5G频段间协同技术

曹丽芳，江天明，邓伟，陈卓

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

1 引言

3GPP定义5G NR频率从700 MHz到2.6 GHz再到26 GHz，频段跨度较大，根据频率特性可知，不同频率适用于不同的应用场景。低频段（比如2 GHz以下）作为覆盖层，提供广域连续覆盖和深度覆盖；中频段（比如2～6 GHz）作为连续的容量层，满足广域覆盖和容量需求；而高频段（比如6 GHz以上）作为容量层，可用于热点局部区域补容。

目前，3GPP在NR系统中引入了载波聚合、补充上行和双连接3种高低频协同技术，在保障基础覆盖的同时，可以有效提升峰值速率，更好满足大带宽业务需求。

2 5G多频协同方案原理

2.1 载波聚合

载波聚合（carrier aggregation，CA）将同一系统的多个载波单元（component carrier，CC）聚合以支持更大的传输带宽。LTE单载波最大的带宽为20 MHz，NR进行了带宽增强，FR1（频率低于6 GHz）和FR2（频率高于6 GHz）支持最大的单载波带宽分别可达100 MHz和400 MHz。

3GPP定义可独立为UE添加下行载波聚合，但若有上行载波聚合需求，也需要同时配置该频段的下行载波聚合。协议在R15、R16和正在做标准化的R17都定义了上行载波聚合的增强，此处以n41+n79 UL CA为例进行说明，n41（即2.6 GHz）的带宽为100 MHz，帧结构为DDDDDDDSUU（可简写为7D1S2U，D为下行时隙，S为以下行符号为主的特殊时隙，U为上行时隙），根据协议公式计算2Tx（双发）时上行峰值速率M为250 Mbit/s，n79（即4.9 GHz）的带宽为100 MHz，帧结构是DDDSUDDSUU（可简写为 5D2S3U），2Tx（双发）时计算上行峰值速率N为375 Mbit/s。

（1）R15版本

针对上行最大两发的终端，最大支持上行两载波聚合，即支持在两个载波 1Tx（单发）+1Tx（单发）并发，即峰值为X=M/2+N/2=313 Mbit/s。

（2）R16版本（业界也称超级上行）

针对上行最大两发的终端，支持在两个上行载波进行 1Tx（单发）和 2Tx（双发）的轮发，同时结合两载波帧头错开使得上行时隙尽量错开，进而提升单用户的上行时隙利用率，R16帧结构配置如图1所示，起始位置即和GPS对齐的位置，也称帧头，如图所示两载波的帧头偏移了3个时隙（即1.5 ms），两个载波的上行时隙U可完全错开，4.9 GHz和2.6 GHz各分配一个终端天线，其中2.6 GHz的天线在2.6 GHz下行时隙切换到4.9 GHz发送数据，在2.6 GHz上行时隙来临前切换到2.6 GHz，则可计算峰值速率X=M/2+N=500 Mbit/s。

图1 R16帧结构配置

（3）R17版本

针对上行最大两发的终端，考虑终端能力增强可支持两个天线同时切换到不同载波，正在推动2Tx（双发）和2Tx（双发）的轮发，帧头配置方案和R16相同，可进一步提升用户的上行性能，即峰值X=M+N=625 Mbit/s。

通过上述计算，最大2Tx发送的终端，随着上行轮发的增强，单用户峰值速率有明显提升，汇总见表1。

表1 不同R版本的n41+n79上行载波聚合峰值速率

2.2 补充上行

中高频的下行覆盖能力可通过大规模MIMO、高功率、增加资源等技术保障，但上行覆盖主要受限于终端的发射功率，覆盖能力较弱。为了解决上下行覆盖不匹配的问题而又不带来太大的部署成本，5G系统在 R15引入了补充上行（supplementary uplink，SUL），即将上下行解耦，在中高频部署时采用一个下行载波捆绑两个上行载波的组合方案。在上行方向，两个上行频段包括一个中高频（normal uplink NUL carrier）和一个相对低的频段（SUL carrier），用低频段覆盖优势弥补中高频上行覆盖的不足，进而扩大中高频的下行使能范围。SUL和CA相同，仅限于同一系统内使用。且两个技术互不排斥，即可以在SUL基础上叠加DL CA技术。

SUL技术发展经历了两个阶段，正在向第 3阶段增强，具体如下。

（1）R15版本

针对上行最大两发的终端，允许终端在两个上行载波间零微秒切换，但终端需要PA的关闭和预热等物理处理过程，无法达到零时延，故该版本仅可通过RRC配置终端在何时切换到另一个上行载波，一般应用如下（以 n41+n83为例）：在n41上行覆盖较好的位置默认选择上行载波为n41，在n41覆盖较差的位置，终端上报测量报告，基站判断信号质量低于门限值（门限值的配置取决于基站实现），则通过RRC信令指示终端切换到n83，增强上行覆盖能力，下行覆盖能力不变，因上行覆盖范围扩大，n41的下行使能范围也随之扩大。

（2）R16版本

针对上行最大两发的终端，对载波间的切换时延做了放松，使得终端可实现频繁快速切换过程，R16版本对SUL和UL CA做了相同的增强，具体如下。

1）终端上报支持的载波间1Tx和2Tx切换时延能力，有 3 档能力，分别为 35 μs、140 μs和 210 μs。

2）基站通过 RRC指示终端在两个上行载波的天线数和切换损失信息（即终端天线切换发生在哪个频段的上行时隙），同UL CA，以n41+n83的SUL为例：

· 在 n41载波的 UplinkConfig 信令中，uplinkTxSwitchingPeriodLocation-r16=fault，表示切换损失不在 n41 uplinkTxSwitchingCarrier-r16=carrier2，代表n41上行为双流；

· 在 n83载波的 UplinkConfig 信令中，uplinkTxSwitchingPeriodLocation-r16=true，表示切换损失在n83，上行数据传输模式如图2所示，其中叉形所示，终端一根天线从700 MHz载波切换到2.6 GHz载波会浪费700 MHz的几个符号资源，无法发送数据，uplinkTxSwitching Carrier-r16=carrier1，代表n83上行为单流；

图2 上行数据传输模式

· 通过DCI符号级调度使得终端在预定的位置切换即可完成载波间的数据轮发，增强上行峰值速率性能。

（3）R17版本

针对上行最大两发的终端，正在推动2Tx和2Tx的轮发，该增强方案同样适用于UL CA。

2.3 双连接

双连接是 UE使用两个通过非理想回传链路相连的网络节点：主节点（master node，MN）和辅节点（second node，SN）提供无线资源进行通信。无线接入技术双连接（multi RAT dual connectivity，MR-DC）是一系列不同的双连接配置选项的总称，与前面两小节的 CA、SUL相比，DC最大的区别在于不仅支持相同系统间的协同，同样支持不同系统间的协同，包括 EN-DC（E-UTRA-NR双连接）、NR-DC（NR双连接）、NGEN-DC（NG-RAN-E-UTRA双连接）和NE-DC（NR- E-UTRA双连接）。

3 5G多频协同方案部署要求

3.1 载波聚合

载波聚合适合理想回传场景，但考虑不同频段的覆盖性能有一定差异，存在较多不共站但有重叠覆盖的场景。本节主要分析异站场景的载波聚合技术方案，包括性能影响和对应的解决方案。

（1）成员载波不共用基带板

现网终端仅支持单PUCCH，即PUCCH 只在PCell 上传输。因辅载波的下行数据HARQ确认信息需要在主载波的 PUCCH发送，故对两载波的BBU（基带单元）间传输时延要求较高。时延越大，性能增益就会损失越大，LTE异站CA测试结果见表2：共站部署时，X2时延为0 ms，DL峰值为39.65 Mbit/s，最大X2时延为8 ms时，性能增益会降低约30%，DL峰值降低为27.91 Mbit/s，增益损失严重，导致网络的频谱效率降低。

表2 LTE异站CA测试结果

可通过以下两种方式来规避或缓解上述性能损失。

· 降低BBU间传输时延，可通过CRAN部署方式，即将多个BBU放到同一个机房，BBU之间通过光纤直连，则Xn时延（5G中基站之间的接口，类似于4G的X2）降低，性能损失也得到了缓解，但CRAN边界处对性能无改善。

· 降低跨BBU的载波聚合对Xn时延的要求，通过多套PUCCH实现，即辅载波的HARQ确认信息在辅载波的PUCCH反馈，不需要经过Xn口，则对Xn时延的要求相对宽松。

（2）成员载波不共用天面

如果两载波单元的RRU（射频单元）或AAU（射频和天线一体化）不共用，终端到两个小区天面的时间可能不同。以 n41（2.6 GHz）+n28（700 MHz）UL CA为例，考虑700 MHz覆盖性能远好于2.6 GHz，故存在较大区域内，终端到700 MHz基站的距离要大于到2.6 GHz基站的距离，此刻，终端在700 MHz小区的时间提前量TA_n28要大于在2.6 GHz小区的TA_n41。若终端共用700 MHz小区的定时提前量，则终端发送数据到2.6 GHz基站的时刻相比2.6 GHz小区其他终端要提前TA_n28-TA_n41；若终端共用2.6 GHz小区的定时提前量，则终端发送数据到700 MHz基站的时刻相比700 MHz小区其他上行同步的终端要晚TA_n28-TA_n41。

当同一小区的用户在上行数据到达基站时刻不同，则会出现上行符号间干扰，故该场景仅使用一个TA值容易引起上行同步问题，导致上行干扰，影响性能。载波聚合终端可通过支持不同的服务小区采用独立的TA值，来避免因TA值不同造成上行不同步引起的符号间干扰。

3.2 补充上行

补充上行和载波聚合类似，均适合理想回传场景部署。

（1）当NUL载波和SUL载波不共RRU/AAU时，终端到两个载波天面的时间差不同，而3GPP仅定义一个TA值，即SUL载波共用NUL的TA值，该情况下，TA对上行性能影响如下。

n83频段子载波间隔为15 kHz时，normal CP长度为4.6 μs，LOS场景下对应容忍的覆盖距离偏差范围约 4.6 μs ×（3×108m/s）=1.38 km；NLOS下，覆盖距离缩短，预计城区较小站间距场景TA同步问题不大，但郊区较大站间距场景下可能有一定区域性能会因此受到影响。跨AAU或BBU示意图如图3所示。

图3 跨AAU或BBU示意图

（2）SUL要求同一时刻只能在一个上行载波发送数据，以 n41+n83（SUL）为例，当上行在n83传输时，则需要n41的下行HARQ确认信息在n83的PUCCH发送，若n41和n83的BBU不共BBU框，如图4所示，两个载波的基带单元通过光纤或者通过路由连接，则 Xn时延增加，HARQ等待时延加长，影响用户性能以及网络的频谱效率。

图4 BBU不共框

3.3 双连接

双连接适合解决非理想回传场景下的速率提升，主要原因有两点：一是每个载波的下行数据的 HARQ均在本载波的上行反馈，对两载波的BBU间时延要求相对宽松；二是数据流量在PDCP层分流，两个载波各自拥有独立的调度器，理论上，可以做异厂商双连接，这也是双连接的最大优势，可以解除对供应商的频段绑定关系，对运营商的采购有利，但网络优化和维护可能存在互相推诿等异厂商间协调问题，实际部署可能性较低。

目前，产业较为常见的双连接架构是EN-DC，LTE eNB为MN，NR gNB为SN，控制面通过LTE eNB接入EPC。option 3系列示意图如图5所示，4G基站和4G核心网承载信令传输（图5中虚线），4G基站和5G基站均可承载数据业务（图5中实线），5G无线网与核心网之间的NAS信令（如注册、鉴权等）通过4G基站传递，5G无法独立工作，也称为非独立组网。

图5 option 3系列示意图

随着5G核心网的成熟，5G产业逐步向独立组网发展。NR和NR之间，3GPP仅定义了FR1 NR+FR2 NR的双连接，但FR2尚未完成国内的频谱分配，故现网中NR和NR之间双链接暂未部署。

4 5G多频协同方案性能和产业对比分析

NR和NR间的多频段协同技术主要考虑CA和SUL。针对n41+n28 CA和n41+n83 SUL的R15和R16的峰值速率和边缘速率进行理论分析，对应的基本系统配置参数见表3。

4.1 峰值速率

根据表3中单载波的理论峰值速率，可计算得到如下结论。

（1）上行链路

· 支持1Tx+1Tx并发的R15的UL CA，上行峰值250+175=300 Mbit/s。

· R15 SUL支持在NUL和SUL两个上行载波选择最优的一个载波传输，上行峰值max(175 Mbit/s,250 Mbit/s)=250 Mbit/s。

· 支持1Tx和2Tx轮发的R16 UL CA或SUL，上行峰值相同，可达250 Mbit/s+175 Mbit/s×(17/(14×5))=383 Mbit/s，相比 R15 UL CA和R15 SUL分别有27%和53%增益。其中，17为700 MHz无法使用的符号个数（具体如图6所示，切换时延带来2符号损失，为保障2.6 GHz的SRS参考信号发送，需减少700 MHz的1个符号，2.6 GHz上行时隙时刻，700 MHz上行不发送数据，减少14个上行符号），14×5为5 ms周期内700 MHz的上行符号个数。

图6 上行轮发时700 MHz无法使用的符号

（2）下行链路

· DL CA在R15和R16峰值速率性能相同，均为1 700 +350=2 050 Mbit/s。

· SUL在R15和R16的下行性能相同，下行仅n41单载波，均为n41的峰值1 700 Mbit/s，若SUL同时添加n28为下行辅载波，则可达到与DL CA相同峰值速率。

峰值速率性能对比如图7所示，R16的上行性能相比 R15有一定提升，下行峰值速率性能不变。

图7 不同技术的上下行峰值速率

4.2 边缘速率

中单载波的理论边缘速率见表3，可推理得到如下结论。

表3 基本系统配置参数

（1）上行链路

上行边缘位置，终端功率受限，单发效率最高，即UL CA或SUL均只在700 MHz（n83或n28）上单发，边缘速率3.5 Mbit/s。

（2）下行链路

· DL CA在R15和R16性能相同，考虑两个载波的边缘位置可能不同，不能直接相加，需要测试验证。

· SUL在R15和R16的下行性能相同，下行仅n41单载波，为n41的边缘速率70 Mbit/s。

5 产业支持情况

目前，DL CA产业相对成熟，已支持基站和终端的端到端测试，UL CA和SUL端到端产业成熟度相对较慢，2021年基站和终端将支持端到端测试验证，其中UL CA相比SUL产业链更加丰富。

6 结束语

为加强多频段协同，达到提升用户峰值速率，提升网络覆盖能力等目的，载波聚合、补充上行和双连接技术是重要的解决手段，但适用场景不同，载波聚合和补充上行适用于理想回传场景，其中，载波聚合主要用于相同频段之间（比如n41+n41）、TDD频段之间（比如n41+n79）以及TDD频段和FDD频段之间（比如n41+n28）等，适用范围相对广泛；补充上行主要适用于TDD频段和SUL频段之间（比如n41+n83），适用范围相对较小；双连接主要适用于非理想回传场景，目前较多应用于 FDD LTE+TDD NR 或 TDD LTE+TDD NR等EN-DC。未来毫米波等高频段频谱可能会逐步引入现网，考虑和中低频段的覆盖差异较大，高低频协同技术会更多地应用在非理想回传场景，未来可进一步对非理想回传场景下的载波聚合或补充上行等多频段协同技术进行性能影响定量分析和测试验证，并针对存在的问题考虑解决方案或性能提升方案。