一種5G上行鏈路增強技術解決方案

曹磊　趙曄　熊尚坤　許森　魏垚

【摘? 要】新業務發展對5G上行速率和時延提出更高要求，結合全球5G頻率使用情況，分析了高/低頻段、TDD/FDD雙工在5G上行容量、覆蓋和時延性能方面的特性，在上行CA和SUL的基礎上，提出一種TDD/FDD協同、高低頻互補和時頻域聚合的5G上行增強解決方案，具有更優的上行性能，最后給出了標準化方向的建議。

【關鍵詞】上行增強技術;上行載波聚合;上行輔助鏈路

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.005? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）09-0024-04

引用格式：曹磊，趙曄，熊尚坤，等. 一種5G上行鏈路增強技術解決方案[J]. 移動通信， 2019，43（9）： 24-27.

5G Uplink Enhancement Solution Based on TDD/FDD Coordination

CAO Lei1， ZHAO Ye1， XIONG Shangkun2， XU Sen2， WEI Yao2

（1. 5G Innovation Center of China Telecom， Beijing 100033， China;

2. Intelligent Network and Terminal Research Institute of China Telecom， Guangzhou 510630， China）

[Abstract]

The emerging application development raises higher requirements for 5G uplink rate and delay. Based on global spectrum usage of 5G， this paper analyzes the characteristics of high/low frequency band， TDD/FDD duplex for 5G uplink capacity， coverage and delay performance. Based on uplink CA and SUL， a 5G uplink enhancement solution is proposed via TDD/FDD coordination， high and low frequency complement and time-frequency domain aggregation. The proposed solution has better uplink performance and provides suggestions to standardized direction.

[Key words]uplink enhancement; uplink CA; supplementary uplink

1? ?5G上行需求

今年世界移動大會的主題是“智聯萬物”，“智聯萬物”標志著一個新時代的來臨，人們能夠隨時隨地獲享受高度契合時代背景的個性化體驗。5G技術具有高速性、靈活性及敏捷性，能夠提供遠比現在更加可靠的服務與性能，與人工智能、大數據、物聯網等新技術深度融合，與工業制造、產業互聯網充分結合，將為信息通信、社會管理、產業升級、文化生活等領域注入更多的智慧元素，成為智聯萬物背景下網絡變革的使能器和社會變革的加速器。

當前全球商用啟動的5G網絡，一般處在TDD高頻段，為連續組網，在時隙配置上，一般以解決ToC下行為主，實現下行高速率傳輸。但ToC下行高速率會進一步提高上行速率需求，隨著新興應用的發展，如高清視頻直播、VR畫面渲染等，對5G網絡上行速率提出了更高的要求。另一方面，以遠程醫療、工業控制為代表的ToB行業應用方興未艾，對網絡提出了更高上行速率和更低時延的需求。

2? ?不同頻段的特性分析

5G網絡全球首發頻段以C-Band為主[1]，C-Band系統制式均采用TDD雙工，上下行信道互易有利于大規模天線能力發揮，在實現空間復用上具有天然優勢。再者，結合100 MHz頻譜大帶寬優勢，下行用戶峰值速率達到1 Gbit/s以上，可以滿足大部分下行業務容量需求[2]。但是，TDD對頻譜資源需按上下行分配，主流2.5 ms雙周期、2.5 ms單周期等以下行時隙為主，上行時隙占比小，上行業務速率在每秒百兆比特級別，上行相比下行，空口速率性能存在較大壓力。5G首次采用3.5 GHz甚至4.9 GHz等中高頻段，中高頻段信號傳播路損更大，穿透能力較弱，較LTE系統1.8 GHz或2.1 GHz頻段覆蓋效果沒有優勢。為彌補頻率特征帶來的覆蓋差異，5G在下行方向采用了大功率發送，但上行覆蓋仍然受終端發射功率限制（盡管5G終端發射功率增強一倍），成為主要瓶頸，隨著用戶向小區邊緣移動，5G上行2天線和大帶寬的優勢逐漸消失，在小區邊緣業務體驗不如FDD低頻，室內場景更加明顯。

如圖1所示，相比高頻的TDD頻段，傳統的FDD低頻段雖然在帶寬和大規模天線支持能力上處于劣勢，但在時隙上行占比、時延和傳播能力上有著天然的優勢。

如何在5G的上行增強技術方案中，充分發揮高頻TDD和低頻FDD各自的優勢，形成一個綜合的解決方案，實現覆蓋、容量和時延等性能的全面提升的同時也能實現低成本，成為業界的一個探索方向。

3? ?現有5G上行增強解決方案分析

通過TDD和FDD融合來實現5G上行增強，最典型的方法包括上行載波聚合（CA， Carrier Aggregation）和上行輔助鏈路（SUL， Supplementary Uplink）[3]。本文后續描述的上行增強方案，均考慮了當前主流終端的上行2個發射通道的設計，并以TDD頻段為3.5 GHz（時隙結構采用2.5 ms雙周期）、FDD頻段為2.1 GHz為例。

CA是關鍵的4G增強技術之一，5G默認自然繼承所有CA功能，在CA的技術框架中，支持不同頻帶間的CA，并支持TDD+FDD CA，同時，理論上只要在3GPP頻率組合允許范圍內[1]，即可實現高低頻載波在TDD+FDD雙制式的并發。基于NR終端上行2個發射機的主流設計如圖2所示，目前上行CA實際只能采用3.5 G 1T+2.1 G 1T雙通道發送，如圖3所示，這種設計中，兩個頻段的發射機同時工作，設計復雜度高，一些頻段組合存在著一定的互調干擾以及功率回退等問題，從而影響了上行性能。同時，在近點，無法在3.5 G 2T發送實現上行2流的優勢，峰值速率性能受到明顯的約束。

如圖4所示，SUL技術是可以利用低頻FDD頻段彌補上行覆蓋不足的技術[4]，通過上下行頻率解耦，充分利用低頻頻譜傳播優勢提升邊緣覆蓋速率和用戶體驗。在SUL中，上行輔助鏈路和上行非輔助載波不會被同時調度發送，終端在2.1 G載波作為輔助載波，僅在3.5 G上行發射功率受限時（如遠點）按100%時隙發送，或在近點與3.5 GHz上行TDM才會被調度發送。因此，SUL技術的增益一般在遠點獲得覆蓋增益，在近點，雖然與2.1 GHz輔助載波TDM上行發送來獲得一定上行增益，但同樣損失了3.5 GHz 2T實現2流發送的性能。

總之，現在的上行CA和SUL協議，在現有的終端兩個上行通道設計架構下，均無法在大帶寬的3.5GHz實現上行2T發送從而獲得2流性能。

4? ?基于TDD/FDD協同、高低頻互補、

時域/頻域聚合的上行增強技術方案

如圖5所示，本文提出的一種5G上行增強技術解決方案，采用了TDD/FDD協同、高低頻互補、時頻域聚合的創新理念，期待在近點獲得大帶寬的3.5 GHz TDD頻段，實現上行2T以獲得2流性能，同時也兼顧在上行100%的時間上獲得發送機會，以進一步提升速率和降低時延。

如圖6所示，主要的技術實現方式在于終端以TDM方式使用兩個上行載波，同一時刻僅在一個載波上發送，下行可以是單載波或者下行載波聚合。一種典型的場景在離基站的近點，終端在3.5 GHz下行工作時隙時，配置在2.1 GHz載波進行上行傳輸，在3.5 GHz上行發射時刻僅配置終端使用3.5 GHz進行上行2T發射獲得2流。在遠點或室內3.5 GHz上行發送，終端可全部時隙配置在2.1 GHz載波上進行數據發送。

表1給出了本文提出的上增強方案與上行CA、SUL的對比。與上行CA和SUL相比，本文提出的方案具有如下特點：上行在3.5 GHz大帶寬載波支持2T獲得雙流，功率可達26 dBm，同時保持CA和SUL的上行100%全時隙發送能力，可以獲得更好的用戶上行體驗。另外，這種方案，上行同時工作的最大發射通道數仍然只有2個，關鍵的射頻通道器件基本可重用4G/5G雙模終端設計中的已有器件，只需在3.5 G的一個通道和2.1 G通道之間增加一個開關，為實現時隙級的切換，終端器件成本沒有明顯增加。

5? ?關于標準化支持的探討

在目前3GPP的協議里，本文提出的上行增強技術方案標準尚未完全支持，有如下內容需要業界聯合開展技術研究和標準推進：

（1）1T和2T發射的切換時間：在2.1 GHz單天線發射和3.5 GHz雙天線發射的轉換時刻終端需要進行相關硬件準備，因此存在一個短暫的切換時間，標準中需要研究由哪個載波、哪個信道來出切換時間以及具體的切換時間長度，用于明確終端的相應行為。

（2）定義TDD和FDD雙載波間的TDM切換方式：需要研究是采用L3靜態TDD/FDD間的TDM切換方式[5]，還是基于DCI的TDD/FDD間的切換方式[6]，或者是基于L3和L1相結合的TDD/FDD間的切換方式。

（3）上下行主載波的綁定關系：為了減少上下行移動性策略對于下行主載波的選擇影響，因此需要支持當采用NR作為下行主載波時，上行依然可以利用LTE作為上行反饋的要求。

6? ?結束語

在上行CA和SUL的基礎上，本文提出一種TDD/FDD協同、高低頻互補、時頻域聚合的5G上行增強技術解決方案，它在容量、覆蓋和時延等方面有全面的優勢，同時，終端產品器件成本沒有明顯增加，有助于產業快速發展和普及。然而，方案作為一種新型的技術創新，在3GPP現有的框架下，仍需要大量的標準化研究工作。5G網絡上行能力增強是國內乃至全球運營商的共同需求，5G上行增強技術方案需聚集產業鏈多方力量共同推動，共同探索。

參考文獻：

[1] 3GPP. 3GPP TR 38.101-1 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; User Equipment （UE） radio transmission and reception; Part 1： Range 1 Standalone[S]. 2018.

[2] 3GPP. TR 38.913 V15.0.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[S]. 2018.

[3] 3GPP. 3GPP TR 38.300 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; NR and NG-RAN Overall Description[S]. 2018.

[4] RP-180967： Band combinations for SA NR Supplementary uplink （SUL）， NSA NR SUL， NSA NR SUL with UL sharing from the UE perspective （ULSUP）” TSG_RAN_80[S]. 2018.

[5] 3GPP. 3GPP TR 38.133 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Requirements for support of radio resource management[S]. 2018.

[6] 3GPP. 3GPP TR 38.212 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Multiplexing and channel coding[S]. 2018. ★