5G網絡上行覆蓋增強研究

胡煜華，王鑫炎，李貝

（中國聯合網絡通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310051）

1 引言

作為新一代數字化基礎設施，5G網絡已進入大規模建設和商用階段，3.5 GHz作為5G網絡部署的主力頻段，相較于3G/4G網絡普遍使用的1.8 GHz、2.1 GHz等頻段，帶寬資源更加豐富，但由于路徑損耗、穿透損耗相對較高，上下行覆蓋差異明顯，上行覆蓋受限。5G網絡在垂直行業不斷融合應用，要求更高的上行速率和更低的時延，采用單一的3.5 GHz頻段部署單層網，難以完全滿足多元化業務發展、提升用戶體驗的需求。結合各頻段頻譜特性，利用2.1 GHz等低頻頻段增強5G網絡上行覆蓋，能夠實現5G網絡覆蓋和性能的提升。

2 5G頻譜資源

頻譜是移動通信領域的核心資源，3GPP標準定義的5G NR（new radio）頻譜主要包括sub-6 GHz（410～7 125 MHz）和毫米波（24 250～52 600 MHz），分散在多個頻段，分為頻分雙工（frequency division duplex，FDD）、時分雙工（time division duplex，TDD）、補充上行鏈路（supplementary uplink，SUL）等多種模式。目前商用5G網絡主要使用了TDD模式3.5 GHz、2.6 GHz頻段，與4G FDD網絡使用的1.8 GHz、2.1 GHz等頻段相比，有大帶寬優勢，并且低路徑損耗條件下單用戶峰值速率明顯高于4G，但是穿透損耗較高，商用5G網絡上下行時隙配比為3:7、1:4或2:8，上行可用時隙占比較少，存在上行帶寬、上行覆蓋、傳輸時延等方面的挑戰。

2.1 TDD模式上下行帶寬結構

TDD模式采用時分雙工方式傳輸，上行和下行使用相同頻率，國內NR 3.5 GHz頻段上下行時隙配比為3:7（30%時隙用于上行，70%時隙用于下行），在下行時隙終端無法發射數據，按照100 MHz頻譜帶寬，用于上行的帶寬只有30 MHz，只是4G單載波的1.5倍，上行帶寬相比4G網絡優勢并不明顯。圖1是2.5 ms雙周期、5 ms單周期兩種典型TDD NR幀結構上行占比情況。

圖1 兩種典型TDD NR幀結構上行占比情況

2.2 上下行鏈路預算

根據無線信號自由空間路徑損耗公式可知，頻率越高，空間傳播損耗越大，覆蓋距離越短。NR 3.5 GHz頻段帶寬大，采用典型幀結構時，下行時隙占比高，由于TDD最大支持8個SSB（同步信號和PBCH塊），而FDD最大支持4個SSB，NR TDD 3.5 GHz陣面覆蓋會比NR FDD 2.1 GHz陣面覆蓋大3 dB，所以NR TDD 3.5 GHz下行覆蓋距離與NR FDD 2.1 GHz下行覆蓋距離基本相當，但上行時隙占比低，上行能力有限，上行覆蓋是采用3.5 GHz頻率的瓶頸。以2.6 GHz為基準點，分別計算2.1 GHz和3.5 GHz頻段上行鏈路預算理論值，預算結果表明，以NR TDD 2.6 GHz TDD為基準，NR TDD 3.5 GHz上行損耗高于基準5.6 dB，NR FDD 2.1 GHz上行損耗低于基準3.2 dB。上行鏈路預算理論值見表1。

表1 上行鏈路預算理論值（單位dB）

鏈路預算理論值是自由空間的傳播損耗，在非自由空間的情況下，雖然5G網絡中引入了大規模MIMO等先進技術，縮小與中低頻段在傳播損耗上的差異，但3.5 GHz頻段的覆蓋能力仍弱于傳統低頻段。實際網絡中考慮建筑物墻壁等的穿透損耗等，低頻段的覆蓋優勢更加明顯。穿透損耗測試數據見表2。

表2 穿透損耗測試數據（單位dB）

2.3 TDD模式傳輸時延

TDD模式下，數據收發采用相同的頻點，基站與終端通過時間來區分上下行，上下行數據需要等對應的上下行時隙到來才能被調度，對于NR TDD 3.5 GHz頻段上下行時隙配比雙周期3:7，假設數據隨機到達，上行會增加等待0～4時隙，平均等待0.8 ms；下行會增加等待0～2時隙，平均等待0.2 ms。

3 上行覆蓋增強方案對比與仿真

為加快5G NR部署，初期采用4G和5G共站點策略，但是由于頻段高、上行時隙占比低，使得5G的上行覆蓋弱于4G，出現5G覆蓋不連續的情況。為了解決5G在高頻段部署時由于高路損帶來的覆蓋問題，引入部分低頻段資源進行上行傳輸，通過高、低頻載波協同提升上行覆蓋能力。

3.1 上行覆蓋增強方案

為增強上行覆蓋，補充上行鏈路SUL、超級上行、載波聚合是目前利用多個頻段協同組網的解決方案。

3.1.1 補充上行鏈路方案

補充上行鏈路SUL技術是一種單小區雙上行鏈路技術，補充一個處于低頻段的上行鏈路來保證上行覆蓋，同一個小區內配置一個DL頻段（NR頻段）和2個上行頻段（NR頻段+SUL頻段）。SUL頻段只有上行，不能單獨使用，和FDD-NR頻段的上行定義完全相同。

如圖2所示，下行數據在NR TDD 3.5 GHz傳輸，下行沒有FDD鏈路，在上行覆蓋良好時，終端采用NR載波進行數據發送，當超出NR上行載波覆蓋時，終端采用SUL載波發送上行數據。終端在NR和SUL之間動態選擇上行鏈路，同一個時刻終端只能選擇其中的一條發送。

圖2 補充上行鏈路技術原理

3.1.2 超級上行方案

超級上行利用NR FDD增強上行覆蓋、體驗及容量。FDD頻段低，覆蓋能力強，頻分雙工方式傳輸無額外等待時延，但傳輸帶寬較小；TDD頻段帶寬大，上下行均使用成熟應用的MIMO技術，在相同的子載波間隔前提下，覆蓋和時延方面比FDD弱。超級上行技術實現FDD NR和TDD NR上行輪發，如圖3所示，在近中點，3.5 GHz NR發送下行數據時刻，調度終端使用FDD上行頻譜發送數據，實現FDD上行時隙和TDD上行在時域的互補，從而提升上行鏈路吞吐率；遠點3.5 GHz NR上行受限，終端只使用FDD上行頻譜發送數據。

嘉興項氏的研究雖有系列成果問世，但其家族之溯源未有人詳細論及，關于其家族特點與其鑒藏之關系、家世與鑒藏印鑒的關聯、家族成員及其鑒藏活動和相關藏品的研究仍有待深入。本文結合上述研究成果，再整合相關文獻資料，對嘉興項氏鑒藏家族作進一步探究。

圖3 超級上行技術原理

3.1.3 載波聚合方案

載波聚合（carrier aggregation，CA）技術把不同頻段或相同頻段的頻譜資源聚合起來使用提升資源利用率，即通過FDD+TDD載波聚合實現時域+頻域聚合、高頻+低頻聚合、吞吐率最大化，上下行均可利用兩個頻段選擇性發送，平均時延降低，滿足2B類業務低時延需求。如圖4所示，載波聚合方案把FDD和TDD頻譜在時域和頻域上協同，終端在小區中心利用FDD+TDD頻譜同時進行上下行傳輸，在小區邊緣把上行切換到FDD提升上行覆蓋，下行保持FDD+TDD聚合。5G終端能力起步高，上行支持雙發，具備上行跨頻段載波聚合條件。

圖4 載波聚合技術原理

在協議支持方面，3GPP R15規范已經支持FDD 700 MHz（n28）、900 MHz（n8）、1.8 GHz（n3）與TDD 3.5 GHz（n78）的載波聚合；3GPP R16規范增加支持FDD 850 MHz（n5）、2.1 GHz（n1）與TDD 3.5 GHz（n78）的載波聚合。

3.2 上行覆蓋增強方案對比分析

5G商用對網絡的性能提出了越來越高的要求，上行增強技術需要支持多個頻段、多個站點之間的靈活調度和協同能力。補充上行鏈路（SUL）由于采用了NR和SUL頻段之間的緊耦合能力，要求SUL和NR組成同一個小區，不支持跨站跨小區。超級上行需要3.5 GHz與2.1 GHz共扇區并嚴格共工參，不支持跨站跨小區。CA架構下，TDD與FDD解耦，可各自獨立組網。CA增強上行覆蓋同時提升上、下行速率；超級上行增強上行覆蓋，提升上行速率；補充上行鏈路SUL載波只增強上行覆蓋，CA方案具有一定的優勢。3種方案比較見表3，其中，場景A是小區中心，場景B是小區邊緣。

表3 3種方案比較

3.3 仿真評估

通過Atoll軟件進行TDD單載波與FDD+TDD載波聚合仿真實驗，仿真場景見表4。

表4 仿真場景

定義參考信號接收功率（reference signal receiving power，RSRP）強度?75 dBm為近點，強度?105 dBm為遠點，峰值速率和覆蓋半徑仿真結果見表5，載波聚合對覆蓋半徑和上、下行速率均有明顯提升。

表5 仿真結果

4 載波聚合方案優勢和限制

上行增強技術需要支持多個頻段、多個站點之間的靈活調度和協同能力。載波聚合能提升5G上行覆蓋能力、降低時延、提升上下行容量。

4.1 擴展網絡覆蓋

在高路損場景，上行方向FDD覆蓋距離好于TDD，而在下行方向，TDD載波的波束成形、大功率和大帶寬優勢可以繼續維持服務，FDD為CA主載波，可彌補TDD上行不足。終端同時連接FDD和TDD兩個載波，在小區邊緣上行傳輸切換到覆蓋更好的FDD載波上，下行保持TDD載波大帶寬。以2.1 GHz和3.5 GHz雙載波為例，終端在3.5 GHz上行覆蓋邊緣時可切換到2.1 GHz，上行傳輸時隙比單3.5 GHz增加2.3倍，而下行可用帶寬比2.1 GHz多2.5倍。協同后產生“1+1＞2”的收益。

4.2 提升網絡容量

FDD+TDD載波聚合上行采用輪發方式，在TDD上行時隙終端雙發全部用于TDD 2×2 MIMO傳輸，而在TDD下行時隙切換到FDD進行上行傳輸，快速切換機制使上行方向保持TDD 2×2 MMO能力，可用時隙提升到接近100%。以2.1 GHz 20 Mbit/s和3.5 GHz 100 Mbit/s雙載波為例，終端上行帶寬可提升23%，終端下行帶寬可提升28%。如果2.1 GHz頻段能夠使用 50 Mbit/s帶寬，則上下行提升空間可進一步擴大到58%和71%，容量提升明顯。

4.3 降低網絡時延

終端可利用FDD和TDD兩個載波選擇性收發，隨時都有可用的發射時隙，無須額外等待，能降低傳輸時延。如圖5所示，以上行為例，3.5 GHz TDD單載波的上行平均傳輸時延約為2.2 ms，采用載波聚合技術后假設數據包隨機到達，部分數據包（如3.5 GHz載波上第1、2、5、6、10時隙）到達后，不需要在3.5 GHz的上行時隙發送，而是轉接到2.1 GHz FDD最近的上行時隙進行發送，普遍等待時延能減少1～3個時隙，平均可減少0.7 ms，可降低到1.5 ms，降幅達31%。同等帶寬條件下，時延和業務速率成反比，時延降低后端到端業務速率會得到提高，從而提升業務體驗。

圖5 TDD單載波與FDD+TDD載波聚合時延對比

4.4 FDD+TDD協作靈活

FDD和TDD各自都能獨立組網，載波有獨立的上下行鏈路，能廣播和支持終端直接接入，測量和功控等閉環操作完備，因此可應用于扇區間和站間，不必要求FDD和TDD載波共站或者共工參，組網上有很大的靈活性。

如圖6所示，每個終端都可以同時測量多個FDD和TDD鄰區載波信號，每個FDD載波都可以與多個TDD載波同時進行載波聚合，每個TDD載波也可與多個FDD載波同時進行載波聚合，每個聚合組合都是為特定終端動態建立的。基站可結合終端能力、無線條件和業務性能需求等，動態指示終端選擇不同工作模式。

圖6 載波聚合工作模式

4.5 載波聚合方案的限制

2.1 GHz頻段目前主要用于3G/4G網絡，需要加快2.1 GHz頻率騰退，以NR為目標積極推進2.1 GHz重耕。對FDD和TDD不共站部署或者扇區覆蓋不完全重疊的場景，FDD+TDD載波聚合會對站間協同接口提出嚴格的傳輸時延要求。另外，載波聚合需要一定的觸發條件。載波聚合中的輔載波添加/激活門限可以靈活配置，實際網絡中根據需要進行合理配置來滿足對應需求。在載波聚合場景下，對于輔載波引入了激活機制，載波聚合觸發分以下兩種情況。

（1）根據信號測試強度觸發。如輔載波測量信號強度高于主載波一定強度。

（2）根據業務需要配置觸發。在主載波出現業務擁塞則會觸發輔載波激活，擁塞判決相關門限可靈活配置。如非保證比特速率（non-guaranteed bit rate，NGBR）業務的聚合最大比特速率（aggregate maximum bit rate，AMBR）或者保證比特速率GBR未滿足。

5 結束語

補充上行鏈路和超級上行為小區內上行增強技術，實現簡單，無額外信令開銷；載波聚合是小區間協調技術，涉及輔載波的測量、增刪、切換等操作，靈活但是復雜度高，增加了額外信令開銷，但能同時解決5G上下行覆蓋問題，并提高邊緣用戶速率，具備演進性。當前正在促進3.5 GHz 200/300 Mbit/s、2.1 GHz 2×50 Mbit/s產業鏈成熟，頻率充分共享，發揮3.5 GHz容量優勢、2.1 GHz覆蓋優勢，高低頻協同、多種設備形態組合，構造分層網絡。同時立足4G/5G共存、協同發展，利用動態頻譜共享技術，加速4G頻譜資源向5G重耕。隨著現有頻段逐步重耕，5G可獲得的頻段更豐富，多頻段載波聚合和協同組網將會得到更加廣泛的應用，提供更好的用戶體驗。