5G無線網(wǎng)上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)探討

李 兵，陽夢華

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410126）

0 引 言

蜂窩通信技術(shù)因技術(shù)體制原因，存在上下行覆蓋不平衡問題。下行鏈路上的基站與上行鏈路上的終端發(fā)射功率存在較大差異，基站側(cè)的發(fā)射功率可以達(dá)到上百瓦，而終端側(cè)的發(fā)射功率僅為毫瓦級。

5G網(wǎng)絡(luò)因采用高頻段，鏈路損耗較大。下行基站側(cè)可通過增大天線發(fā)射功率和天線增益等方法，使下行覆蓋能力與LTE相當(dāng)。但是，上行終端側(cè)因天線數(shù)量和發(fā)射功率的限制，上行覆蓋能力有限，相差下行約14dB，上下行覆蓋嚴(yán)重不平衡。此外，隨技術(shù)的發(fā)展和算法的優(yōu)化，未來5G上下行覆蓋能力的差異將進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，在5G網(wǎng)絡(luò)部署上需采用上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)來彌補(bǔ)上行覆蓋不足的問題。

上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，決定了5G網(wǎng)絡(luò)小區(qū)的覆蓋范圍。目前，上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)主要有雙連接、上下行解耦、超級上行、下行載波聚合和上行載波聚合等。

1 5G系統(tǒng)總體架構(gòu)

5G采用基于服務(wù)化（SBA）接口的系統(tǒng)架構(gòu)，控制面功能被分解為多個(gè)獨(dú)立的NF（Network Function），而NF間在業(yè)務(wù)功能上解耦，對外呈現(xiàn)單一的服務(wù)化接口，如圖1所示[1]。NF與無線側(cè)以及與外部網(wǎng)絡(luò)采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)通信。服務(wù)化的控制面架構(gòu)通過NF的靈活編排大大簡化了新業(yè)務(wù)的拓展和上線流程。

圖1 基于服務(wù)化接口的5G系統(tǒng)架構(gòu)

2 5G NR上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

2.1 雙連接（Dual Connectivity，DC）

2.1.1 雙連接技術(shù)原理

3GPP Release 14在LTE雙連接技術(shù)基礎(chǔ)上定義了LTE和NR的雙連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了LTE和NR系統(tǒng)的互連，以提高無線資源利用率，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量。在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，前期可在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上部署5G熱點(diǎn)，將5G網(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)有的LTE核心網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)的快速部署。5G核心網(wǎng)建成后，5G可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立組網(wǎng)，提供更高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和更高的業(yè)務(wù)質(zhì)量，但是在某些覆蓋盲點(diǎn)仍可通過雙連接技術(shù)，借助LTE系統(tǒng)提供更好的上下行覆蓋。雙連技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

2.1.2 LTE/NR雙連接模式

針對5G部署場景，3GPP Release 15定義了多種LTE/NR雙連接模式，包括option3/3a/3x、option4/4a和option7/7a/7x[2]。雙連接3/3a/3x模式下，LTE和NR基站都連接在LTE核心網(wǎng)上，LTE eNB總是作為主eNB（即MeNB），5G gNB作為從eNB（即SeNB）；雙連接4/4a模式下，LTE和NR基站都連接在NR核心網(wǎng)上，NR gNB總是作為主eNB，eLTE eNB作為從eNB；雙連接7/7a/7x模式下，LTE和NR基站都連接在NR核心網(wǎng)上，eLTE eNB總是作為主eNB，5G gNB作為從eNB。eNB和gNB通過Xn接口互連，終端可同時(shí)連接LTE和NR基站。

圖2 雙連接協(xié)議棧架構(gòu)

2.2 上下行解耦（Supplementary Uplink，SUL）

上下行解耦定義了新的頻譜組合方式，利用SUL低頻段提升上行覆蓋，下行數(shù)據(jù)在3.5G頻段傳輸。而在上行覆蓋受限區(qū)域，上行數(shù)據(jù)在2.1G等低頻段傳輸。低頻段上行載波不建立獨(dú)立小區(qū)，采用動態(tài)頻譜共享技術(shù)共享現(xiàn)網(wǎng)LTE頻段，NR與LTE系統(tǒng)間需進(jìn)行信息交互。

上下行解耦接入流程基于用戶事件測量上報(bào)的下行RSRP電平值，指示用戶選擇合適的上行載波并發(fā)起初始接入。網(wǎng)絡(luò)側(cè)指示終端上行載波信息和上行載波選擇門限，終端則需要測量并選擇合適的上行載波用于初始接入。

3GPP Release 15定義上下行解耦頻段組合為：上行3.3～3.8GHz+SUL 700MHz/800MHz/900MHz/1800MHz/2100MHz； 下 行 4.4 ～ 5.0GHz+SUL 900MHz/1800MHz，如圖3所示。

圖3 上下行解耦技術(shù)原理

2.3 超級上行（Super UL）

超級上行在3.5G基礎(chǔ)上新增FDD低頻段通道（如2.1G等），以低頻段FDD的方式進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，從而增強(qiáng)上行覆蓋。超級上行可在3.5G和低頻段之間進(jìn)行TTI級靈活切換，支持終端3.5G雙通道26dBm發(fā)射和低頻段23dBm單通道發(fā)射。3.5G與低頻段時(shí)分復(fù)用，同一時(shí)刻僅一個(gè)頻段工作。

超級上行當(dāng)3.5GHz頻段傳送上行數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)DD上行不傳送數(shù)據(jù)，因此可充分利用3.5G 100MHz大帶寬和終端雙通道發(fā)射的優(yōu)勢提升上行吞吐率，同時(shí)確保每通道最大發(fā)射功率達(dá)到23dBm，保證最大覆蓋。

與SUL和CA不同，超級上行不僅能夠提升上行覆蓋，而且能夠提升上行吞吐率和降低時(shí)延。在中近點(diǎn)區(qū)域支持3.5G和低頻段間靈活切換，提升上行容量和時(shí)延；在遠(yuǎn)點(diǎn)區(qū)域提升3.5G上行覆蓋。

超級上行不需要修改駐留策略和主副載波錨點(diǎn)，也無需進(jìn)行輔載波配置流程，接入后即生效，無額外信令開銷，如圖4所示。

圖4 超級上行技術(shù)原理

2.4 下行載波聚合（DL Carrier Aggregation，DL CA）

5G NR在3.5G基礎(chǔ)上通過載波聚合的方式開通低頻段作為上行通道的補(bǔ)充。低頻段需支持NR，在低頻段上建立獨(dú)立NR小區(qū)。在覆蓋受限區(qū)域，上行數(shù)據(jù)優(yōu)先在覆蓋能力較好的低頻段上發(fā)送，從而增強(qiáng)上行覆蓋。3.5G載波和低頻段載波之間可進(jìn)行信息交互和負(fù)載均衡，能夠提升用戶上行或下行峰值速率和容量，提升用戶體驗(yàn)。載波聚合分為下行載波聚合和上行載波聚合兩種。

3GPP Release 15版本定義CA頻段組合為TDD 3.3～3.8G+FDD 700 MHz/900MHz/1800MHz[2]。

下行載波聚合時(shí)，近中點(diǎn)區(qū)域，下行3.5G與Sub 3G載波聚合，提升下行體驗(yàn)，3.5G為主載波，Sub 3G為輔載波；遠(yuǎn)點(diǎn)區(qū)域，下行3.5G與Sub 3G載波聚合，提升下行體驗(yàn)，Sub 3G為主載波,3.5G為輔載波；上行采用Sub 3G單載波，利用低頻段增強(qiáng)上行覆蓋。

終端上行發(fā)送時(shí)，在近中點(diǎn)區(qū)域采用3.5G雙天線26dBm發(fā)送，在遠(yuǎn)點(diǎn)區(qū)域采用Sub 3G單天線23dBm發(fā)送。在小區(qū)近中點(diǎn)區(qū)域上行2T發(fā)送SRS，波束賦型能力較好，小區(qū)遠(yuǎn)點(diǎn)區(qū)域需終端支持SRS載波切換，否則存在SRS發(fā)送損失，導(dǎo)致速率下降。

下行載波聚合需要修改駐留策略和主副載波錨點(diǎn)選擇，并且需要進(jìn)行輔載波測量和添加流程（SCC配置、SCC激活、SCC去激活和SCC刪除等），增加了額外的信令流程，如圖5所示。

圖5 下行載波聚合技術(shù)原理

2.5 上行載波聚合（UL Carrier Aggregation，UL CA）

上行載波聚合時(shí)，在近中點(diǎn)區(qū)域，下行采用3.5G單載波，上行3.5G和Sub 3G載波聚合，3.5G為主載波，Sub 3G為輔載波；在遠(yuǎn)點(diǎn)區(qū)域，下行采用3.5G單載波，上行3.5G和Sub 3G載波聚合，Sub 3G為主載波，3.5G為輔載波（3.5G弱覆蓋，相當(dāng)于Sub 3G單載波），從而利用Sub 3G低頻段，增強(qiáng)上行覆蓋。

終端上行發(fā)送時(shí)，3.5G頻段和Sub 3G頻段同時(shí)激活，且都采用單天線發(fā)送。發(fā)送的總功率最高為23dBm，因此存在功率回退問題，且上行僅支持1T發(fā)送SRS，下行波束賦形能力有所減弱。

同下行載波聚合一樣，上行載波聚合需要修改駐留策略和主副載波錨點(diǎn)選擇，且需要進(jìn)行輔載波測量和添加流程，增加了額外的信令流程，如圖6所示。

圖6 上行載波聚合技術(shù)原理

2.6 上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)比較

不同的上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)具有不同的技術(shù)特點(diǎn)，如適用場景、發(fā)送天線數(shù)、發(fā)射功率、下行波束賦形能力和信令體驗(yàn)等方面。幾種5G上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)方案的比較如圖7和表1所示[3]。

可以看出，雙連接主要是借助LTE網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)充NR覆蓋盲點(diǎn)和承載5G錨點(diǎn)信令；上下行解耦利用SUL頻段提升了遠(yuǎn)點(diǎn)區(qū)域上行覆蓋；超級上行在提升遠(yuǎn)點(diǎn)區(qū)域上行覆蓋的同時(shí)，提升了近中點(diǎn)區(qū)域的上行體驗(yàn)；下行載波聚合不僅能夠提升遠(yuǎn)點(diǎn)區(qū)域上行覆蓋，還能夠提升下行體驗(yàn)；上行載波聚合多頻段并發(fā)運(yùn)行，但存在功率回退問題。

3 結(jié) 論

面向5G時(shí)代的應(yīng)用如AR、智能制造、自動駕駛以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等，需要具備超帶寬、超可靠、低時(shí)延的5G網(wǎng)絡(luò)的支持。上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)提升上行覆蓋能力、完善網(wǎng)絡(luò)覆蓋不可或缺的技術(shù)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)步伐的逐步加快，確定并選擇一種覆蓋提升能力較好、系統(tǒng)及終端設(shè)計(jì)相對簡單、工程部署相對容易的上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)顯得尤為重要。

本文詳細(xì)分析5G無線網(wǎng)幾種上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的原理及特點(diǎn)，總結(jié)了各技術(shù)的優(yōu)勢與不足：雙連接主要用于NSA組網(wǎng)；上下行解耦具有較好的上行覆蓋補(bǔ)充能力，但是上下行解耦系統(tǒng)側(cè)和終端側(cè)實(shí)現(xiàn)都較為復(fù)雜，且對現(xiàn)網(wǎng)性能有一定影響；下行載波聚合利用FDD低頻段，不僅能夠提升上行覆蓋，還能提升下行體驗(yàn)，但增加了信令開銷；上行載波聚合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)目前還處于討論階段，上行載波聚合發(fā)射端不同頻段共享23dBm的發(fā)射功率，存在功率回退問題，同時(shí)增加了信令開銷；超級上行不僅能夠提升上行覆蓋能力，而且能夠提升上行容量與體驗(yàn)且無額外信令開銷。在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況著重考慮下行載波聚合和超級上行技術(shù)。

圖7 上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)時(shí)域比較

表1 上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)特點(diǎn)比較