5G无线网上行覆盖增强技术探讨

2020-02-20阳梦华

通信电源技术 2020年1期

李兵，阳梦华

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南长沙 410126）

0 引言

蜂窝通信技术因技术体制原因，存在上下行覆盖不平衡问题。下行链路上的基站与上行链路上的终端发射功率存在较大差异，基站侧的发射功率可以达到上百瓦，而终端侧的发射功率仅为毫瓦级。

5G网络因采用高频段，链路损耗较大。下行基站侧可通过增大天线发射功率和天线增益等方法，使下行覆盖能力与LTE相当。但是，上行终端侧因天线数量和发射功率的限制，上行覆盖能力有限，相差下行约14dB，上下行覆盖严重不平衡。此外，随技术的发展和算法的优化，未来5G上下行覆盖能力的差异将进一步扩大。因此，在5G网络部署上需采用上行覆盖增强技术来弥补上行覆盖不足的问题。

上行覆盖增强技术是5G的关键技术之一，决定了5G网络小区的覆盖范围。目前，上行覆盖增强技术主要有双连接、上下行解耦、超级上行、下行载波聚合和上行载波聚合等。

1 5G系统总体架构

5G采用基于服务化（SBA）接口的系统架构，控制面功能被分解为多个独立的NF（Network Function），而NF间在业务功能上解耦，对外呈现单一的服务化接口，如图1所示[1]。NF与无线侧以及与外部网络采用传统的点对点通信。服务化的控制面架构通过NF的灵活编排大大简化了新业务的拓展和上线流程。

图1 基于服务化接口的5G系统架构

2 5G NR上行覆盖增强技术

2.1 双连接（Dual Connectivity，DC）

2.1.1 双连接技术原理

3GPP Release 14在LTE双连接技术基础上定义了LTE和NR的双连接技术，实现了LTE和NR系统的互连，以提高无线资源利用率，增强网络覆盖和容量。在5G网络建设中，前期可在现有LTE网络的基础上部署5G热点，将5G网络连接到现有的LTE核心网中，实现5G系统的快速部署。5G核心网建成后，5G可实现独立组网，提供更高速的数据业务和更高的业务质量，但是在某些覆盖盲点仍可通过双连接技术，借助LTE系统提供更好的上下行覆盖。双连技术架构如图2所示。

2.1.2 LTE/NR双连接模式

针对5G部署场景，3GPP Release 15定义了多种LTE/NR双连接模式，包括option3/3a/3x、option4/4a和option7/7a/7x[2]。双连接3/3a/3x模式下，LTE和NR基站都连接在LTE核心网上，LTE eNB总是作为主eNB（即MeNB），5G gNB作为从eNB（即SeNB）；双连接4/4a模式下，LTE和NR基站都连接在NR核心网上，NR gNB总是作为主eNB，eLTE eNB作为从eNB；双连接7/7a/7x模式下，LTE和NR基站都连接在NR核心网上，eLTE eNB总是作为主eNB，5G gNB作为从eNB。eNB和gNB通过Xn接口互连，终端可同时连接LTE和NR基站。

图2 双连接协议栈架构

2.2 上下行解耦（Supplementary Uplink，SUL）

上下行解耦定义了新的频谱组合方式，利用SUL低频段提升上行覆盖，下行数据在3.5G频段传输。而在上行覆盖受限区域，上行数据在2.1G等低频段传输。低频段上行载波不建立独立小区，采用动态频谱共享技术共享现网LTE频段，NR与LTE系统间需进行信息交互。

上下行解耦接入流程基于用户事件测量上报的下行RSRP电平值，指示用户选择合适的上行载波并发起初始接入。网络侧指示终端上行载波信息和上行载波选择门限，终端则需要测量并选择合适的上行载波用于初始接入。

3GPP Release 15定义上下行解耦频段组合为：上行3.3～3.8GHz+SUL 700MHz/800MHz/900MHz/1800MHz/2100MHz；下行 4.4 ～ 5.0GHz+SUL 900MHz/1800MHz，如图3所示。

图3 上下行解耦技术原理

2.3 超级上行（Super UL）

超级上行在3.5G基础上新增FDD低频段通道（如2.1G等），以低频段FDD的方式进行上行数据传输，从而增强上行覆盖。超级上行可在3.5G和低频段之间进行TTI级灵活切换，支持终端3.5G双通道26dBm发射和低频段23dBm单通道发射。3.5G与低频段时分复用，同一时刻仅一个频段工作。

超级上行当3.5GHz频段传送上行数据时，FDD上行不传送数据，因此可充分利用3.5G 100MHz大带宽和终端双通道发射的优势提升上行吞吐率，同时确保每通道最大发射功率达到23dBm，保证最大覆盖。

与SUL和CA不同，超级上行不仅能够提升上行覆盖，而且能够提升上行吞吐率和降低时延。在中近点区域支持3.5G和低频段间灵活切换，提升上行容量和时延；在远点区域提升3.5G上行覆盖。

超级上行不需要修改驻留策略和主副载波锚点，也无需进行辅载波配置流程，接入后即生效，无额外信令开销，如图4所示。

图4 超级上行技术原理

2.4 下行载波聚合（DL Carrier Aggregation，DL CA）

5G NR在3.5G基础上通过载波聚合的方式开通低频段作为上行通道的补充。低频段需支持NR，在低频段上建立独立NR小区。在覆盖受限区域，上行数据优先在覆盖能力较好的低频段上发送，从而增强上行覆盖。3.5G载波和低频段载波之间可进行信息交互和负载均衡，能够提升用户上行或下行峰值速率和容量，提升用户体验。载波聚合分为下行载波聚合和上行载波聚合两种。

3GPP Release 15版本定义CA频段组合为TDD 3.3～3.8G+FDD 700 MHz/900MHz/1800MHz[2]。

下行载波聚合时，近中点区域，下行3.5G与Sub 3G载波聚合，提升下行体验，3.5G为主载波，Sub 3G为辅载波；远点区域，下行3.5G与Sub 3G载波聚合，提升下行体验，Sub 3G为主载波,3.5G为辅载波；上行采用Sub 3G单载波，利用低频段增强上行覆盖。

终端上行发送时，在近中点区域采用3.5G双天线26dBm发送，在远点区域采用Sub 3G单天线23dBm发送。在小区近中点区域上行2T发送SRS，波束赋型能力较好，小区远点区域需终端支持SRS载波切换，否则存在SRS发送损失，导致速率下降。

下行载波聚合需要修改驻留策略和主副载波锚点选择，并且需要进行辅载波测量和添加流程（SCC配置、SCC激活、SCC去激活和SCC删除等），增加了额外的信令流程，如图5所示。

图5 下行载波聚合技术原理

2.5 上行载波聚合（UL Carrier Aggregation，UL CA）

上行载波聚合时，在近中点区域，下行采用3.5G单载波，上行3.5G和Sub 3G载波聚合，3.5G为主载波，Sub 3G为辅载波；在远点区域，下行采用3.5G单载波，上行3.5G和Sub 3G载波聚合，Sub 3G为主载波，3.5G为辅载波（3.5G弱覆盖，相当于Sub 3G单载波），从而利用Sub 3G低频段，增强上行覆盖。

终端上行发送时，3.5G频段和Sub 3G频段同时激活，且都采用单天线发送。发送的总功率最高为23dBm，因此存在功率回退问题，且上行仅支持1T发送SRS，下行波束赋形能力有所减弱。

同下行载波聚合一样，上行载波聚合需要修改驻留策略和主副载波锚点选择，且需要进行辅载波测量和添加流程，增加了额外的信令流程，如图6所示。

图6 上行载波聚合技术原理

2.6 上行覆盖增强技术比较

不同的上行覆盖增强技术具有不同的技术特点，如适用场景、发送天线数、发射功率、下行波束赋形能力和信令体验等方面。几种5G上行覆盖增强技术方案的比较如图7和表1所示[3]。

可以看出，双连接主要是借助LTE网络来补充NR覆盖盲点和承载5G锚点信令；上下行解耦利用SUL频段提升了远点区域上行覆盖；超级上行在提升远点区域上行覆盖的同时，提升了近中点区域的上行体验；下行载波聚合不仅能够提升远点区域上行覆盖，还能够提升下行体验；上行载波聚合多频段并发运行，但存在功率回退问题。

3 结论

面向5G时代的应用如AR、智能制造、自动驾驶以及远程医疗等，需要具备超带宽、超可靠、低时延的5G网络的支持。上行覆盖增强技术是5G网络提升上行覆盖能力、完善网络覆盖不可或缺的技术。随着5G网络建设步伐的逐步加快，确定并选择一种覆盖提升能力较好、系统及终端设计相对简单、工程部署相对容易的上行覆盖增强技术显得尤为重要。

本文详细分析5G无线网几种上行覆盖增强技术的原理及特点，总结了各技术的优势与不足：双连接主要用于NSA组网；上下行解耦具有较好的上行覆盖补充能力，但是上下行解耦系统侧和终端侧实现都较为复杂，且对现网性能有一定影响；下行载波聚合利用FDD低频段，不仅能够提升上行覆盖，还能提升下行体验，但增加了信令开销；上行载波聚合技术标准目前还处于讨论阶段，上行载波聚合发射端不同频段共享23dBm的发射功率，存在功率回退问题，同时增加了信令开销；超级上行不仅能够提升上行覆盖能力，而且能够提升上行容量与体验且无额外信令开销。在5G网络建设中，应根据实际情况着重考虑下行载波聚合和超级上行技术。