5G高低頻協同組網方案研究

王 偉，張 濤，李福昌（中國聯通研究院，北京 100176）

1 概述

3.5 GHz 頻段是目前全球5G 部署的主流頻段，也是國內兩大運營商的主要部署頻段，它具有帶寬大、傳播損耗高、穿透性能差等特點，這樣的特點帶來了3.5 GHz 頻段5G 系統的容量優勢和覆蓋劣勢。雖然5G 系統的多天線技術的高增益，波束賦形和多用戶MIMO 算法可進一步擴展其容量優勢，也可一定程度上彌補其傳播特性方面的不足。但是要想使得5G 上行覆蓋能匹配4G上行覆蓋，則需要依靠低頻段的良好傳播特性。而2.1 GHz頻段是國內最早重耕為5G系統的低頻段。它是傳統的3G（WCDMA）和4G（LTE）頻段，是運營商4G 的容量頻段。2.1 GHz 頻段的加入會改善3.5 GHz 頻段5G 系統的覆蓋弱點。而2.1 GHz 和3.5 GHz 頻段的協同組網則是打造覆蓋容量雙優勢5G網絡的重要手段。

2 2.1 GHz大帶寬標準進展

2.1 GHz頻段雖然具有良好的傳播特性，但如果帶寬不能進一步擴展，則會限制2.1 GHz 頻段的使用場景，其利用價值也會受到影響。2.1 GHz 頻段在3GPP定義為5G 的n1 band，共有2×60 MHz。在國內該頻段已經將低端的2×20 MHz和2×25 MHz分別分配給中國電信和中國聯通，除去2×5 MHz 保護帶之外，還有2×10 MHz 未分配。隨著中國聯通和中國電信無線網絡共建共享，在2.1 GHz 頻段實現大帶寬的FDD 低頻5G網絡成為可能。因此在2019 年第4 季度，國內運營商聯合設備廠家和終端廠家在3GPP 共同推進n1 band對25 MHz、30 MHz、40 MHz、50 MHz信道帶寬的支持。其中，25 MHz、30 MHz、40 MHz 信道帶寬已經在2020年3 月份3GPP 小組會完成標準化工作，50 MHz 帶寬在2020 年6 月份完成標準化工作，主設備和終端在2020年年底支持上述信道帶寬能力。

3 2.1 GHz與3.5 GHz網絡能力對比

3.1 2.1 GHz與3.5 GHz覆蓋能力對比

本節通過鏈路預算來分析2.1 GHz 頻段FDD 5G系統和3.5 GHz頻段TDD 5G系統的覆蓋能力。這2個系統對應的主要鏈路預算參數如表1和表2所示。

表1 2.1 GHz NR和3.5 GHz NR上行鏈路預算參數

表2 2.1 GHz NR和3.5 GHz NR下行鏈路預算參數

根據以上鏈路預算參數，計算可得在3.5 GHz NR上行邊緣用戶速率為1 Mbit/s 的位置點對應的3.5 GHz NR 下行速率和2.1 GHz NR 上下行速率，具體結果如表3所示。

由于網絡上行覆蓋主要是終端發射功率受限，終端會壓縮可用PRB 提升功率譜密度，從而增強上行覆蓋能力。因此信道帶寬的寬窄對于上行覆蓋沒有影響。

從表3 可可以看出，帶寬為20 MHz 和50 MHz 的2.1 GHz NR 上行速率是3.5 GHz NR 上行速率的1.6倍，但20 MHz 2.1 GHz NR 的下行速率只有100 MHz 3.5 GHz NR 的1/3。如果將2.1 GHz NR 帶寬從20 MHz擴展到50 MHz，可明顯提高邊緣用戶下行速率體驗。

3.2 2.1 GHz與3.5 GHz吞吐量能力對比

本節通過仿真的方法來分析2.1 GHz 頻段FDD 5G 系統和3.5 GHz 頻段TDD 5G 系統的單用戶吞吐量和小區吞吐量。這2 個系統對應的仿真參數如表4 所示。

表4 2.1 GHz NR和3.5 GHz NR系統仿真參數

仿真結果如表5和表6所示。從表5可以看出，單用戶在遠點時，2.1 GHz NR 上行速率比3.5 GHz 上行速率稍高。當2.1 GHz 頻段帶寬擴展到50 MHz 時，其上行速率在近、中點與3.5 GHz 上行速率相當，其下行速率于3.5 GHz 相比差距較大，在1 倍以上。從表6 可以看出，不管是20 MHz 帶寬還是50 MHz 帶寬的2.1 GHz NR 小區上下行容量較3.5 GHz NR 小區上下行容量差距都較大。

3.3 小結

表5 2.1GHz NR和3.5GHz NR單用戶吞吐量對比（單位：Mbit/s）

表6 2.1 GHz NR和3.5 GHz NR小區吞吐量對比（單位：Mbit/s）

通過對2.1 GHz NR 和3.5 GHz NR 的容量和覆蓋能力的比較，可以看出2.1 GHz NR 在上行覆蓋上面有優勢，但是下行覆蓋能力弱于3.5 GHz NR，擴展帶寬是增強2.1 GHz NR 下行覆蓋能力的有效方式。2.1 GHz NR 在容量方面存在短板與3.5 GHz NR 差距較大。因此，要綜合2個頻段各自的優點，打造高低頻協同的5G網絡。

4 2.1 GHz和3.5 GHz 協同組網方案

4.1 2.1 GHz 和3.5 GHz 下行載波聚合

載波聚合方案就是將離散的多個載波聚合起來，當作一個較寬的頻帶使用，通過統一的基帶處理實現離散頻帶的同時傳輸。按照頻段聚合的場景可以分為帶內連續載波聚合，帶內非連續載波聚合以及帶間載波聚合。

當終端配置載波聚合后，終端與網絡只有一個RRC 連接。其中一個服務小區在RRC 連接建立/重新建立/切換時，提供非接入層移動性信息和安全輸入。這個小區被稱為主小區（PCell）。根據終端的能力，一個或多個輔小區（SCell）可以與主小區（PCell）一起形成服務小區組。可以通過RRC 執行輔小區的重新配置、添加和刪除。在NR 內切換時，RRC 還可以添加、刪除或重新配置輔小區給目標主小區。此時在添加新的輔小區可以用專用的RRC 信令來傳遞系統消息，無需獲取廣播系統信息。

每個服務小區都有自己獨立的HARQ MAC 實體，可以根據各自不同的MIMO 配置選擇不同的傳送等級，使用獨立的鏈路自適應技術，根據實際鏈路狀況使用不同的調制編碼方案。為了節約終端電池消耗，3GPP還定義了激活和去激活機制。在去激活狀態下，UE 不需要接收對應的PDCCH 或PDSCH，不需要在對應的上行鏈路中發送，也不需要執行CQI 測量。新配置的輔小區或在切換過程中的輔小區默認為去激活狀態。

根據第3章的分析，2.1 GHz和3.5 GHz這2個頻段的系統能力有較強的互補性，但終端對于TDD 作為主小區的支持度并不高，這2個頻段載波聚合的駐留、切換和主小區選擇策略會稍微復雜。需要針對不同的終端能力制定不同的策略。

a）對于不支持載波聚合的終端，優先駐留3.5 GHz 頻段，在3.5 GHz 頻段發起業務；終端移動到小區邊緣，根據信號強度重選或切換到2.1 GHz 頻段；終端移動回小區中心，依據頻率優先級重選或切換回3.5 GHz頻段。

b）對于僅支持FDD主小區的載波聚合終端，優先駐留3.5 GHz 頻段，在3.5 GHz 頻段發起業務；終端移動到小區邊緣，根據信號強度重選或切換到2.1 GHz，將其作為主小區，并根據測量結果配置和激活3.5 GHz輔小區；終端移動回小區中心，依據頻率優先級重選或切換回3.5 GHz頻段單小區。

c）對于支持TDD 主小區的載波聚合終端，優先駐留3.5 GHz 頻段，在3.5 GHz 頻段發起業務，將其作為主小區，并根據測量結果配置和激活2.1 GHz 輔小區；終端移動到小區邊緣，根據信號強度，將主小區重選或切換到2.1 GHz；終端移動回小區中心，依據頻率優先級，將主小區重選或切換回3.5 GHz頻段。

4.2 2.1 GHz 和3.5 GHz 補充上行方案

補充上行方案是利用FDD 低頻段的上行頻段來彌補TDD 高頻段上行覆蓋受限的不足。它與下行載波聚合和上行載波聚合不同之處在于其不需要重耕成對的FDD 下行頻段，而只需重耕上行頻段的一部分。由于只有上行頻段的特殊性，3GPP為補充上行頻段專門制定了頻段編號，2.1 GHz 的補充上行編號為n84。該方案的實現在邏輯上屬于一個小區，只是在物理層面終端可以選擇在2.1 GHz 頻段發射或在3.5 GHz 頻段發射，但不能在2 個頻段上同時發射。終端可以通過信號強度進行UL 和SUL 的選擇，也可以在SUL上直接發起初始接入。基站指示終端上行載波信息和上行載波選擇門限，終端通過測量并選擇合適上行載波用于初始接入。該方案是5G標準中的新功能，產業鏈還不夠成熟。

4.3 終端發射天線切換方案

終端發射天線切換是指終端在EN-DC、SUL 和上行載波聚合模式下通過時分切換2個物理天線在低頻實現單天線發射，在高頻實現雙天線發射的功能。如圖1 所示，終端在2.1 GHz 頻段發射時切換到2.1 GHz天線端；終端在3.5 GHz 頻段發射時，終端將原本2.1 GHz的射頻前端和數模轉化切換到3.5 GHz天線端，從而實現3.5 GHz 雙天線發射。該功能配合EN-DC、SUL 和上行載波聚合的時分發射模式實現在近、中點大幅提升用戶上行吞吐量。在上行業務需求比較大的2B場景有非常大的應用價值。

圖1 終端天線切換方案

5 結束語

2.1 GHz NR 在上行覆蓋方面比較有優勢，但是下行覆蓋能力弱于3.5 GHz NR，擴展帶寬是增強2.1 GHz NR 下行覆蓋能力的有效方式。2.1 GHz NR 在容量方面存在短板，與3.5 GHz NR 差距比較大。下行載波聚合可以將2 個頻段協同起來。用戶可體驗到2.1 GHz NR 下行和3.5 GHz NR 下行的合并速率。對于支持主載波切換的載波聚合終端可在近、中點使用3.5 GHz頻段作為主載波，遠點切換到2.1 GHz頻段作為主載波以擴展網絡上行覆蓋。對于不支持主載波切換的載波聚合終端可考慮只在遠點激活載波聚合，以免影響用戶在近、中點的上行速率體驗。同時推動補充上行和終端發射天線切換等上行增強方案終端產業鏈的成熟，提升用戶近、中點的上行速率體驗。