5G SUL上行增强技术研究及应用

［黄智瀛 白锡添 杜安静］

1 引言

随着我国5G网络的建设的稳步推进，目前已建设为一张全球最大的5G网络，5G 业务在AI、AR、视频直播、视频监控以及各垂直行业得到了广泛应用，5G 用户增长迅速。中国移动目前将2.6 GHz 作为5G网络主用频段，采用TDD 双工模式。网络采用的频段越高，传播损耗就越大，对应的深度覆盖能力越差，2.6 GHz 频段相对于1.8 GHz频段的传播损耗多8 dB 左右。如要达到相近的覆盖范围，5G 的发射功率比4G 要求更高，基站侧的AAU 可以直接增加发射功率（目前AAU 的功率可达320 W），但UE侧的功率则受限于协议规定的最大值(双天线的手机最大值为26 dBm，即400 mW)，导致5G上行覆盖不足，用户上行体验不佳。同时，中国移动5G 的时隙配比为8:2，上行时隙资源有限，也会影响大流量用户的上行体验。因此，需要引入SUL上行增强技术，通过2.6 GHz 加1.8 GHz 的高低频与时频联合调度，使能上行全时隙调度，提升5G用户的上行体验和覆盖能力。

2 5G上行增强技术概况

针对5G上下行覆盖不平衡的问题，3GPP 引入了多种上行增强技术，主要包括双连接、上下行解耦、超级上行、载波聚合等。

（1）双连接

在双连接模式下，5G 终端可以同时连接5G基站和4G基站，其中连接的4G LTE 一般采用较低的频段，在5G 覆盖不足的地方，由4G LTE 提供覆盖补充，通过5G与LTE 联合组网实现良好的连续覆盖。比如中国移动采用的双连接模式 Option 3/3a/3x 架构中，LTE 与5G基站都接入4G 核心网，其中LTE基站为主节点，5G基站作为辅节点，UE 的控制面信令终结在LTE基站，用户面数据则可根据具体实现方式由5G基站或LTE基站传输。

（2）上下行解耦

由于5G在上下行覆盖上的不平衡，3GPP 引入了上下行解耦技术。5G 的上下行解耦是在一个NR 小区中有一个下行载波和两个上行载波，两个上行载波中一个是普通的频段较高、频带较宽的NR NUL上行载波，另外一个是部署在频点较低（如1.8 GHz）的频段上的NR SUL上行载波。即在同一个NR 小区中将同时存在一个大带宽的下行载波和一个覆盖优异的上行载波。因此，该技术既保证了5G网络的下行峰值速率，又改善了中远点的上行覆盖，提升了5G 用户的满意度和5G网络性能。

（3）超级上行

超级上行是另外一种TDD/FDD 时频域复用聚合提升上行覆盖和容量的技术。超级上行技术包含SUL 时频域聚合、CA 时频域聚合等场景，通过将TDD 和FDD 协同，高频和低频互补，时域和频域聚合，充分发挥TDD 高频的大带宽能力，同时利用FDD 频段低、穿透力强的特点，同时提升上行带宽和远点覆盖能力。

（4）载波聚合

载波聚合（CA）同时在两个或两个以上的成分载波上传输数据，在LTE网络中已得到了充运用，该技术也可以应用于5G上行覆盖增强方面。在5G 载波聚合时，通过中频载波与低频载波聚合，让流量同时承载于高频段和低频段，就可以增强上行覆盖和用户体验。

本文主要对5G上行增强技术中的上下行解藕技术进行研究和应用，即通过NR SUL上行载波的方式来提升上行性能。

3 基于SUL 的上行增强的主要技术特征

3.1 SUL上行增强的核心思想

5G上下行解耦技术的核心思路是为5G上行引入SUL 频段，NR 根据需要可灵活地调整上行使用的频段。基于SUL上行增强方案通过将上行数据分时在NR TDD 和NR SUL 频段上发送，极大地增加了5G 用户的上行可用时频资源。其基本原理为：在TDD 频谱的上行时隙，可使用NRTDD 或SUL 频谱进行上行数据发送；在TDD 下行时隙，使用空闲的SUL 频谱补充进行上行数据发送，实现上行数据可以在全时隙发送。SUL上行增强原理如图1 所示。

图1 SUL上行增强原理图

3.2 上行TDM 调度

基于SUL 的上行增强方案，下行链路承载在NR TDD 载波，上行链路承载在NR TDD 和NR SUL 载波。NR SUL 载波在NR TDD 下行时隙对应的NR SUL 时隙上使用，此时特殊时隙上的上行子帧不再发送数据。

由于NR TDD 的子载波间隔为30 kHz，NR SUL 载波的子载波间隔为15 kHz，NR TDD 载波与NR SUL 载波的时隙数量比例是2:1，因此调度时需要考虑不同时序的调度。NR 引入了灵活的调度机制，协议引入k1 和k2，以保证gNodeB 和UE 间的调度时序不错乱。其中，k1 用于确定下行数传的HARQ 时序，k2 用于确定上行调度时序，k1 和k2基于算法自动计算得到。gNodeB 通过DCI消息将k1 和k2 参数下发给UE。

3.3 上行功率控制

上行增强方案的NR TDD 和NR SUL 载波单独进行功率控制，gNodeB 通过TPC 单独指示UE 两个载波的功率调整值，UE 也在两个载波上单独上报PHR 值。NR SUL 与NR TDD 载波的上行功率控制差异点在于：NR SUL 载波没有下行链路，因此采用NR TDD 下行链路进行路损估计。采用NR TDD 载波下行链路获得路损估计会大于实际路损情况，因此会导致NR SUL上行发射功率过高，导致上行干扰提升。因此gNodeB 会根据NR SUL 和NR TDD 载波的路损差调整NR SUL 载波各信道的功率谱水平，给UE 下发如下调整值：

（1）P0_pre：gNodeB 期待接收到的preamble 功率谱水平

（2）P0_PUCCH：gNodeB 期待接收到的PUCCH 功率谱水平

（3）P0_PUSCH：gNodeB 期待接收到的PUSCH 功率谱水平

3.4 定时提前

上行增强方案场景下，NR TDD 载波和NR SUL 载波共用一个TAG（Timing Advance Group）。对于近点用户，根据NR TDD 载波计算定时提前量；对于远点用户，根据NR SUL 载波计算定时提前量。两者的切换点根据算法门限（NRDUCellSul.SrsRsrpThld）进行指示：

当NR TDD SRS RSRP ≥ NRDUCellSul.SrsRsrpThld +hyst（2 dB），则优选根据NR TDD 载波计算定时提前量。

当NR TDD SRS RSRP ＜ NRDUCellSul.SrsRsrpThld–hyst（2 dB），则优选根据NR SUL 载波计算定时提前量。

当NR TDD 开启载波聚合后，支持PCC、SCC 和SUL 载波共用一个TAG。gNodeB 根据PCC SRS RSRP 判断远近点，近点用户优选根据PCC、SCC 载波计算定时提前量，远点用户优选NR SUL 载波计算定时提前量。

3.5 移动性管理

UE 的移动性管理分为系统内移动性管理和系统间移动性管理。系统内移动性管理包含：同频切换、异频切换、异频重定向、异频盲重定向。系统间移动性管理包含：异系统切换、异系统重定向、异系统盲重定向。支持上行增强方案的UE在上行增强方案小区间移动时，切换和重定向时需要重新选择NR TDD 链路。当切换入或重定向入上行增强方案小区时，对于支持上行增强方案的UE，会同时下发NR SUL 载波的信息用于UE 接入。

3.6 上行联合接收

由于NR TDD 载波和NR SUL 载波使用不同的天线，工程实施误差会导致NR TDD 载波和NR SUL 载波的覆盖方位角不一致，影响上行增强方案增益。通过NR SUL上行联合接收功能可以弥补覆盖方位角不一致（夹角30°以内）情况下的增益影响，提升交叠区用户的上行接收性能，进而提升交叠区的吞吐率。

3.7 上行频谱共享

上下行解耦解决了上下行覆盖的问题，但是由于当前低频频段已经被LTE 占用，难以给SUL 部署新频段，LTE 与NR 频谱共享则可以解决SUL 的频谱资源问题。LTE 与NR 频谱通过FDM 的形式实现上行频谱共享。考虑到现网上下行业务不平衡，FDD 低频段上行频谱利用率低的特点，通过上行毫秒级动态频谱共享获取低频段的上行频谱，使NR SUL 和FDD LTE在同一频段内基于业务需求进行动态分配，实现上行频谱共享。SUL上行频谱共享原理如图2 所示。

图2 SUL上行频谱共享原理图

在同一TTI 内，FDD LTE上行与NR SUL 使用不同的频谱资源，在LTE 频谱中共享部分频谱给NR SUL。

4 应用效果

深圳移动选择FDD 1.8 GHz 作为NR 2.6 GHz 的NR SUL 频段，通过高低频时频联合调度，使能上行全时隙调度，提升上行体验和覆盖。在中心政务区选择一批站点，开通SUL上行增强功能，SUL上行增强打开前后的增益对比如表1 所示，可见上行速率增益明显。

表1 NR SUL上行增强打开前后的增益对比

5 结束语

针对5G网络频段较高，上下行覆盖不平衡的问题，需要通过上行增强技术来进行弥补。本文介绍了5G上行增强技术的基本情况，分析了基于SUL 的上行增强的主要技术原理和特征，并在实际网络中进行了应用，通过2.6 GHz 与1.8 GHz 高低频时频联合调度，使能上行全时隙调度，提升了5G 用户的上行体验和覆盖范围。