一种5G上行链路增强技术解决方案

曹磊　赵晔　熊尚坤　许森　魏垚

【摘  要】新业务发展对5G上行速率和时延提出更高要求，结合全球5G频率使用情况，分析了高/低频段、TDD/FDD双工在5G上行容量、覆盖和时延性能方面的特性，在上行CA和SUL的基础上，提出一种TDD/FDD协同、高低频互补和时频域聚合的5G上行增强解决方案，具有更优的上行性能，最后给出了标准化方向的建议。

【关键词】上行增强技术;上行载波聚合;上行辅助链路

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.005        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）09-0024-04

引用格式：曹磊，赵晔，熊尚坤，等. 一种5G上行链路增强技术解决方案[J]. 移动通信， 2019，43（9）： 24-27.

5G Uplink Enhancement Solution Based on TDD/FDD Coordination

CAO Lei1， ZHAO Ye1， XIONG Shangkun2， XU Sen2， WEI Yao2

（1. 5G Innovation Center of China Telecom， Beijing 100033， China;

2. Intelligent Network and Terminal Research Institute of China Telecom， Guangzhou 510630， China）

[Abstract]

The emerging application development raises higher requirements for 5G uplink rate and delay. Based on global spectrum usage of 5G， this paper analyzes the characteristics of high/low frequency band， TDD/FDD duplex for 5G uplink capacity， coverage and delay performance. Based on uplink CA and SUL， a 5G uplink enhancement solution is proposed via TDD/FDD coordination， high and low frequency complement and time-frequency domain aggregation. The proposed solution has better uplink performance and provides suggestions to standardized direction.

[Key words]uplink enhancement; uplink CA; supplementary uplink

1   5G上行需求

今年世界移動大会的主题是“智联万物”，“智联万物”标志着一个新时代的来临，人们能够随时随地获享受高度契合时代背景的个性化体验。5G技术具有高速性、灵活性及敏捷性，能够提供远比现在更加可靠的服务与性能，与人工智能、大数据、物联网等新技术深度融合，与工业制造、产业互联网充分结合，将为信息通信、社会管理、产业升级、文化生活等领域注入更多的智慧元素，成为智联万物背景下网络变革的使能器和社会变革的加速器。

当前全球商用启动的5G网络，一般处在TDD高频段，为连续组网，在时隙配置上，一般以解决ToC下行为主，实现下行高速率传输。但ToC下行高速率会进一步提高上行速率需求，随着新兴应用的发展，如高清视频直播、VR画面渲染等，对5G网络上行速率提出了更高的要求。另一方面，以远程医疗、工业控制为代表的ToB行业应用方兴未艾，对网络提出了更高上行速率和更低时延的需求。

2   不同频段的特性分析

5G网络全球首发频段以C-Band为主[1]，C-Band系统制式均采用TDD双工，上下行信道互易有利于大规模天线能力发挥，在实现空间复用上具有天然优势。再者，结合100 MHz频谱大带宽优势，下行用户峰值速率达到1 Gbit/s以上，可以满足大部分下行业务容量需求[2]。但是，TDD对频谱资源需按上下行分配，主流2.5 ms双周期、2.5 ms单周期等以下行时隙为主，上行时隙占比小，上行业务速率在每秒百兆比特级别，上行相比下行，空口速率性能存在较大压力。5G首次采用3.5 GHz甚至4.9 GHz等中高频段，中高频段信号传播路损更大，穿透能力较弱，较LTE系统1.8 GHz或2.1 GHz频段覆盖效果没有优势。为弥补频率特征带来的覆盖差异，5G在下行方向采用了大功率发送，但上行覆盖仍然受终端发射功率限制（尽管5G终端发射功率增强一倍），成为主要瓶颈，随着用户向小区边缘移动，5G上行2天线和大带宽的优势逐渐消失，在小区边缘业务体验不如FDD低频，室内场景更加明显。

如图1所示，相比高频的TDD频段，传统的FDD低频段虽然在带宽和大规模天线支持能力上处于劣势，但在时隙上行占比、时延和传播能力上有着天然的优势。

如何在5G的上行增强技术方案中，充分发挥高频TDD和低频FDD各自的优势，形成一个综合的解决方案，实现覆盖、容量和时延等性能的全面提升的同时也能实现低成本，成为业界的一个探索方向。

3   现有5G上行增强解决方案分析

通过TDD和FDD融合来实现5G上行增强，最典型的方法包括上行载波聚合（CA， Carrier Aggregation）和上行辅助链路（SUL， Supplementary Uplink）[3]。本文后续描述的上行增强方案，均考虑了当前主流终端的上行2个发射通道的设计，并以TDD频段为3.5 GHz（时隙结构采用2.5 ms双周期）、FDD频段为2.1 GHz为例。

CA是关键的4G增强技术之一，5G默认自然继承所有CA功能，在CA的技术框架中，支持不同频带间的CA，并支持TDD+FDD CA，同时，理论上只要在3GPP频率组合允许范围内[1]，即可实现高低频载波在TDD+FDD双制式的并发。基于NR终端上行2个发射机的主流设计如图2所示，目前上行CA实际只能采用3.5 G 1T+2.1 G 1T双通道发送，如图3所示，这种设计中，两个频段的发射机同时工作，设计复杂度高，一些频段组合存在着一定的互调干扰以及功率回退等问题，从而影响了上行性能。同时，在近点，无法在3.5 G 2T发送实现上行2流的优势，峰值速率性能受到明显的约束。

如图4所示，SUL技术是可以利用低频FDD频段弥补上行覆盖不足的技术[4]，通过上下行频率解耦，充分利用低频频谱传播优势提升边缘覆盖速率和用户体验。在SUL中，上行辅助链路和上行非辅助载波不会被同时调度发送，终端在2.1 G载波作为辅助载波，仅在3.5 G上行发射功率受限时（如远点）按100%时隙发送，或在近点与3.5 GHz上行TDM才会被调度发送。因此，SUL技术的增益一般在远点获得覆盖增益，在近点，虽然与2.1 GHz辅助载波TDM上行发送来获得一定上行增益，但同样损失了3.5 GHz 2T实现2流发送的性能。

总之，现在的上行CA和SUL协议，在现有的终端两个上行通道设计架构下，均无法在大带宽的3.5GHz实现上行2T发送从而获得2流性能。

4   基于TDD/FDD协同、高低频互补、

时域/频域聚合的上行增强技术方案

如图5所示，本文提出的一种5G上行增强技术解决方案，采用了TDD/FDD协同、高低频互补、时频域聚合的创新理念，期待在近点获得大带宽的3.5 GHz TDD频段，实现上行2T以获得2流性能，同时也兼顾在上行100%的时间上获得发送机会，以进一步提升速率和降低时延。

如图6所示，主要的技术实现方式在于终端以TDM方式使用两个上行载波，同一时刻仅在一个载波上发送，下行可以是单载波或者下行载波聚合。一种典型的场景在离基站的近点，终端在3.5 GHz下行工作时隙时，配置在2.1 GHz载波进行上行传输，在3.5 GHz上行发射时刻仅配置终端使用3.5 GHz进行上行2T发射获得2流。在远点或室内3.5 GHz上行发送，终端可全部时隙配置在2.1 GHz载波上进行数据发送。

表1给出了本文提出的上增强方案与上行CA、SUL的对比。与上行CA和SUL相比，本文提出的方案具有如下特点：上行在3.5 GHz大带宽载波支持2T获得双流，功率可达26 dBm，同时保持CA和SUL的上行100%全时隙发送能力，可以获得更好的用户上行体验。另外，这种方案，上行同时工作的最大发射通道數仍然只有2个，关键的射频通道器件基本可重用4G/5G双模终端设计中的已有器件，只需在3.5 G的一个通道和2.1 G通道之间增加一个开关，为实现时隙级的切换，终端器件成本没有明显增加。

5   关于标准化支持的探讨

在目前3GPP的协议里，本文提出的上行增强技术方案标准尚未完全支持，有如下内容需要业界联合开展技术研究和标准推进：

（1）1T和2T发射的切换时间：在2.1 GHz单天线发射和3.5 GHz双天线发射的转换时刻终端需要进行相关硬件准备，因此存在一个短暂的切换时间，标准中需要研究由哪个载波、哪个信道来出切换时间以及具体的切换时间长度，用于明确终端的相应行为。

（2）定义TDD和FDD双载波间的TDM切换方式：需要研究是采用L3静态TDD/FDD间的TDM切换方式[5]，还是基于DCI的TDD/FDD间的切换方式[6]，或者是基于L3和L1相结合的TDD/FDD间的切换方式。

（3）上下行主载波的绑定关系：为了减少上下行移动性策略对于下行主载波的选择影响，因此需要支持当采用NR作为下行主载波时，上行依然可以利用LTE作为上行反馈的要求。

6   结束语

在上行CA和SUL的基础上，本文提出一种TDD/FDD协同、高低频互补、时频域聚合的5G上行增强技术解决方案，它在容量、覆盖和时延等方面有全面的优势，同时，终端产品器件成本没有明显增加，有助于产业快速发展和普及。然而，方案作为一种新型的技术创新，在3GPP现有的框架下，仍需要大量的标准化研究工作。5G网络上行能力增强是国内乃至全球运营商的共同需求，5G上行增强技术方案需聚集产业链多方力量共同推动，共同探索。

参考文献：

[1] 3GPP. 3GPP TR 38.101-1 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; User Equipment （UE） radio transmission and reception; Part 1： Range 1 Standalone[S]. 2018.

[2] 3GPP. TR 38.913 V15.0.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[S]. 2018.

[3] 3GPP. 3GPP TR 38.300 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; NR and NG-RAN Overall Description[S]. 2018.

[4] RP-180967： Band combinations for SA NR Supplementary uplink （SUL）， NSA NR SUL， NSA NR SUL with UL sharing from the UE perspective （ULSUP）” TSG_RAN_80[S]. 2018.

[5] 3GPP. 3GPP TR 38.133 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Requirements for support of radio resource management[S]. 2018.

[6] 3GPP. 3GPP TR 38.212 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Multiplexing and channel coding[S]. 2018. ★