5G-Advanced上行能力提升研究

王建斌，陈鉴锋，蔡旭东

（1.中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310014；2.中国铁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，当前中国三大运营商主要城市的边缘速率达到100 Mbps 以上[1]，但5G的上行边缘速率在1 Mbps，低于同等覆盖的4G 网络。5G上行覆盖能力受限严重制约了5G 的驻留和用户感知。

随着全国范围内5G 通信网络建设的快速进行，目前各主要城市5G 商用网络的下行边缘速率已达到100 Mbps。然而，现有5G 网络在上行边缘速率方面的整体网络性能依然与4G 相当，部份省市甚至低于同区域内的4G 上行水平。目前，业内已启动5G 向未来5G-Advanced 的演进[2]。在首批立项的28 个课题中，上行体验容量与覆盖提升被多次提及。随着未来无线网络连接终端种类及数量的不断增加，网络上行能力将在5G-Advanced 时代扮演更加重要的角色。

2C 业务上下行覆盖的不平衡，不仅严重影响用户的上行体验，也影响用户的下行体验，因为下行报文，需要通过上行反馈给网络侧进行确认。2B 业务上行大带宽需求强烈，视频回传、自动驾驶等均需要使用大带宽回传，因此上行带宽对2B 业务至关重要。

3GPP 在5G-Advanced 演进首次提出全方位多维度提升蜂窝网络上行能力。

1 5G上行能力研究提升的背景

5G 和4G 在C-band 差异不大，在毫米波频段需要额外考虑人体遮挡损耗、树木损耗、雨衰等损耗的影响[3]，通过链路预算及规划仿真和测试可分析得出5G 上行覆盖在2C及2B 大带宽需求场景存在瓶颈，如表1 所示。

表1 5G链路预算与4G差异

路径损耗计算如下：

基于3GPP 38.901[4]，如表2 所示，High loss 公式计算3.5 GHz 穿透损耗为：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穿透损耗

结合协议和测试，3.5 G 密集城区穿透一堵墙损耗考虑26 dB，以下是3.5 G 频段100 M 带宽下（时隙配比7:3，子载波间隔30 kHz）SA 业务信道小区半径估算。

如图1 所示，3.5 G 频段100 M 带宽下不同场景下下行速率100 Mbps 时对应上行速率1 Mbps 的覆盖半径，可以得出上行速率感知速率满足1 Mbps 时小区半径小于下行100 Mbps 小区半径，表现为上行覆盖受限。

图1 3.5 G上下行覆盖半径

表3 为密集城区3.5G-100M 带宽规划仿真结果：

表3 3.5 G规划仿真

2 5G国内外主流上行方案

5G 常见的上行方案有上下行解耦技术（SUL,Supplement Uplink）[5]、上行载波聚合技术（CA,Carrier Aggregation）[6]、5G 双 连 接（EN-DC，E-UTRA-NR dual connectivity）[7]解决方案，他们之间的区别见图2，各有各的局限性。

图2 SUL/CA/DC技术

SUL 通过提供一个补充的上行链路来保证上行覆盖[8]，终端可以在UL NR 和SUL 之间动态选择发送链路，但是在同一个时刻终端只能选择其中的一条发送，利用低频段补充了TDD-NR 覆盖，对单用户的峰值没有影响，但是同站的TDD-NR 频段和SUL 频段，也要求两个不同载波同覆盖且具备相同的工参，这在商用网条件下难以实现。

CA（Carrier Aggregation，载波聚合）技术把相同频段或者不同频段的频谱资源聚合起来给终端使用，从而提升整网资源利用率，改善用户体验，但是载波聚合的容量性能受限于终端发射天线的数量。

5G 双连接（EN-DC，E-UTRA-NR dual connectivity）适用于NSA 场景，采用了双连接的方式，终端可以使用4G 和5G 的通道发射数据。但是由于终端的一个Tx支持LTE，另一个Tx 支持5G NR，5G NR 的上行双流能力被限制，上行吞吐量只有5G SA 单用户上行吞吐量的74%左右。

3 5G-Advanced上行研究探讨

3.1 上行探究展望

5G-Advanced 演进在技术上呈现为ICT 技术、工业现场网技术、数据技术等全面融合的趋势。5G 时代个人业务由单向下载转向主动分享，行业数字化需求也聚焦在上行，从港口[9]、钢铁[10]、煤矿[11]几个To B 热点行业分析当前的上行业务需求，以5G 智慧港口为例，业务需求包含轮胎吊远程操控和视频+PLC 体验需求（无人集卡+4K 监控+无人机），视频监控类业务多个4K 摄像头对上行带宽的需求为400 Mbps 以上，行业业务需求亟需突破上行瓶颈。目前5G 业务的挑战如下：

（1）5G 现有能力需要继续增强，加速5G 产业发展；

（2）XR 和全息等沉浸式应用的普及，需要高速实时体验；

（3）行业数字化需要十倍上行速率，需要上行为中心的网络；

（4）扩展5G 网络能力维度，开拓车联网等全新商用机会；

从产业推进到标准化到配套成熟，新技术需要约5年的周期。除了要研究多频段上行聚合和上行Massive 阵列等技术，还需要大量时间去丰富上行为中心的新终端类型。从频谱上看，5.5G 需要在Sub-100 GHz 内使用更多的资源，也需要时间提前从政策和产业层面提前做好准备。

3.2 上行技术研究

分布式MassiveMIMO[12]技术从室外引入到室内，但pRRU 头端成本不变（依旧为2T2R 或者4T4R），在基带上虚拟为一个超级Massive MIMO 小区，在重叠区享受5G 波束赋型增益，非重叠区享受5G 空分复用增益。室内5G 单小区的上下行容量提升3～4 倍，彻底消除微微干扰、免切换，实现极致用户体验，如图3 所示：

图3 分布式Massive MIMO

从网络能力角度阐述5G-Advanced 的上行技术研究探讨[13]，基于当前主流的上行解决方案，在SA 组网7:3时隙配比下，上行双流+256QAM 能够到达370 Mbps/s，结合超级上行（Sub-3G 1 流 110 Mbps * 0.7）能够到达447 Mbps。

网络能力上面，一方面主流TDD 系统设计时隙配比多为4:1、8:2 和7:3，针对ToB 的封闭场景取特殊时隙配比（1:3），提升上行带宽，除此以外室外可以采用5G低频8T8R 天线宏微结合加密解决上行覆盖问题，室内结合分布式MM 技术，频谱效率提升3～4 倍，上行流数倍增，4 流增加到6/8/12/16 流，上行容量再度提升，如图4 所示。

图4 小区理论上行峰值速率

超级上行是基于SUL、CA、EN-DC 技术解决方案演变而来的[14]。通过高低频协同，提升网络上行能力，结合Uplink Tx Switching[15]功能在上行数传时不同制式间切换，超级上行频谱灵活组合，上下行体验最优，如图5 所示。

图5 超级上行解决方案

超级上行是当前主流的商用上行解决方案，其原理利用在C-Band 频谱的上行时隙，使用C-Band 频谱进行上行数据发送，在C-Band 下行时隙，使用空闲的Sub-3G 频谱补充进行上行数据发送[16]，实现上行数据可以在全时隙发送。超级上行可基于信道条件选择相应的传输方式，在实际应用中大部分采用TDM 时分模式，同一时隙并未同时占用C-band 和Sub-3G 频率资源，不涉及数据分流与多个MAC 实体需求，无需考虑UL CA 射频功率分配带来的负增益，也不需要成对获取Sub-3G 下行频谱，对现有4G 上行频谱资源占用需求更容易满足。综合来讲，无论是小区中心区域还是小区边缘位置，UE 上行速率容量会更有保障，并且业务时延得到了保障。

SA 组网下5G 上行覆盖相对NSA 下降，通过超级上行，提升SA 组网下的上行覆盖。超级上行TDD/FDD 协同，高频/低频互补，通过低频FDD 提升上行覆盖。远点覆盖增益来源于Sub-3G 低频的无线传播特性，C-band 传播损耗大，在远点覆盖受限，而Sub-3G 传播特性优于C-band，如图6 所示：

图6 超级上行Sub-3G提升上行覆盖

4 应用案例

4.1 5G+AI+无人机智能应用

运用超级上行技术实现更优体验，超高清提升业务识别效率和精准度，可以满足无人机长距飞行需要的低空覆盖和大带宽需求，如图7、图8 所示：

图7 超级上行技术在无人机长距飞行上的应用

图8 矿区拉网测试超级上行增益

应用在无人机爆破预警，如图9 所示：

图9 无人机爆破预警

应用在水泥仓裂纹AI 检测，如图10 所示：

图10 水泥仓裂纹AI检测

（1）无人机受山坡阻挡等弱覆盖场景，保障飞行线路超过40 Mbps；

（2）无人机安全飞行无法过于靠近水泥仓，需要高分辨率智能检查局部细节；

（3）人工智能识别还可逐渐扩展至安全生产、人脸识别等领域。

4.2 超级上行更高体验，满足实时监控在移动和弱覆盖场景的正常作业

运用超级上行技术，将CPE+高清摄像头安装在移动机械上，实时监控堆料、取料情况及机器运转情况问题，解决了移动设备部署线缆不便、线缆易磨损、施工难度大的困难，如图11 所示：

图11 实时监控在移动和弱覆盖场景的正常作业

通过超级上行大幅提升上行速率，保障监控流畅，如图12 所示，开启超级上行前后，堆料取料间的上行MAC 层吞吐率从41.44 Mbps 提升至55.10 Mbps，增益33%，地下室碎石间的上行MAC 层吞吐率从2.63 Mbps提升至12.07 Mbps，增益359%。

图12 定点测试超级上行增益

5 下一步研究及思考

面向5G 时代，远程控制、远程医疗、智慧安防、智能工厂、视频直播等各种各样的5G 应用都需上行低时延、大带宽能力来支撑。只有提升网络上行能力，才能真正实现“5G 改变社会”的梦想。未来超级上行方案需要从芯片、终端、基站等端到端能力支持。

同时5G-Advanced 需要充分考虑架构演进及功能增强[17]，从以消费者为中心的移动宽带网络（MBB,Mobile Broadband Network）成长为真正的工业互联网的核心。当前虽然可以利用网络切片、移动边缘计算（MEC,Multi-access Edge Computing）、非公共网络（NPN,Non Public Network）等功能[18-19]为行业服务，但无论是网络部署形态、业务服务水平协议（SLA，Service Level Agreement）保障能力、易运维能力、以及行业需要的一些辅助功能，5G 网络当前的能力还有所不足，因此需要在3GPP R18 及后续版本继续增强。

5G Advanced 预期可在eMBB 和mMTC 之间增加一个场景UCBC（上行超宽带）[20]，聚焦上行能力的构建。UCBC 场景将在5G 能力基线实现上行带宽10 倍提升，同时通过多频上行聚合以及上行超大天线阵列技术，可大幅提升上行容量和深度覆盖的用户体验。

TDD/FDD 的协同、高低频段的互补将是大势所趋，主流频谱3.5 GHz+2.1 GHz、2.6 GHz+1.8 GHz 等均已支持超级上行，后续将定义更多频段和更大频宽，比如2.1 GHz 最大到50 MHz、SUL 专有频谱最大到100 MHz。另一方面，5G 超级上行必须基于全球统一标准，只有标准化，产业链才有可能形成合力，实现批量部署。