5G-Advanced上行能力提升研究

王建斌，陳鑒鋒，蔡旭東

（1.中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310014；2.中國鐵塔股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310020）

0 引言

5G 的下行能力相比于4G 有大幅的提升，當(dāng)前中國三大運(yùn)營商主要城市的邊緣速率達(dá)到100 Mbps 以上[1]，但5G的上行邊緣速率在1 Mbps，低于同等覆蓋的4G 網(wǎng)絡(luò)。5G上行覆蓋能力受限嚴(yán)重制約了5G 的駐留和用戶感知。

隨著全國范圍內(nèi)5G 通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速進(jìn)行，目前各主要城市5G 商用網(wǎng)絡(luò)的下行邊緣速率已達(dá)到100 Mbps。然而，現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)在上行邊緣速率方面的整體網(wǎng)絡(luò)性能依然與4G 相當(dāng)，部份省市甚至低于同區(qū)域內(nèi)的4G 上行水平。目前，業(yè)內(nèi)已啟動5G 向未來5G-Advanced 的演進(jìn)[2]。在首批立項的28 個課題中，上行體驗容量與覆蓋提升被多次提及。隨著未來無線網(wǎng)絡(luò)連接終端種類及數(shù)量的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)上行能力將在5G-Advanced 時代扮演更加重要的角色。

2C 業(yè)務(wù)上下行覆蓋的不平衡，不僅嚴(yán)重影響用戶的上行體驗，也影響用戶的下行體驗，因為下行報文，需要通過上行反饋給網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行確認(rèn)。2B 業(yè)務(wù)上行大帶寬需求強(qiáng)烈，視頻回傳、自動駕駛等均需要使用大帶寬回傳，因此上行帶寬對2B 業(yè)務(wù)至關(guān)重要。

3GPP 在5G-Advanced 演進(jìn)首次提出全方位多維度提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行能力。

1 5G上行能力研究提升的背景

5G 和4G 在C-band 差異不大，在毫米波頻段需要額外考慮人體遮擋損耗、樹木損耗、雨衰等損耗的影響[3]，通過鏈路預(yù)算及規(guī)劃仿真和測試可分析得出5G 上行覆蓋在2C及2B 大帶寬需求場景存在瓶頸，如表1 所示。

表1 5G鏈路預(yù)算與4G差異

路徑損耗計算如下：

基于3GPP 38.901[4]，如表2 所示，High loss 公式計算3.5 GHz 穿透損耗為：5-10×lg(0.7×10-(23+0.3×3.5)/10+0.3×10-(5+4×3.5)/10=26 dB

表2 O2I穿透損耗

結(jié)合協(xié)議和測試，3.5 G 密集城區(qū)穿透一堵墻損耗考慮26 dB，以下是3.5 G 頻段100 M 帶寬下（時隙配比7:3，子載波間隔30 kHz）SA 業(yè)務(wù)信道小區(qū)半徑估算。

如圖1 所示，3.5 G 頻段100 M 帶寬下不同場景下下行速率100 Mbps 時對應(yīng)上行速率1 Mbps 的覆蓋半徑，可以得出上行速率感知速率滿足1 Mbps 時小區(qū)半徑小于下行100 Mbps 小區(qū)半徑，表現(xiàn)為上行覆蓋受限。

圖1 3.5 G上下行覆蓋半徑

表3 為密集城區(qū)3.5G-100M 帶寬規(guī)劃仿真結(jié)果：

表3 3.5 G規(guī)劃仿真

2 5G國內(nèi)外主流上行方案

5G 常見的上行方案有上下行解耦技術(shù)（SUL,Supplement Uplink）[5]、上行載波聚合技術(shù)（CA,Carrier Aggregation）[6]、5G 雙 連 接（EN-DC，E-UTRA-NR dual connectivity）[7]解決方案，他們之間的區(qū)別見圖2，各有各的局限性。

圖2 SUL/CA/DC技術(shù)

SUL 通過提供一個補(bǔ)充的上行鏈路來保證上行覆蓋[8]，終端可以在UL NR 和SUL 之間動態(tài)選擇發(fā)送鏈路，但是在同一個時刻終端只能選擇其中的一條發(fā)送，利用低頻段補(bǔ)充了TDD-NR 覆蓋，對單用戶的峰值沒有影響，但是同站的TDD-NR 頻段和SUL 頻段，也要求兩個不同載波同覆蓋且具備相同的工參，這在商用網(wǎng)條件下難以實現(xiàn)。

CA（Carrier Aggregation，載波聚合）技術(shù)把相同頻段或者不同頻段的頻譜資源聚合起來給終端使用，從而提升整網(wǎng)資源利用率，改善用戶體驗，但是載波聚合的容量性能受限于終端發(fā)射天線的數(shù)量。

5G 雙連接（EN-DC，E-UTRA-NR dual connectivity）適用于NSA 場景，采用了雙連接的方式，終端可以使用4G 和5G 的通道發(fā)射數(shù)據(jù)。但是由于終端的一個Tx支持LTE，另一個Tx 支持5G NR，5G NR 的上行雙流能力被限制，上行吞吐量只有5G SA 單用戶上行吞吐量的74%左右。

3 5G-Advanced上行研究探討

3.1 上行探究展望

5G-Advanced 演進(jìn)在技術(shù)上呈現(xiàn)為ICT 技術(shù)、工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)等全面融合的趨勢。5G 時代個人業(yè)務(wù)由單向下載轉(zhuǎn)向主動分享，行業(yè)數(shù)字化需求也聚焦在上行，從港口[9]、鋼鐵[10]、煤礦[11]幾個To B 熱點(diǎn)行業(yè)分析當(dāng)前的上行業(yè)務(wù)需求，以5G 智慧港口為例，業(yè)務(wù)需求包含輪胎吊遠(yuǎn)程操控和視頻+PLC 體驗需求（無人集卡+4K 監(jiān)控+無人機(jī)），視頻監(jiān)控類業(yè)務(wù)多個4K 攝像頭對上行帶寬的需求為400 Mbps 以上，行業(yè)業(yè)務(wù)需求亟需突破上行瓶頸。目前5G 業(yè)務(wù)的挑戰(zhàn)如下：

（1）5G 現(xiàn)有能力需要繼續(xù)增強(qiáng)，加速5G 產(chǎn)業(yè)發(fā)展；

（2）XR 和全息等沉浸式應(yīng)用的普及，需要高速實時體驗；

（3）行業(yè)數(shù)字化需要十倍上行速率，需要上行為中心的網(wǎng)絡(luò)；

（4）擴(kuò)展5G 網(wǎng)絡(luò)能力維度，開拓車聯(lián)網(wǎng)等全新商用機(jī)會；

從產(chǎn)業(yè)推進(jìn)到標(biāo)準(zhǔn)化到配套成熟，新技術(shù)需要約5年的周期。除了要研究多頻段上行聚合和上行Massive 陣列等技術(shù)，還需要大量時間去豐富上行為中心的新終端類型。從頻譜上看，5.5G 需要在Sub-100 GHz 內(nèi)使用更多的資源，也需要時間提前從政策和產(chǎn)業(yè)層面提前做好準(zhǔn)備。

3.2 上行技術(shù)研究

分布式MassiveMIMO[12]技術(shù)從室外引入到室內(nèi)，但pRRU 頭端成本不變（依舊為2T2R 或者4T4R），在基帶上虛擬為一個超級Massive MIMO 小區(qū)，在重疊區(qū)享受5G 波束賦型增益，非重疊區(qū)享受5G 空分復(fù)用增益。室內(nèi)5G 單小區(qū)的上下行容量提升3～4 倍，徹底消除微微干擾、免切換，實現(xiàn)極致用戶體驗，如圖3 所示：

圖3 分布式Massive MIMO

從網(wǎng)絡(luò)能力角度闡述5G-Advanced 的上行技術(shù)研究探討[13]，基于當(dāng)前主流的上行解決方案，在SA 組網(wǎng)7:3時隙配比下，上行雙流+256QAM 能夠到達(dá)370 Mbps/s，結(jié)合超級上行（Sub-3G 1 流 110 Mbps * 0.7）能夠到達(dá)447 Mbps。

網(wǎng)絡(luò)能力上面，一方面主流TDD 系統(tǒng)設(shè)計時隙配比多為4:1、8:2 和7:3，針對ToB 的封閉場景取特殊時隙配比（1:3），提升上行帶寬，除此以外室外可以采用5G低頻8T8R 天線宏微結(jié)合加密解決上行覆蓋問題，室內(nèi)結(jié)合分布式MM 技術(shù)，頻譜效率提升3～4 倍，上行流數(shù)倍增，4 流增加到6/8/12/16 流，上行容量再度提升，如圖4 所示。

圖4 小區(qū)理論上行峰值速率

超級上行是基于SUL、CA、EN-DC 技術(shù)解決方案演變而來的[14]。通過高低頻協(xié)同，提升網(wǎng)絡(luò)上行能力，結(jié)合Uplink Tx Switching[15]功能在上行數(shù)傳時不同制式間切換，超級上行頻譜靈活組合，上下行體驗最優(yōu)，如圖5 所示。

圖5 超級上行解決方案

超級上行是當(dāng)前主流的商用上行解決方案，其原理利用在C-Band 頻譜的上行時隙，使用C-Band 頻譜進(jìn)行上行數(shù)據(jù)發(fā)送，在C-Band 下行時隙，使用空閑的Sub-3G 頻譜補(bǔ)充進(jìn)行上行數(shù)據(jù)發(fā)送[16]，實現(xiàn)上行數(shù)據(jù)可以在全時隙發(fā)送。超級上行可基于信道條件選擇相應(yīng)的傳輸方式，在實際應(yīng)用中大部分采用TDM 時分模式，同一時隙并未同時占用C-band 和Sub-3G 頻率資源，不涉及數(shù)據(jù)分流與多個MAC 實體需求，無需考慮UL CA 射頻功率分配帶來的負(fù)增益，也不需要成對獲取Sub-3G 下行頻譜，對現(xiàn)有4G 上行頻譜資源占用需求更容易滿足。綜合來講，無論是小區(qū)中心區(qū)域還是小區(qū)邊緣位置，UE 上行速率容量會更有保障，并且業(yè)務(wù)時延得到了保障。

SA 組網(wǎng)下5G 上行覆蓋相對NSA 下降，通過超級上行，提升SA 組網(wǎng)下的上行覆蓋。超級上行TDD/FDD 協(xié)同，高頻/低頻互補(bǔ)，通過低頻FDD 提升上行覆蓋。遠(yuǎn)點(diǎn)覆蓋增益來源于Sub-3G 低頻的無線傳播特性，C-band 傳播損耗大，在遠(yuǎn)點(diǎn)覆蓋受限，而Sub-3G 傳播特性優(yōu)于C-band，如圖6 所示：

圖6 超級上行Sub-3G提升上行覆蓋

4 應(yīng)用案例

4.1 5G+AI+無人機(jī)智能應(yīng)用

運(yùn)用超級上行技術(shù)實現(xiàn)更優(yōu)體驗，超高清提升業(yè)務(wù)識別效率和精準(zhǔn)度，可以滿足無人機(jī)長距飛行需要的低空覆蓋和大帶寬需求，如圖7、圖8 所示：

圖7 超級上行技術(shù)在無人機(jī)長距飛行上的應(yīng)用

圖8 礦區(qū)拉網(wǎng)測試超級上行增益

應(yīng)用在無人機(jī)爆破預(yù)警，如圖9 所示：

圖9 無人機(jī)爆破預(yù)警

應(yīng)用在水泥倉裂紋AI 檢測，如圖10 所示：

圖10 水泥倉裂紋AI檢測

（1）無人機(jī)受山坡阻擋等弱覆蓋場景，保障飛行線路超過40 Mbps；

（2）無人機(jī)安全飛行無法過于靠近水泥倉，需要高分辨率智能檢查局部細(xì)節(jié)；

（3）人工智能識別還可逐漸擴(kuò)展至安全生產(chǎn)、人臉識別等領(lǐng)域。

4.2 超級上行更高體驗，滿足實時監(jiān)控在移動和弱覆蓋場景的正常作業(yè)

運(yùn)用超級上行技術(shù)，將CPE+高清攝像頭安裝在移動機(jī)械上，實時監(jiān)控堆料、取料情況及機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)情況問題，解決了移動設(shè)備部署線纜不便、線纜易磨損、施工難度大的困難，如圖11 所示：

圖11 實時監(jiān)控在移動和弱覆蓋場景的正常作業(yè)

通過超級上行大幅提升上行速率，保障監(jiān)控流暢，如圖12 所示，開啟超級上行前后，堆料取料間的上行MAC 層吞吐率從41.44 Mbps 提升至55.10 Mbps，增益33%，地下室碎石間的上行MAC 層吞吐率從2.63 Mbps提升至12.07 Mbps，增益359%。

圖12 定點(diǎn)測試超級上行增益

5 下一步研究及思考

面向5G 時代，遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧安防、智能工廠、視頻直播等各種各樣的5G 應(yīng)用都需上行低時延、大帶寬能力來支撐。只有提升網(wǎng)絡(luò)上行能力，才能真正實現(xiàn)“5G 改變社會”的夢想。未來超級上行方案需要從芯片、終端、基站等端到端能力支持。

同時5G-Advanced 需要充分考慮架構(gòu)演進(jìn)及功能增強(qiáng)[17]，從以消費(fèi)者為中心的移動寬帶網(wǎng)絡(luò)（MBB,Mobile Broadband Network）成長為真正的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心。當(dāng)前雖然可以利用網(wǎng)絡(luò)切片、移動邊緣計算（MEC,Multi-access Edge Computing）、非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN,Non Public Network）等功能[18-19]為行業(yè)服務(wù)，但無論是網(wǎng)絡(luò)部署形態(tài)、業(yè)務(wù)服務(wù)水平協(xié)議（SLA，Service Level Agreement）保障能力、易運(yùn)維能力、以及行業(yè)需要的一些輔助功能，5G 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的能力還有所不足，因此需要在3GPP R18 及后續(xù)版本繼續(xù)增強(qiáng)。

5G Advanced 預(yù)期可在eMBB 和mMTC 之間增加一個場景UCBC（上行超寬帶）[20]，聚焦上行能力的構(gòu)建。UCBC 場景將在5G 能力基線實現(xiàn)上行帶寬10 倍提升，同時通過多頻上行聚合以及上行超大天線陣列技術(shù)，可大幅提升上行容量和深度覆蓋的用戶體驗。

TDD/FDD 的協(xié)同、高低頻段的互補(bǔ)將是大勢所趨，主流頻譜3.5 GHz+2.1 GHz、2.6 GHz+1.8 GHz 等均已支持超級上行，后續(xù)將定義更多頻段和更大頻寬，比如2.1 GHz 最大到50 MHz、SUL 專有頻譜最大到100 MHz。另一方面，5G 超級上行必須基于全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，只有標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)業(yè)鏈才有可能形成合力，實現(xiàn)批量部署。