5G网络上行覆盖增强研究

胡煜华，王鑫炎，李贝

（中国联合网络通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310051）

1 引言

作为新一代数字化基础设施，5G网络已进入大规模建设和商用阶段，3.5 GHz作为5G网络部署的主力频段，相较于3G/4G网络普遍使用的1.8 GHz、2.1 GHz等频段，带宽资源更加丰富，但由于路径损耗、穿透损耗相对较高，上下行覆盖差异明显，上行覆盖受限。5G网络在垂直行业不断融合应用，要求更高的上行速率和更低的时延，采用单一的3.5 GHz频段部署单层网，难以完全满足多元化业务发展、提升用户体验的需求。结合各频段频谱特性，利用2.1 GHz等低频频段增强5G网络上行覆盖，能够实现5G网络覆盖和性能的提升。

2 5G频谱资源

频谱是移动通信领域的核心资源，3GPP标准定义的5G NR（new radio）频谱主要包括sub-6 GHz（410～7 125 MHz）和毫米波（24 250～52 600 MHz），分散在多个频段，分为频分双工（frequency division duplex，FDD）、时分双工（time division duplex，TDD）、补充上行链路（supplementary uplink，SUL）等多种模式。目前商用5G网络主要使用了TDD模式3.5 GHz、2.6 GHz频段，与4G FDD网络使用的1.8 GHz、2.1 GHz等频段相比，有大带宽优势，并且低路径损耗条件下单用户峰值速率明显高于4G，但是穿透损耗较高，商用5G网络上下行时隙配比为3:7、1:4或2:8，上行可用时隙占比较少，存在上行带宽、上行覆盖、传输时延等方面的挑战。

2.1 TDD模式上下行带宽结构

TDD模式采用时分双工方式传输，上行和下行使用相同频率，国内NR 3.5 GHz频段上下行时隙配比为3:7（30%时隙用于上行，70%时隙用于下行），在下行时隙终端无法发射数据，按照100 MHz频谱带宽，用于上行的带宽只有30 MHz，只是4G单载波的1.5倍，上行带宽相比4G网络优势并不明显。图1是2.5 ms双周期、5 ms单周期两种典型TDD NR帧结构上行占比情况。

图1 两种典型TDD NR帧结构上行占比情况

2.2 上下行链路预算

根据无线信号自由空间路径损耗公式可知，频率越高，空间传播损耗越大，覆盖距离越短。NR 3.5 GHz频段带宽大，采用典型帧结构时，下行时隙占比高，由于TDD最大支持8个SSB（同步信号和PBCH块），而FDD最大支持4个SSB，NR TDD 3.5 GHz阵面覆盖会比NR FDD 2.1 GHz阵面覆盖大3 dB，所以NR TDD 3.5 GHz下行覆盖距离与NR FDD 2.1 GHz下行覆盖距离基本相当，但上行时隙占比低，上行能力有限，上行覆盖是采用3.5 GHz频率的瓶颈。以2.6 GHz为基准点，分别计算2.1 GHz和3.5 GHz频段上行链路预算理论值，预算结果表明，以NR TDD 2.6 GHz TDD为基准，NR TDD 3.5 GHz上行损耗高于基准5.6 dB，NR FDD 2.1 GHz上行损耗低于基准3.2 dB。上行链路预算理论值见表1。

表1 上行链路预算理论值（单位dB）

链路预算理论值是自由空间的传播损耗，在非自由空间的情况下，虽然5G网络中引入了大规模MIMO等先进技术，缩小与中低频段在传播损耗上的差异，但3.5 GHz频段的覆盖能力仍弱于传统低频段。实际网络中考虑建筑物墙壁等的穿透损耗等，低频段的覆盖优势更加明显。穿透损耗测试数据见表2。

表2 穿透损耗测试数据（单位dB）

2.3 TDD模式传输时延

TDD模式下，数据收发采用相同的频点，基站与终端通过时间来区分上下行，上下行数据需要等对应的上下行时隙到来才能被调度，对于NR TDD 3.5 GHz频段上下行时隙配比双周期3:7，假设数据随机到达，上行会增加等待0～4时隙，平均等待0.8 ms；下行会增加等待0～2时隙，平均等待0.2 ms。

3 上行覆盖增强方案对比与仿真

为加快5G NR部署，初期采用4G和5G共站点策略，但是由于频段高、上行时隙占比低，使得5G的上行覆盖弱于4G，出现5G覆盖不连续的情况。为了解决5G在高频段部署时由于高路损带来的覆盖问题，引入部分低频段资源进行上行传输，通过高、低频载波协同提升上行覆盖能力。

3.1 上行覆盖增强方案

为增强上行覆盖，补充上行链路SUL、超级上行、载波聚合是目前利用多个频段协同组网的解决方案。

3.1.1 补充上行链路方案

补充上行链路SUL技术是一种单小区双上行链路技术，补充一个处于低频段的上行链路来保证上行覆盖，同一个小区内配置一个DL频段（NR频段）和2个上行频段（NR频段+SUL频段）。SUL频段只有上行，不能单独使用，和FDD-NR频段的上行定义完全相同。

如图2所示，下行数据在NR TDD 3.5 GHz传输，下行没有FDD链路，在上行覆盖良好时，终端采用NR载波进行数据发送，当超出NR上行载波覆盖时，终端采用SUL载波发送上行数据。终端在NR和SUL之间动态选择上行链路，同一个时刻终端只能选择其中的一条发送。

图2 补充上行链路技术原理

3.1.2 超级上行方案

超级上行利用NR FDD增强上行覆盖、体验及容量。FDD频段低，覆盖能力强，频分双工方式传输无额外等待时延，但传输带宽较小；TDD频段带宽大，上下行均使用成熟应用的MIMO技术，在相同的子载波间隔前提下，覆盖和时延方面比FDD弱。超级上行技术实现FDD NR和TDD NR上行轮发，如图3所示，在近中点，3.5 GHz NR发送下行数据时刻，调度终端使用FDD上行频谱发送数据，实现FDD上行时隙和TDD上行在时域的互补，从而提升上行链路吞吐率；远点3.5 GHz NR上行受限，终端只使用FDD上行频谱发送数据。

嘉兴项氏的研究虽有系列成果问世，但其家族之溯源未有人详细论及，关于其家族特点与其鉴藏之关系、家世与鉴藏印鉴的关联、家族成员及其鉴藏活动和相关藏品的研究仍有待深入。本文结合上述研究成果，再整合相关文献资料，对嘉兴项氏鉴藏家族作进一步探究。

图3 超级上行技术原理

3.1.3 载波聚合方案

载波聚合（carrier aggregation，CA）技术把不同频段或相同频段的频谱资源聚合起来使用提升资源利用率，即通过FDD+TDD载波聚合实现时域+频域聚合、高频+低频聚合、吞吐率最大化，上下行均可利用两个频段选择性发送，平均时延降低，满足2B类业务低时延需求。如图4所示，载波聚合方案把FDD和TDD频谱在时域和频域上协同，终端在小区中心利用FDD+TDD频谱同时进行上下行传输，在小区边缘把上行切换到FDD提升上行覆盖，下行保持FDD+TDD聚合。5G终端能力起步高，上行支持双发，具备上行跨频段载波聚合条件。

图4 载波聚合技术原理

在协议支持方面，3GPP R15规范已经支持FDD 700 MHz（n28）、900 MHz（n8）、1.8 GHz（n3）与TDD 3.5 GHz（n78）的载波聚合；3GPP R16规范增加支持FDD 850 MHz（n5）、2.1 GHz（n1）与TDD 3.5 GHz（n78）的载波聚合。

3.2 上行覆盖增强方案对比分析

5G商用对网络的性能提出了越来越高的要求，上行增强技术需要支持多个频段、多个站点之间的灵活调度和协同能力。补充上行链路（SUL）由于采用了NR和SUL频段之间的紧耦合能力，要求SUL和NR组成同一个小区，不支持跨站跨小区。超级上行需要3.5 GHz与2.1 GHz共扇区并严格共工参，不支持跨站跨小区。CA架构下，TDD与FDD解耦，可各自独立组网。CA增强上行覆盖同时提升上、下行速率；超级上行增强上行覆盖，提升上行速率；补充上行链路SUL载波只增强上行覆盖，CA方案具有一定的优势。3种方案比较见表3，其中，场景A是小区中心，场景B是小区边缘。

表3 3种方案比较

3.3 仿真评估

通过Atoll软件进行TDD单载波与FDD+TDD载波聚合仿真实验，仿真场景见表4。

表4 仿真场景

定义参考信号接收功率（reference signal receiving power，RSRP）强度−75 dBm为近点，强度−105 dBm为远点，峰值速率和覆盖半径仿真结果见表5，载波聚合对覆盖半径和上、下行速率均有明显提升。

表5 仿真结果

4 载波聚合方案优势和限制

上行增强技术需要支持多个频段、多个站点之间的灵活调度和协同能力。载波聚合能提升5G上行覆盖能力、降低时延、提升上下行容量。

4.1 扩展网络覆盖

在高路损场景，上行方向FDD覆盖距离好于TDD，而在下行方向，TDD载波的波束成形、大功率和大带宽优势可以继续维持服务，FDD为CA主载波，可弥补TDD上行不足。终端同时连接FDD和TDD两个载波，在小区边缘上行传输切换到覆盖更好的FDD载波上，下行保持TDD载波大带宽。以2.1 GHz和3.5 GHz双载波为例，终端在3.5 GHz上行覆盖边缘时可切换到2.1 GHz，上行传输时隙比单3.5 GHz增加2.3倍，而下行可用带宽比2.1 GHz多2.5倍。协同后产生“1+1＞2”的收益。

4.2 提升网络容量

FDD+TDD载波聚合上行采用轮发方式，在TDD上行时隙终端双发全部用于TDD 2×2 MIMO传输，而在TDD下行时隙切换到FDD进行上行传输，快速切换机制使上行方向保持TDD 2×2 MMO能力，可用时隙提升到接近100%。以2.1 GHz 20 Mbit/s和3.5 GHz 100 Mbit/s双载波为例，终端上行带宽可提升23%，终端下行带宽可提升28%。如果2.1 GHz频段能够使用 50 Mbit/s带宽，则上下行提升空间可进一步扩大到58%和71%，容量提升明显。

4.3 降低网络时延

终端可利用FDD和TDD两个载波选择性收发，随时都有可用的发射时隙，无须额外等待，能降低传输时延。如图5所示，以上行为例，3.5 GHz TDD单载波的上行平均传输时延约为2.2 ms，采用载波聚合技术后假设数据包随机到达，部分数据包（如3.5 GHz载波上第1、2、5、6、10时隙）到达后，不需要在3.5 GHz的上行时隙发送，而是转接到2.1 GHz FDD最近的上行时隙进行发送，普遍等待时延能减少1～3个时隙，平均可减少0.7 ms，可降低到1.5 ms，降幅达31%。同等带宽条件下，时延和业务速率成反比，时延降低后端到端业务速率会得到提高，从而提升业务体验。

图5 TDD单载波与FDD+TDD载波聚合时延对比

4.4 FDD+TDD协作灵活

FDD和TDD各自都能独立组网，载波有独立的上下行链路，能广播和支持终端直接接入，测量和功控等闭环操作完备，因此可应用于扇区间和站间，不必要求FDD和TDD载波共站或者共工参，组网上有很大的灵活性。

如图6所示，每个终端都可以同时测量多个FDD和TDD邻区载波信号，每个FDD载波都可以与多个TDD载波同时进行载波聚合，每个TDD载波也可与多个FDD载波同时进行载波聚合，每个聚合组合都是为特定终端动态建立的。基站可结合终端能力、无线条件和业务性能需求等，动态指示终端选择不同工作模式。

图6 载波聚合工作模式

4.5 载波聚合方案的限制

2.1 GHz频段目前主要用于3G/4G网络，需要加快2.1 GHz频率腾退，以NR为目标积极推进2.1 GHz重耕。对FDD和TDD不共站部署或者扇区覆盖不完全重叠的场景，FDD+TDD载波聚合会对站间协同接口提出严格的传输时延要求。另外，载波聚合需要一定的触发条件。载波聚合中的辅载波添加/激活门限可以灵活配置，实际网络中根据需要进行合理配置来满足对应需求。在载波聚合场景下，对于辅载波引入了激活机制，载波聚合触发分以下两种情况。

（1）根据信号测试强度触发。如辅载波测量信号强度高于主载波一定强度。

（2）根据业务需要配置触发。在主载波出现业务拥塞则会触发辅载波激活，拥塞判决相关门限可灵活配置。如非保证比特速率（non-guaranteed bit rate，NGBR）业务的聚合最大比特速率（aggregate maximum bit rate，AMBR）或者保证比特速率GBR未满足。

5 结束语

补充上行链路和超级上行为小区内上行增强技术，实现简单，无额外信令开销；载波聚合是小区间协调技术，涉及辅载波的测量、增删、切换等操作，灵活但是复杂度高，增加了额外信令开销，但能同时解决5G上下行覆盖问题，并提高边缘用户速率，具备演进性。当前正在促进3.5 GHz 200/300 Mbit/s、2.1 GHz 2×50 Mbit/s产业链成熟，频率充分共享，发挥3.5 GHz容量优势、2.1 GHz覆盖优势，高低频协同、多种设备形态组合，构造分层网络。同时立足4G/5G共存、协同发展，利用动态频谱共享技术，加速4G频谱资源向5G重耕。随着现有频段逐步重耕，5G可获得的频段更丰富，多频段载波聚合和协同组网将会得到更加广泛的应用，提供更好的用户体验。