5G超密集异构网络的上行性能提升方案

黄劲安 梁广智 陆俊超 蔡子华

【摘 要】超密集异构网络是5G大幅提升单位面积的频谱效率、成倍增加网络容量的重要途径。由于网络的异构化以及5G工作频段向更高频带拓展，上行受限问题凸显，亟需制定切实可行的上行性能提升方案。通过对辅助上行、双连接以及上下行解耦方案的分析，提出了在5G超密集异构网络不同建设阶段的上行增强解决方案。

异构网络；辅助上行；双连接；上下行解耦

1 引言

随着先进的调制编码技术逐步逼近香农极限，基于链路级的网络性能优化已难以继续支撑现网指数级的数据流量增长以及泛在的高质量通信需求。为了有效解决有限的无线带宽资源与泛在高速连接需求的矛盾，5G网络将通过加密部署的方式，在传统宏站（MBS）组成的单层同构网络的基础上，大规模部署低功耗微站（SBS），形成超密集的多层异构网络，借此大幅提升单位面积的频谱效率，成倍增加网络的容量。但是，由于网络的异构化，5G超密集组网的方式也引入了诸如负载不均衡、切换频繁、网络配置开销大等问题，而形成这些问题的主要原因是网络异构化和工作频段提高而造成的上行受限。因此，如何制定可行的上行性能提升方案，对发挥超密集组网的优势和满足更高质量的通信需求有极大意义。

2 HetNets上行受限

以一个由宏站以及Picocell、Femtocell等多種形态微站组成的NR双层异构网络（NR 2-tier HetNets）为研究模型，如图1所示。其中，宏站（MBS层）的分布满足传统的蜂窝结构，微站（SBS层）则根据实际业务需求随机分布，一般可用泊松点过程（PPP）进行模拟。

首先考虑MBS层。在实际部署中，考虑到网络建设成本以及新站址的最优位置难以获取等因素，一般倾向于利用现网站址。假设采用NR 3.5 GHz与LTE 1.8 GHz以1：1共站建网，由于C-Band的频谱特性，NR上下行覆盖能力失衡（UL弱于DL约13 dB，如图2所示），上行受限问题将导致网络存在覆盖空洞。如果盲目采用宏站进行补点，则有破坏网络拓扑，造成越区覆盖的风险；如大量采用微站补盲，考虑到原有宏小区边缘一般选在低值或低业务需求的区域，整体性价比也不高；更为合理的方案是，通过提升上行链路的覆盖能力，适当拓展宏站的覆盖面积。

再考虑SBS层。一方面，由于功率受限及高低频覆盖差异，微站的覆盖区域通常较小，UE在快速穿越微站覆盖区域时将面临频繁的越区切换，且切换必须在极短时间内完成，否则将导致切换失败、掉话。另一方面，在宏微重叠覆盖区域，由于宏站的发射功率远高于微站，且UE会基于DL RSRP选择接入的服务小区，可能导致大量实际地理位置距离微站较近的用户接入宏站服务区，这不仅导致微站的频率资源无法得到有效利用，即网络负载不均衡，而且微站处的用户也会受到极强的上行干扰。

综上所述，由于上行受限问题凸显，NR Ud-HetNets存在极大的性能不足，必须从Intra-Site和Inter-Site层面对NR上行进行性能优化，以充分发挥超密集组网的优势。

3 上行性能提升方案

提升NR上行性能的途径主要有：提高UE发射功率，增强UE处理性能，改善上行链路。考虑到电磁辐射对人体的危害，UE发射功率不应超过26 dBm。此外，受制于工艺的发展，4Rx和TM9等高性能处理模式暂时无法在UE应用。因而当前主要从改善链路传输方式入手，以提升NR上行性能。

3.1 辅助上行

考虑NR在不同工作频段f1（如1.8 GHz 20M带宽）和f2（3.5 GHz 100M带宽）条件下的上行覆盖能力。由于上行数据传输受限于UE最大发射功率而非上行信道带宽，尽管在f2频段下为用户分配的PRB更多，但每PRB的功率密度却远小于f1频段下的功率密度，因此，NR f1的上行覆盖优于NR f2。此外，由于f2频段高于f1，其上行方向的路径损耗也更大，同理也印证了上述结论。综上所述，为了增强NR上行能力，可考虑为NR UL引入辅助链路，NR与LTE通过TDM或FDM的方式共用LTE载波频率。这里的LTE载波即为辅助频段（Supplementary Bands）。

通过辅助上行（Supplementary Uplink，SUL）可以拓展NR覆盖范围。当UE处于3.5 GHz覆盖能力范围内，上行基于3.5 GHz进行数据传输；当UE移动到3.5 GHz覆盖边缘，上行调度至1.8 GHz传输，如图3所示。因此，采用SUL方案，理论上NR 3.5 GHz可基本达到LTE 1.8 GHz的覆盖能力（在NR下行方向通过Massive MIMO等技术提升性能的前提下）。

需要特别指出的是，LTE载波可用于NR上行共享的基本判断是，当前LTE承载的多为上下行不对称业务，尤其是FDD模式下，上行存在空闲频率资源（据统计，现网密集城区LTE FDD的上下行PRB利用率比例约为1：3）。但SUL会造成LTE性能的下降，尤其是当LTE使用高阶调制时，性能下降地更为明显。当且仅当设置1个PRB的频率保护并且无功率偏置时，SUL对LTE的影响才可忽略[3]。

3.2 双连接

双连接（Dual Connectivity，DC）是指工作在RRC连接态的UE同时由至少两个网络节点提供服务，包括一个主节点（Master Node，MN）和若干个辅节点（Secondary Node，SN）。其中，MN至少提供CP（控制面）功能以及作为与核心网连接的移动性锚点，SN同步为UE提供辅助的无线资源。MN与SN扮演的角色与节点的功率类型无关。基于移动性事件的预配置，宏站和微站均可能在UE的移动过程中被配置为MN。基于DC技术，可以较好地解决前文所述的，UE高速移动时在微站间频繁切换的问题。由于微站始终处于宏站的覆盖范围内，且宏站可以为UE提供相对稳定可靠的连接，因而可以通过切换算法的合理设计，将宏站配置为MN，执行与UE的RRC连接功能及SN的添加、修改和释放功能，而被配置为SN的微站只提供UP（用户面）的连接。这样，既避免了频繁切换的信令开销，也使得高速移动场景下处于小区边缘的用户也能保持良好的体验速率。

与SUL仅从Intra-Site层面实现上行性能提升不同，DC主要是通过控制面与用户面的分离以及多节点资源聚合，从Inter-Site层面同步优化网络的上行及下行性能。

DC的具体方式与NR的组网架构有关，如EN-DC，即LTE与NR的双连接，图4是Option 3x下的DC承载示意图。在EN-DC场景下，LTE节点始终作为MN，能够在NR小区边缘，依旧为UE保持良好的上行连接。

相对SUL，EN-DC对LTE的影响更小，但实际上EN-DC作用于下行链路的性能提升更为明显。对于处于MN小区边缘的UE，保持一个以上的上行链路会导致整体能效的下降。更为合理的方案是，借鉴SUL思路，仅对上行方向作性能增强，即当UE移动至MN小区边缘时，UE不必因为下行方向的双连接而强行绑定两个上行链路。这就要求打破传统的UE基于DL RSRP的上下行耦合接入策略。

3.3 上下行解耦

上下行解耦（Downlink and Uplink Decoupling，DUDe）突破了传统的耦合接入策略，在下行方向基于DL RSRP的强度选择最优的基站作为下行服务小区，而上行方向则依据Path Loss进行接入判定。当UE处于上下行功率不平衡的区域时，通过解耦合，无论上行还是下行，都能基于最优策略选择接入，既实现了上行方向的负载均衡，也实现了网络整体能效的提升。

但以上仅仅是基于简化模型的分析，当微站的数量发生变化时，网络的特性也将发生改变，必须进一步论证微站数量动态变化时，基于DUDe策略相对基于DL RSRP策略对网络的能效提升作用。在图5（a）仿真结果[8]中，基于DUDe策略并未如期望获得比基于DL RSRP策略更好的能效提升作用，这是由于DUDe對网络能效的提升是整体的，而非平均数值的。DUDe实际上是牺牲了原本网络中极少数能效极高的用户体验来换取整体性能的提高。这从图5（b）可以得到证明，当去除网络能效最高的10%的用户后，再进行对比时，可以看到，DUDe策略对网络能效的提升是高于DL RSRP策略的。

4 NR上行增强解决方案

辅助上行、双连接、上下行解耦均是提升NR上行性能的可选方案。但具体设计方案时，必须结合当前NR网络的实际发展阶段合理选用。

对于辅助上行的定位，从技术实现的角度考虑，参考3GPP对FR1频带双工模式的定义以及当前国内频谱分配现状，未来实现SUL的频率方案中，以n78和n80、n79和n80这两种组合的可能性最高。无论NR采用n78还是n79组网，均为TDD双工模式，要求不同基站间保持严格的时间同步，而n80用于LTE时多为FDD双工模式，不同基站间无需严格的时间同步，这就导致辅助频段上NR与LTE之间可能存在时间偏移。此外，还有NR上行功率控制的问题。由于NR上行路径损耗估算是采用对下行链路的参考信号的测量来实现的，通过n78或n79下行参考信号估算出的n80上行损耗，会远大于n80上行的实际损耗，而这种偏差将影响上行功率控制的准确性。

上述问题虽然有可行的解决方案，但也在一定程度上限制了SUL的应用场景。从业务发展的角度考虑，n80或其他辅助频段的带宽受限，从长远来看难以满足越来越成熟的诸如视频通话等上下行对称业务的需求。因此，SUL更适合作为NR建网初期的过渡方案。表1为NR FR1部分频带范围及双工模式。

双连接与NR的组网架构紧耦合。例如，在Option 3/3a/3x下，以EN-DC的方式组网，LTE节点优先配置为MN，NR节点为SN，MN与SN之间通过非理想回传的Xx接口互连，实际双连接的性能受限于EPC；在Option 7/7a下，对应为NGEN-DC方式，此时LTE节点与MN的配置关系不变，但LTE节点已通过软件升级性能得到增强，同理，NR节点仍扮演SN的角色；而在Option 4/4a下，对应为NE-DC方式，LTE节点与NR节点的角色互换。现阶段，3GPP对于双连接的研究仍侧重NSA模式，对于SA模式下的NR-NR DC，仍有待进一步研究。由此可见，双连接技术的应用取决于运营商的组网策略以及当前的网络发展阶段。

上下行解耦有益于同频或异频部署时的上行增强及负载均衡，但当其应用于NR和LTE异系统间时，实际上也将面临与SUL类似的技术问题（可以将SUL视为上下行解耦的特例），从而导致应用场景受限。因此，上下行解耦距离全面组网应用也还有一定的差距。

综上所述，NR上行增强，应伴随着5G超密集异构组网的发展而进行。在建网初期，考虑到对5G全业务的支持以及避免多次演进，采用Option 2 SA组网架构，与LTE 1.8 GHz或2.6 GHz 1：1共站组网，优先完成NR超密集异构网的MBS层。对于高价值高流量区域，如存在覆盖空洞，采用杆站形态的宏站进行补盲，或者适当调整原LTE站址。对于LTE上行业务不敏感区域，鉴于SUL对NR上行的增益以及工程实施的便利性（以某设备商实施方案为例，详见图6），引入SUL适当拓展NR覆盖范围。在建网中期，随着NR宏站全覆盖的逐步完善以及微站的逐步加密，考虑到用户从LTE迁移到NR的用时以及UE的成熟，可适当引入Option 4/4a NSA架构，并实现NE-DC，进一步加强MBS层的综合覆盖能力，以及MBS层和SBS层之间的协同覆盖。在建网中后期，实现NR-NR DC以及DUDe的联合使用，以取得上行性能提升的增益最大化。

5 结束语

辅助上行、双连接以及上下行解耦技术均是提升5G超密集异构网上行性能的有效手段。通过上述三类技术的灵活或叠加使用，能够解决5G超密集异构网中上下行不平衡以及负载不均衡等问题，以发挥超密集组网的优势，能满足更高质量的通信需求。文章基于对三类上行性能提升方案的分析，提出了在5G网络不同建设阶段的上行增强解决方案，希望对实际的工程部署有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] 李渝舟，江涛，曹洋，等. 5G绿色超密集无线异构网络：理念、技术及挑战[J]. 电信科学， 2017（6）： 34-40.

[2] 3GPP TR 36.842. Study on Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN； Higher Layer Aspects （Release 12）[R]. 2013.

[3] 3GPP R1-1709560. LTE performance in NR-LTE UL sharing[R]. 2017.

[4] 3GPP R1-1706905. Overview of NR UL for LTE-NR coexistence[R]. 2017.

[5] 陈晓冬，林衡华. 5G新空口与LTE载波共享技术的研究[J]. 移动通信， 2017，41（17）： 8-11.

[6] Muhammad Nadeem Sial， Junaid Ahmed. Analysis of K-tier 5G heterogeneous cellular network with dual-connectivity and uplink-downlink decoupled access[J]. Telecommunication Systems， 2018，67（4）： 669-685.

[7] Lan Zhang， Weili Nie， Gang Feng， et al. Uplink Performance Improvement by Decoupling Uplink/Downlink Access in HetNets[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2017，8（66）.

[8] 隋贤忠. 异构移动蜂窝网中上下行分离接入策略研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2016.

[9] 文桥安，蔡子华. 上下行解耦技术在5G异构网络中的应用及挑战[J]. 广东通信技术， 2018（4）： 39-41.