輪發(fā)模式是3GPP 在R16中引入增強型的CA方式，也叫TDM CA模式。與并發(fā)模式相比，輪發(fā)模式的UL CA通過2載波時分發(fā)射方式（TDM），并且通過Uplink Tx Switching方式來實現(xiàn)通道的切換，保證TDD的上行雙流能力，即當終端在3.5 GHz TNR做下行數(shù)據(jù)的時候，一個Tx通道占用2.1 GHz FNR上行頻段，而當終端在3.5 GHz TNR做上行數(shù)據(jù)的時候，則通過Uplink Tx Switching方式來實現(xiàn)通道的切換，此時終端的2個Tx通道都占用3.5 GHz TNR上行頻段進行發(fā)射，TDM CA模式下的終端通過上行進行FDD與TDD的輪發(fā)，可以支持TDD 2流或FDD 1流。在5 ms內(nèi)，上行TDM CA完成4次RF通道切換，其中2次從FDD切換為TDD頻段，2次從TDD切換為FDD頻段。

FNR和TNR時頻聚合技術支持多種幀結構和頻段的深度聚合，靈活選擇3.5 GHz帶內(nèi)CA， 或者帶外2.1 GHz+3.5 GHz＼＼900 MHz+3.5 GHz深度聚合的方式，滿足大上行要求。如圖5所示，現(xiàn)有主流的方案包括3種深度聚合方式。

（1）2.1 GHz FNR+3.5 GHz TNR深度聚合方式：通過高低頻互補，小區(qū)上行覆蓋半徑可以提升18%，并且支持標準CA和TDM CA模式，靈活提升資源利用率，如果使用標準CA模式，上行峰值速率可以提升約17%，使用TDM CA模式，上行邊緣速率可以提升約2～4倍。

（2）900 MHz FNR +3.5 GHz TNR深度聚合方式：通過高低頻互補，小區(qū)上行覆蓋半徑提升高達93%，并且同樣支持標準CA和TDM CA模式靈活提升資源利用率，如果使用標準CA模式，上行峰值速率可以提升約8%，使用TDM CA模式，上行邊緣速率可以提升約1～3倍。

（3）3.4 GHz TNR + 3.5 GHz TNR深度聚合方式：支持帶內(nèi)靈活聚合，支持多種TDD幀格式的聚合，提升上行時頻資源利用率，如果使用2.5 ms 雙周期幀配置結構，上行峰值可達746 Mbps，如果是使用2.5 ms 單周期幀配置結構（DSUUU），上行峰值可達1.5 Gbps。隨著5G上行傳輸流量要求越來越高，傳統(tǒng)幀結構已無法滿足要求，使用此種聚合方式可以滿足需求。

2.4 智能調(diào)度

目前高通、MTK、海思等芯片廠商均支持3.5 GHz帶內(nèi)、2.1 GHz+3.5 GHz及900 MHz+3.5 GHz的CA功能。已有商用終端支持DL CA，支持并發(fā)模式CA和輪發(fā)模式CA的商用終端會逐步增多。最關鍵的，F(xiàn)NR和TNR時頻聚合引入智能調(diào)度功能，基站可結合終端能力、無線條件和業(yè)務性能需求等，兼顧頻譜利用率最大化原則，為終端選擇不同工作模式。對于支持上行 TDM CA的終端，可以使用并發(fā)模式或者輪發(fā)模式進行聚合；對于支持標準CA模式的終端，則可以選擇并發(fā)模式；對于不支持CA的終端，則按照正常情況接入；對于只支持DL CA的終端，可以只進行下行聚合而不用上行聚合。故FNR和TNR時頻聚合技術的智能調(diào)度功能兼容所有能力的終端，在基站FNR和TNR時頻聚合開通后不需要進行全網(wǎng)終端升級。

3 結果驗證

3.1 方案1∶2.1 GHz FNR（20 MHz帶寬）+3.5 GHz TNR（100 MHz帶寬）

使用2.1 GHz FNR（20 MHz帶寬）+3.5 GHz TNR（100 MHz帶寬）進行深度聚合，同時基于TDM CA方式進行同站部署，現(xiàn)場外場驗證測試，上行峰值速率約439 Mbps，其中2.1 GHz的20 MHz小區(qū)上行速率約55 Mbps，3.5 GHz的100 MHz小區(qū)的上行速率約383 Mbps，較3.5 GHz的100 MHz小區(qū)單載波提升約14.3%，在拉遠測試中小區(qū)上行邊緣速率最大為25 Mbps，最大提升3.3倍，邊緣覆蓋SS-RSRP值從-114 dBm提升至-118 dBm，覆蓋延伸4 db。

3.2 方案2∶2.1 GHz FNR（40 MHz帶寬）+3.5 GHz TNR（100 MHz帶寬）

使用2.1 GHz FNR（40 MHz帶寬）+3.5 GHz TNR（100 MHz帶寬）進行深度聚合，同樣進行同站部署，進行室外定點測試，上下行峰值和邊緣速率提升均創(chuàng)新高。其中下行峰值速率達到2474 Mbps，較3.5 GHz的100MHz小區(qū)單載波提升約66.1%，上行峰值速率也提高，達到507 Mbps，較3.5 GHz的100 MHz小區(qū)單載波提升約32.3%。

此外，現(xiàn)網(wǎng)還存在宏站覆蓋室內(nèi)場景的情況，將方案2應用于室外覆蓋室內(nèi)，經(jīng)過室內(nèi)測試驗證表明，受到無線傳播特性影響，n78頻段和n1頻段的SS-RSRP差距在15 db以上。在覆蓋中點位置，上行吞吐量較3.5 GHz的100 MHz小區(qū)單載波提升約40.3% ，在覆蓋遠點位置，上行吞吐量較3.5 GHz的100 M小區(qū)單載波提升約4.56倍，TNR的邊緣覆蓋SS-RSRP值（以2 Mbps的速率為標準）也從-105 dBm擴展到-110 dBm，有效改善上行覆蓋。

4 結語

本文研究了5G網(wǎng)絡中存在的上行容量不足、上行覆蓋受限和上行傳輸時延變長等問題，并提出了采用FNR和TNR時頻聚合技術的解決方案。通過深度聚合低頻FDD和高頻TDD載波，成功提升了5G網(wǎng)絡的上下行容量、覆蓋和時延性能。此外，智能調(diào)度功能的引入進一步增強了基站的頻譜利用效率。實地驗證測試結果表明，所提出的解決方案在實際應用中取得了顯著的效果，為5G網(wǎng)絡的進一步發(fā)展提供了重要的技術支持和指導。

參考文獻

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（編輯 沈 強）

Research and application of enhancement scheme for 5G network capacity

Cai" Yong， Wang" Xiaobin， Yao" Mengke， Dai" Peng

（Shenzhen Branch ，China United Network Communications Group Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China）

Abstract：The paper investigates issues concerning insufficient uplink capacity， restricted uplink coverage， and increased uplink transmission delay in 5G networks. It proposes a solution using FDD-NR and TDD-NR carrier aggregation technology to enhance the performance of 5G networks. This approach primarily involves aggregating low-frequency FDD and high-frequency TDD carriers to leverage the coverage advantage of mid-to-low frequency bands and the high-bandwidth advantage of mid-to-high frequency bands， thereby improving both uplink and downlink capacity， coverage， and latency in 5G networks. Studies indicate that adopting various forms of carrier aggregation， significantly boosts uplink speed， coverage radius， and uplink resource utilization. Intelligent scheduling also enables base stations to flexibly choose different operational modes based on terminal capabilities， wireless conditions， and service performance requirements to maximize spectrum utilization. Validation tests demonstrate significant enhancements in uplink peak rates and edge coverage after implementing this solution， providing an effective remedy for improving the performance of 5G networks.

Key words：5G network; uplink capacity; carrier aggregation; coverage enhancement