【精品】5G增强上行覆盖技术研究|上下行|双工|时延|载波|频段

本文由《广播与电视技术》杂志独家授权。本文刊发于2020年第8期。

作者：肖婧婷，张国庭，杨明（国家广播电视总局广播电视科学研究院，北京 100866）

【摘要】

5G 作为新基建的建设方向之一，在未来几年会有大幅的规划建设。国内目前分配给 5G 的频段包括中频、低频，未来可能还会包括高频。中高频进行 5G 覆盖的时候，会有上下行链路不平衡的现象。本文计算了国内不同 5G 频段的上下行覆盖差异，对比分析了双连接、上下行解耦、载波聚合和超级上行等几种可用于 5G 增强上行覆盖的技术，可为 5G上行增强覆盖方案选择提供参考。

【关键词】

5G，增强上行覆盖，双连接，上下行解耦，载波聚合，超级上行

０引言

移动通信系统高速更迭演进，但是有一些问题从一代传到了下一代，例如上行链路覆盖范围和吞吐量的问题。传统蜂窝移动通信上下行链路存在不平衡的现象，主要是由于基站、终端的发射功率及天线阵列数量差异等因素引起的。5G引入了Sub-6GHz 和毫米波等新频段、采用了灵活的上下行时隙配比、大规模多入多出（Massive MIMO）技术等，使得上下行链路不平衡的现象更进一步扩大。本文将计算国内不同 5G 频段的上下行覆盖差异，分析和对比双连接（DC，Dual Connectivity）、上下行解耦（SUL，Supplementary Uplink）、载波聚合（CA，Carrier Aggregation）和超级上行（Super Uplink， Super UL）等几种可用于增强上行覆盖的技术，为 5G 上行增强覆盖方案选择提供参考。

１5G上下行覆盖差异

移动通信系统中的终端设备尺寸较小，电池容量有限，为了满足较长的续航能力，终端设备的发射功率通常不会很大，目前两根发送天线的手机终端最大发射功率为 26dBm(400mW)。相反，为了保证下行传输的质量，基站设备的发射功率可达 53dBm(200W)，远大于终端的发射功率。在图1中，小区远点位置虽然能够接收到下行信号，但其发起的上行传输信号在基站端无法被识别。为了保持覆盖的连续性，网络规划时通常以上行覆盖半径为基准计算站间距，这样做一方面增加了站点建设的需求数量，另一方面由于小区边缘的下行信号强度较大，导致小区间干扰严重。

5G 引入了 Sub-6GHz 和毫米波等新频段，这些新频段比之前 2G、3G、4G 等移动通信频率均要高，使得传输损耗更大，上下行功率差异在这些频段更加明显 ;且 5G 采用了灵活的上下行时隙配比，通常下行比上行需求多，使得上下行时隙配比倾向于更多分配给下行，加剧了上下行不平衡的现象 ;此外，5G采用了大规模多入多出(Massive MIMO)技术，这使得基站、终端的天线阵列数量差距更大，上下行链路不平衡的现象进一步扩大 ;但对于5G来说，许多目标应用如视频直播等将会产生与下行相同量级的上行业务量，这类应用需要5G网络具备连续的、高质量的上行覆盖能力。因此，上行覆盖通常是5G覆盖部署的瓶颈。

下面采用链路预算的方法对国内不同 5G 频段的上下行不平衡差值进行定量分析。链路预算是结合规划覆盖目标，计算基站和终端之间允许的最大路径损耗，结合 5G 的电波传播模型，估算得到上下行链路覆盖半径和站间距的过程。不同频段5G 上下行链路不平衡的现象和程度可以通过最大路径损耗和覆盖半径看出，上行链路和下行链路最大路径损耗计算公式分别参见式(1)、(2)。

PL_UL=Pout_UE+Ga_BS+Ga_UE-LfBS-Mf-MI-Lp-Lb-SBS(1)

PL_DL=Pout_BS+Ga_BS+Ga_UE-LfBS-Mf-MI-Lp-Lb-SUE (2)

其中：为上行链路最大传播损耗(dB)，PL_DL 为下行链路最大传播损耗(dB)，Pout_UE 为终端最大发射功率(dBm)， Pout_BS 为基站最大发射功率(dBm)，Ga_BS 为基站天线增益(dBi)， Ga_UE 为终端天线增益(dBi)，LfBS 为馈线损耗(dB)，Mf 为阴影衰落余量(dB)，MI 为干扰余量(dB)，Lp 为建筑物穿透损耗(dB)，Lb 为人体损耗(dB)，SUE 为基站接收灵敏度(dBm)，为终端接收灵敏度(dBm)。

5G 上下行覆盖范围受许多因素影响，包括发射功率、传输损耗和接收机接收灵敏度。下面采用链路预算的方法，分析不同5G频段上下行链路之间的覆盖差距，其中工作带宽、子载波间隔和时隙配比等均选择该频段的典型值，如表1所示。

以一般城区场景为例，不同频率和天线配置的上下行覆盖对比如图2和图3所示。

从上行覆盖距离来看，中频较低频相差较大 ;从下行覆盖距离来看，中频利用大规模天线能够实现与低频相近的覆盖距离，而对于小区中心用户，由于中频具有更大的带宽，因此能够提供比低频段高得多的传输速率。由此可以看出，中频的小区覆盖主要受到上行覆盖的限制。

国内典型5G频段上下行不平衡功率差值如表2所示。对于2.6GHz、3.5GHz和 4.9GHz等中频段来说，上下行不平衡的功率差值均在15dB 以上，远大于 700MHz 低频段上下行不平衡的差值。

基于链路预算得到的上下行不平衡功率差值、覆盖半径差值均可以看出，上行覆盖成为中高频部署的关键瓶颈。

２5G增强上行覆盖技术

目前，3GPP 规范已经演进到 Release16 版本，整体来看，有几种可用于增强 5G 上行覆盖的技术，包括双连接、上下行解耦、载波聚合和超级上行。

2.1 双连接

双连接是 3GPP Release 12[1] 版本引入的技术，利用此技术 LTE 宏站和 LTE 微站可以利用现有的非理想回传 X2 接口来实现载波聚合，为用户提供更高的速率、提高频谱效率和实现负载平衡。3GPP Release 14[2] 在 LTE 双连接技术基础上定义了 LTE 和 NR 的双连接技术，可实现 LTE 和 5G 融合组网。基于目前 4G 较为全面的覆盖，在 5G 早期可以基于现有的 LTE 核心网实现网络快速部署和方案验证 ;后期 5G 核心网建成之后，5G 系统实现独立组网(Stand Alone, SA)，这种情况下虽然 5G 可以提供更高速的数据业务和更高的业务质量，但是在某些覆盖不足的地方，仍然可以借助LTE 系统来提供更好的覆盖 ;通过 LTE 和 5G 的联合组网来实现无缝的网络覆盖，提高整个网络系统的无线资源利用率、降低系统切换时延以及提高用户和系统性能 [3]。

3GPP Release-14 定义了多种LTE 和 5G NR双连接模式：3/3a/3x、4/4a 和 7/7a/7x[2]。下面以国内用得较多的 3/3a/3x 为例介绍协议架构，在该模式下，LTE 和 5G 基站都连接在 LTE 核心网上，LTE eNB 总是作为主 eNB(MeNB)， 5G gNB 为从 eNB(SeNB)，LTE eNB 和 5G gNB 通过 Xx 接口连接互连。控制面上 S1-C 终结在 LTE eNB，LTE 和 5G 之间的控制面信息通过 Xx-C 接口进行交互。但用户面在不同的双连接模式下，有不同的用户面协议架构，3/3a/3x 架构分别如图 4 所示。

3GPP 中为双连接技术定义了不同的频段组合[4]，一般用于上行覆盖增强的为中高频和较低频的组合。下面以 3.5GHz(5G TDD 模式)和 2.1GHz(4G FDD 模式)频段，常用的选项 3x 连接模式为例，介绍双连接技术。如图 5 所示，在近中点，基站下行 4G 和 5G 同时传输信息，容量为两载波之和 ;终端上行在4G和5G 上各占用一根天线发送数据，共享 23dBm 功率。在远点，超出5G基站覆盖范围，下行连接到 4G 基站上，终端上行在4G上传输，天线功率最大为23dBm。由此可见，双连接在 5G 建网初期对保证无缝的网络覆盖，提高用户和系统性能具有重要意义。

2.2上下行解耦

基于 5G 上下行覆盖不平衡的现象，华为在3GPP中提出了上下行解耦技术，该技术在 3GPP Release 15[5-8] 中进行了标准化，该技术可以直观地解释为：将一个蜂窝小区中的上行载波和下行载波配置在不同频段内的频点上。传统移动通信的终端接入策略是基于下行导频信号的强度选择信号最强的基站作为服务接入点，且上行和下行传输均接入同一个基站。上下行解耦的终端接入策略是在上下行覆盖均较好的区域，基于传统的参考信号接收功率(RSRP，Reference Signal Received Power)的基站接入策略，终端上下行均接入同一个基站 ;但是在下行覆盖较好，上行覆盖受限的区域，终端上行和下行解耦接入，即下行链路采用传统接入策略，接入参考下行导频信号强度最优的基站，上行链路则接入上行覆盖更优的基站，基站会指示终端上行载波信息和上行载波选择门限。

SUL 载波可以通过三种方式获得：1、NR 在成对频谱上与 LTE 载波共享 ;2、NR 与 LTE 载波频分复用 ;3、NR 使用非成对频谱上的补充载波。通常上下行解耦 SUL 载波为 Sub 3GHz 等较低频段，3GPP 对上下行解耦的初始接入、功率控制、上行发送同步调整、调度与反馈等均进行了要求，给出了多种SUL 频段组合[9]。

下面以 3.5GHz 和 2.1GHz 为例，介绍上下行解耦技术。如图6所示，在近中点，3.5GHz 上下行均有较好覆盖，上下行均采用3.5GHz 频段，在远点，3.5GHz下行覆盖依然较好，但3.5GHz上行覆盖受限(取决于上行载波选择门限)，而 2.1GHz 频段有较好的上行覆盖时，可激活2.1GHz 的SUL载波，上行切换到较低频段 2.1GHz。这种采用低频段进行上行补充传输的技术，可以显著增强5G中高频段上行覆盖 ;同时，由于部分上行传输迁移到了其他频段，5G可以分配更多的下行无线资源，可以提升下行传输容量 ;但是，这也需要系统拥有更精细的资源调度，以降低对现有系统的影响。

2.3 载波聚合

载波聚合是指同时在两个或两个以上的载波上为用户配置传输的技术，其中每个独立的载波称为成分载波(CC，Component Carrier)。载波聚合不改变物理层结构，主要通过MAC 层聚合多个成分载波，增加传输带宽，提高传输速率。3GPP 在 Release10[10] 中引入了载波聚合技术，并在之后的版本不断提出了相关演进。

载波聚合根据一定的激活机制对聚合的辅载波激活，主载波和辅载波共同为终端提供服务。对于终端来说，主载波小区上的系统信息获取与非载波聚合模式下的相同，辅载波上的系统信息通过 RRC 重配置信息进行获取。根据分载波位置的不同，载波聚合可以分成三种类型：带内连续载波聚合、带内非连续载波聚合和带间载波聚合，如图7所示。带内连续载波聚合是指聚合的成分载波是同一频段内的相邻载波 ;带内非连续载波聚合是指聚合的成分载波同样位于相同的频段上，但不要求彼此相邻;带间聚合是将不同频段上的成分载波聚合。目前，5GNR 技术最大支持16CC 的载波聚合，具体支持的载波聚合频段组合参见 3GPP[9]。一方面，载波聚合能够显著提高传输带宽，从而提高传输速率 ;另一方面，如果中频载波和低频载波聚合，就可以支持上行覆盖增强。

3GPP中CA 的频段组合有很多，一般用于上行覆盖增强的为中高频和低频的组合。下面以 3.5GHz 和 2.1GHz 为例，介绍载波聚合技术的上行覆盖增强。如图 8所示，对下行来说，无论是在近中点还是远点，都可以通过载波聚合来增加容量。对上行来说，在近中点，终端可以使用两个频段的载波共享23dBm 的功率发送数据 ;在远点，由2.1GHz FDD 频段保证上行覆盖。载波聚合有利于近中点和远点下行容量、近中点上行容量的提升，此外，也有利于远点上行覆盖的保证，但是由于载波聚合设计之初主要考虑进行容量增强，如用于远点的覆盖增强，在近中点边缘可能会出现 3.5GHz 和 2.1GHz 主辅载波不断切换的乒乓效应，还需进一步对协议进行规范。

2.4 超级上行

超级上行是一种 FDD/TDD 时频域复用聚合提升上行覆盖和容量的技术，在3GPP Release 16[11] 中开始立项研究。超级上行终端以时分复用方式使用两个上行载波，同一时刻仅在一个载波上发送。通过超级上行技术，终端可利用低频FDD和中高 TDD的上行资源，实现网络覆盖、容量性能的提升和更低的空口时延，满足 5G 时代应用对于更大上行流量和更低时延的需求。

超级上行提出了 FDD/TDD 时频域资源复用的思想，可包含SUL 时频域聚合、CA 时频域聚合等场景，这也是目前产业界支持度相对较高的两种超级上行场景。表5 以 3.5GHz 2.5ms 双周期时隙和2.1GHz 频分双工为例，分析了不同上行增强覆盖技术的时频关系。

下面以 3.5GHz和2.1GHz 为例，介绍超级上行的 SUL 方案用于上行覆盖增强。对于SUL来说，在近中点，5G上下行使用 3.5GHz，带宽较大速率更高 ;在远点，3.5GHz 上行覆盖不足，才会激活 2.1GHz 低频段作为补充上行。对于3.5GHz 来说，是时分双工的工作方式，且下行时隙资源多于上行，超级上行利用时频域复用聚合的思想，对 SUL 进行了改进。在近中点，把辅助频段 2.1GHz 也用起来，在 3.5GHz 主载波的下行时隙 2.1GHz 辅助载波进行上行数据上传，但是到3.5GHz 主载波的上行时隙，上行时隙又交还给 3.5GHz 主载波，如图9所示。这相当于实现了 3.5GHz TDD 主载波和 2.1GHz FDD辅载波的轮发，在近中点所有时间都可以上行发送数据，不但上行速率得到提升，还可以降低下行数据反馈时延，从而间接提升下行速率。

下面以 3.5GHz 和 2.1GHz 为例，介绍超级上行的 CA 方案用于上行覆盖增强。对于 CA 来说，在近中点，终端可以使用3.5GHz 和 2.1GHz两个频段共享23dBm的功率同时发送数据，在远点，终端利用 2.1GHz FDD 频段上行发送数据。因为 3.5GHz TDD 具有更大的带宽，一般为100MHz，而2.1GHz FDD 带宽通常较小，一般只有20MHz，在近中点上行两个频段各占用一根天线发送数据是不经济的，如果两根天线尽量采用 3.5GHz TDD频段传输容量会更大。超级上行的 CA场景利用时频域复用聚合的思想，对其进行了改进。在近中点，在3.5GHz 的TDD下行时隙，上行可以通过 2.1GHz 载波以 23dBm 功率上行发送，在3.5GHz 的 TDD 上行时隙切换到3.5GHz TDD 载波上进行发送，这样也相当于实现了3.5GHz TDD和 2.1GHz 的轮发，如图10所示，这种轮发机制可以使单频段上行功率增加，从而可以给小区近中点用户提供更优的上行性能。

３5G增强上行覆盖技术对比

双连接、上下行解耦、载波聚合、超级上行等技术均可以增强5G的上行覆盖。不同技术的对比可以参见表6。

对于双连接技术来说，主要面向非独立组网(NSA， Non-Stand Alone)的建网模式，基于 LTE 网络较好覆盖的现状，利用LTE 网络来补充5G的覆盖，在5G建网初期实现网络快速部署的方案。对于国内，NSA建网主要参考选项3的架构，借助 LTE 网络作为锚点承载5G基站信令，借助双连接技术可以承载较大容量。后期5G核心网建成后，5G系统可以实现独立组网，这种情况下虽然5G可以提供更高速的数据业务和更高的业务质量，但是在某些覆盖不足的地方，仍然可以借助LTE 系统来提供更好的覆盖。

对于上下行解耦技术来说，主要利用低频段传播特性比较好的特点，在5G中高频下行覆盖能力较好，但上行覆盖较弱的区域，将低频作为补充上行频段来增强5G 中高频上行弱覆盖区域。低频段主要采用 FDD 的双工方式，通常移动通信下行容量需求远大于上行容量需求，低频段 SUL 和 FDD 共享上行频率资源，使频谱资源得到更充分利用。上下行解耦为同一小区的操作，增加的信令开销较小。

对于载波聚合技术来说，设计之初主要是用于增加容量，由于聚合了不同的载波，载波聚合能够显著提高传输带宽，从而提高传输速率。如果中频载波和低频载波聚合，低频段载波覆盖大于中高频段载波，就可以利用低频段载波支持上行覆盖增强。不同于SUL可以共享FDD低频段上行载波，载波聚合上下行频段同时占用，不可共享 ;此外，载波聚合为不同小区的操作，增加的信令开销较大。

对于超级上行技术来说，主要思想是利用 FDD 和 TDD 频段进行时频域复用聚合提升上行覆盖和容量，可包含 SUL时频域聚合、CA时频域聚合等场景。其在 SUL 和 CA 上的核心改进主要是对小区近中点，可以支持终端以时分复用方式使用两个上行载波，但同一时刻仅在一个载波上发送，更好地利用频率资源和时隙资源，实现网络覆盖、容量性能的提升以及更低的空口时延，满足5G时代应用对于更大上行流量和更低时延的需求。频率资源的共享、信令开销的增加与 SUL、CA 类似。

4结论

5G作为新基建的建设方向之一，在未来几年会有大幅的规划建设。国内目前分配给5G的频段包括中频(2.6GHz、3.5GHz 和 4.9GHz)、低频(700MHz)，未来可能还会包括高频。利用中高频进行5G覆盖，会有上下行链路不平衡的现象。本文计算了国内不同5G频段的上下行覆盖差异，对比分析了双连接、上下行解耦、载波聚合和超级上行等几种可用于增强上行覆盖的技术，可为5G上行增强覆盖方案选择提供参考。值得注意的是，对于运营商具体部署来说，由于获得了不同的5G频率，且4G部署现状、5G未来发展规划、共建共享合作伙伴等差异，选择的上行增强覆盖策略会有差异，通常视具体情况而异。

参考文献

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[ 11 ] 3GPP R P - 19 25 64 . Ne w SID on NR c ov e ra g e enhancement[S].2019.

第一作者简介

肖婧婷，女，1994 年生，国家广播电视总局广播电视科学研究院助理工程师，研究方向为5G无线传输技术、广播电视传输技术等。