5G超级上行技术应用探讨

惠绍明

（北京中网华通设计咨询有限公司，北京 100070）

1 5G时代面临的挑战

从2019年6月6日工信部向四大运营商发放5G商用牌照开始计算，目前5G建设已经进入第4个年头。随着网络逐步完善，依托5G强大的能力和丰富的连接场景，在2C、2B端都推出多种多样的应用，同时对5G能力也提出多样化、多方面的挑战，主要体现在5G上行带宽、覆盖能力及时延方面。

1.1 上行带宽的挑战

4G时代主要面向公众用户，网络性能需求也主要以提供下行带宽为主。相比于4G时代，5G时代泛在物联，除传统2C业务外，抖音等视频直播类业务以及2B行业应用都会产生巨量的自下而上的数据流量。这就要求5G网络在保证下行大带宽的基础上，还需满足上行大带宽、低时延的新需求。例如，直播和短视频，在1080P分辨率下主播端上行带宽需要5～10 Mb/s；智慧安防在4K分辨率下上行带宽需要30 Mb/s。

5G工作模式有TDD、FDD两种，主力频段3.5G、2.6G均采用TDD模式。目前3.5G上下行时隙配比主要针对eMBB场景设计，不能基于业务特征动态调整。典型采用7∶3或8∶2等，即整体资源配置倾向于下行，导致下行带宽基本是上行带宽的5倍左右[1]。

1.2 时延的挑战

针对时延问题，同样由于TDD模式的技术特征，上下行通道采用时分模式，存在时隙转换，导致时延能力提供上存在的一定缺陷。

理论上来说，理想情况下（信号好/不拥塞）FDD空口时延要比TDD时延小。FDD是上下对称频谱，上行和下行频分双工，任何时刻都有可用的发送时隙，无需额外等待；但是TDD是时分双工，下行数据发完之后一定要等到下一个上行时隙，而且由于上行时隙较少，TDD反馈平均等待时间要高于FDD。在上下行时隙7∶3配比下，最大时延约4.2 ms，平均时延约2.5 ms。

5G网络的端到端时延理论指标要求做到1 ms，针对5G应用中的工业控制场景，端到端时延要求为毫秒级，这就要求压缩信号传输过程中的任一环节的时延，包括上面提到的空口时延[2]。

1.3 上行覆盖的挑战

频段越高，覆盖距离越短，3.5G频段相比4G主力频段1.8G/2.1G频段覆盖少50%。5G下行通过加大基站功率、采用大规模天线等手段，覆盖能力基本与4G相当。上行考虑到终端体积等因素，发射功率、天线数量等提高有限，所以上行覆盖是3.5G的一个短板。

为改善上行带宽、覆盖及时延问题，主要的解决思路是高、低频互补、TDD和FDD并存、时域频域聚合，取长补短、协同配合，共同提升5G网络上行覆盖和上行带宽能力，并缩短时延。在此背景及技术思路下，超级上行技术应用而生[3]。

2 超级上行技术

为更好地理解超级上行技术，首先介绍该技术提出之前的两种主要解决方案及存在的缺点，一种是采用TDD +FDD的载波聚合技术（CA），一种是采用FDD低频作为上行链路补充的技术（SUL）。

2.1 载波聚合技术

5G工作频率在3.5G基础上增加低频段，低频段一般工作于FDD模式。终端在小区近点可以利用FDD+TDD频谱同时进行上下行传输，获得大带宽和低时延能力；终端在小区远点（3.5G上行覆盖不到的区域）则把上行切换到FDD提升覆盖，下行保持FDD+TDD聚合，业务体验速率得到提升。

该技术存在的主要问题是对上行带宽的影响。上行高低两个频段同时发射，各自占用终端一个通道，导致无法发挥3.5G上行双通道大带宽的优势，同时发射功率每个频段各占一半，导致上行收缩3 dB。

总体上该技术通过高频、低频互补，时域、频域聚合解决了上行覆盖、时延问题，但上行带宽问题没有得到解决，相比纯3.5G网络反而有一定下降。

2.2 SUL（补充上行链路）

SUL 主要是利用低频段补充 3.5G 上行覆盖。在3.5G 覆盖好的区域，用户采用 3.5G收发数据，在高频段上传输5G下行，在低频上传输5G上行。

从该技术特征可看出，上下行同时工作于单一频段，仅通过高频、低频互补解决了上行覆盖差的问题。例如，在密集城区、上行链路的边缘速率为2 Mb/s的情况下，如果采用 SUL 2.1 GHz（带宽 20 MHz）和 TDD-NR 3.5 GHz（带宽100 MHz）组网，其覆盖相比基于 SA 架构采用 TDD-NR 单载波的情况下提升17.8%。但在带宽、时延等用户体验方面，没有任何改善。

2.3 超级上行技术介绍

5G超级上行技术，是通过TDD、FDD并存，高频、低频互补，时域、频域聚合，共同提升5G网络上行覆盖、上行带宽以及缩短时延。

与上行CA和SUL技术相同之处为采用低频段与3.5G搭配使用，不同之处如下。

（1）与CA技术的不同：当3.5G频段传送上行数据时，低频上行不传送数据；只有3.5G频段传送下行数据时，低频才传送上行数据。

（2）与SUL技术的不同：当在 3.5G 覆盖好的区域，用户采用 3.5G与低频共同收发数据。

基于上述两方面不同的技术策略，当3.5G频段传送上行数据时，FDD上行不传送数据。上行时隙终端双发全部用于TDD 2×2 MIMO传输；当3.5G传送下行数据时，FDD立即传送上行数据。

超级上行技术高低频、上下行时隙工作情况从图1可以直观地表示出来。

图1 上下行时隙工作示意图

采用超级上行技术，可有效解决上行覆盖、带宽及时延问题，具体总结如下。

（1）当终端在小区中心（近点）时，可以利用FDD+TDD频谱同时进行上下行传输，并且上行高低频采用轮发方式，在TDD上行时隙终端双发全部用于TDD 2×2 MIMO传输，而在TDD下行时隙则立即切换到使用FDD进行上行传输，这种快速切换机制使得上行方向不但可用时隙提升到接近100%，基本与FDD相当，而且不牺牲TDD 2×2 MIMO能力。这样可以充分利用3.5G 100 M大带宽和终端双通道发射的优势提升上行吞吐率（3.5G 100 MHz+终端双通道发射 VS FDD 20 MHz+终端单通道发射），同时确保3.5G最大发射功率可达到26 dBm，提升3dB覆盖。

从速率上分析，3.5G 64QAM上行峰值约为280 Mb/s，2.1G 64QAM上行速率约为90 Mb/s。超级上行打开后，理论上行峰值速率可达到280+0.7×90=343 Mb/s，速率提升20%。

（2）降低5G时延：通过TDD、FDD并存，时域、频域聚合，基本实现任何时刻都有可用的发送时隙，无需额外等待，降低传输时延。以上行为例，3.5GHz TDD单载波的上行最大传输时延为4.2 ms，平均传输时延约为2.4 ms。采用超级上行技术后，由于ACK/NACK反馈更加及时，可降低到1.9 ms，降幅达60%。

（3）当终端在小区边缘（远点）时，则把上行切换到FDD提升覆盖，下行保持FDD+TDD聚合，在提高上行覆盖的前提下，下行业务体验速率得到提升。

超级上行技术与载波聚合、SUL工作机制及性能对比见图2及表1。

表1 超级上行等多技术性能对比表

图2 时隙工作机制对比示意图

2.4 超级上行技术部署

超级上行技术的部署包括部署场景、硬件设备部署、频谱部署3个方面。

2.4.1 部署场景

超级上行技术主要是改善了上行带宽及时延，部署场景主要是针对ToB行业，包括远程遥控、视频监控、工业控制、机器视觉，云化AGV等多个应用。在5G企业专网建设时可考虑支持该技术，保证网络性能满足专网应用。

2.4.2 硬件设备部署

在现有3.5G设备上升级支持超级上行技术，可考虑BBU侧共框部署，复用现网硬件，有利于3.5G与低频的协同，而且也有利于未来低频LTE 向NR演进。

2.4.3 频谱部署

（1）低频用作LTE。上行频谱通过动态共享技术，获取部分频段作为SUL频谱使用。

（2）低频用作NR。上行频谱用工作于NR和SUL模式，下行频谱用作NR。

（3）低频用作LTE和NR。上行频谱工作于LTE、NR、SUL，下行频谱用作LTE、NR。

3 应用案例

选取某市商业区为试点区域，该区域共有3.5G站点3个、覆盖小区6个；共有LTE站点3个，覆盖小区6个；3.5G与LTE全部共站址。主要从3个方面对超级上行技术性能提升进行验证，具体测试指标见表2、表3、表4所示。

表2 超级上行开通前后性能指标验证

表3 超级上行开通前后对LTE性能影响验证

表4 超级上行开通前后对下行速率影响CQT验证

从测试数据可看出，超级上行开通后，与开通前对比：

（1）在RSRP、SINR无明显波动的情况下，上行平均速率有明显提升，尤其是在覆盖差点，提升比例达到90%；

（2）LTE上行速率无明显异常，好、中、差点上行平均速率均在正常范围内波动；

（3）对下行速率基本无影响，好、中、差及极差点下行平均速率均在正常范围内波动。

4 结 论

通过测试验证，超级上行既提升了上行带宽，又提升了上行覆盖，同时缩短网络时延。它是无线通信首个时频结合的技术，大幅度提升5G用户体验，能很好地满足上行大带宽、低时延业务，目前已经做到了标准、芯片、终端、无线接入网、核心网的端到端成熟。随着5G的大规模布局、推广，超级上行技术将大规模在垂直行业中得到应用。