基于TDD/FDD協(xié)同的5G上行增強(qiáng)方案分析

　　摘要：針對(duì)如何提升3.5 GHz的上行覆蓋和容量的問(wèn)題，首先評(píng)估了基于2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)的3.5 GHz頻段的覆蓋和容量性能，然后從上行覆蓋、上行容量、終端復(fù)雜度等角度分析了現(xiàn)有方案的性能優(yōu)劣，并提出采用超級(jí)上行技術(shù)可以在不增加終端硬件復(fù)雜度的前提下，充分利用LTE FDD的閑置頻譜資源實(shí)現(xiàn)5G TDD系統(tǒng)的上行覆蓋和容量的有效提升，最后通過(guò)鏈路預(yù)算和系統(tǒng)級(jí)仿真，證明了上行增強(qiáng)方案對(duì)于3.5 GHz NR網(wǎng)絡(luò)的上下行性能均有增益。

　　關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò);TDD/FDD協(xié)同;上行覆蓋;上行容量;上行增強(qiáng)方案

　　《長(zhǎng)沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)》以鄧小平理論和“三個(gè)代表”重要思想為指導(dǎo)，堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)，開(kāi)拓進(jìn)取，為通信技術(shù)教育、高等職業(yè)教育服務(wù)。

　　1 引言

　　2018年6月14日，3GPP RAN#80次會(huì)議上完成了5G NR SA獨(dú)立組網(wǎng)功能凍結(jié)，5G的第一版規(guī)范正式發(fā)布，隨后全球的領(lǐng)先運(yùn)營(yíng)商都積極開(kāi)展5G部署的工作。在5G頻譜方面，3.5 GHz(3 400 MHz—3 600 MHz)具有200 MHz連續(xù)頻譜資源，是目前sub-6 GHz以下有限的使用頻率之一，也是5G產(chǎn)業(yè)界公認(rèn)的熱門(mén)頻譜之一。目前中國(guó)移動(dòng)已獲得2.6 GHz與4.9 GHz頻段，中國(guó)聯(lián)通與中國(guó)電信分別獲得3.5 GHz頻段中的各100 MHz頻譜用于各自的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

　　如圖1所示，3.5 GHz頻段將采用2.5 ms雙周期的幀結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是每5 ms里面包含5個(gè)全下行時(shí)隙、三個(gè)全上行時(shí)隙和兩個(gè)特殊時(shí)隙，Slot3和Slot7為特殊時(shí)隙，配比為10：2：2(可調(diào)整)。該幀結(jié)構(gòu)上行時(shí)隙占比僅為30%，上行采用64QAM時(shí)上行峰值速率約為375 Mbit/s。

　　目前的LTE FDD網(wǎng)絡(luò)上行忙時(shí)資源利用率通常僅為下行的一半左右，上行頻譜資源利用率明顯低于下行頻譜，其主要原因是目前的業(yè)務(wù)仍然是以下行流量為主。隨著在線直播、視頻電話等對(duì)于上行流量占比較多的業(yè)務(wù)興起，其在網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)比例已越來(lái)越高，因此未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和部署中保障這些高清視頻業(yè)務(wù)對(duì)于上行覆蓋和容量的要求。

　　在實(shí)際部署中，3.5 GHz NR TDD相對(duì)于LTE FDD網(wǎng)絡(luò)中所廣泛采用的1.8 GHz和2.1 GHz頻段，具有如下特點(diǎn)：

　　(1)更大的穿透損耗：由于3.5 GHz頻段相對(duì)于1.8 GHz/2.1 GHz較高，根據(jù)測(cè)試結(jié)果室外有6 dB～7 dB的路損差，室外打室內(nèi)有約20 dB的差異，在特殊復(fù)雜環(huán)境中可以達(dá)到30 dB的差異[1]。

　　(2)更少的上行占空比：LTE FDD上行時(shí)隙連續(xù)，3.5 GHz NR TDD上行占空比僅為30%，制式上的差異導(dǎo)致覆蓋進(jìn)一步收縮。

　　雖然5G網(wǎng)絡(luò)中引入了Massive MIMO等先進(jìn)的物理層技術(shù)，可以部分縮小與LTE FDD在傳播損耗和FDD和TDD在制式上的差異，但是考慮到部分場(chǎng)景仍需通過(guò)室外覆蓋室內(nèi)的情況下，基于單純的3.5 GHz頻率建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)的成本仍然非常高。同時(shí)，一些頻譜相對(duì)充裕的運(yùn)營(yíng)商提出了在4.9 GHz采用上行優(yōu)先的幀結(jié)構(gòu)(DSUUU)以滿足上行容量較高的業(yè)務(wù)的需求[2]。因此擁有3.5 GHz的運(yùn)營(yíng)商需要考慮如何提升3.5 GHz上行性能，以滿足網(wǎng)絡(luò)部署和不同類(lèi)型業(yè)務(wù)的需求。目前產(chǎn)業(yè)界針對(duì)上述問(wèn)題有如下三種上行性能的提升方案：上行載波聚合(Uplink CA)、上行補(bǔ)充載波(SUL， Supplementary Uplink)、超級(jí)上行技術(shù)(Super Uplink)，其主要思想是通過(guò)聚合LTE FDD的閑置頻譜來(lái)實(shí)現(xiàn)NR TDD系統(tǒng)的性能。

　　2 3.5 GHz上行覆蓋和容量評(píng)估

　　3.5 GHz NR幀結(jié)構(gòu)以滿足eMBB連續(xù)覆蓋為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。本節(jié)首先通過(guò)系統(tǒng)級(jí)仿真分析在不同站間距(350 m和500 m)不同用戶分布情況的(20%室外用戶，100%室外用戶)條件下，以50%用戶吞吐量為小區(qū)容量統(tǒng)計(jì)指標(biāo)時(shí)，基于3.5 GHz頻段的5G網(wǎng)絡(luò)的上行性能。

　　其中信道條件采用3GPP UMA NLOS條件，室內(nèi)穿透損耗為26 dBm，業(yè)務(wù)源模型采用FTP Model 1模型以及2 MByte包大小，包的達(dá)到率在ISD=350 m時(shí)采用13.5，在ISD=500 m時(shí)，包到達(dá)率采用7.5，從而構(gòu)造系統(tǒng)負(fù)荷在50%～70%左右的干擾場(chǎng)景。如圖2所示，仿真結(jié)果表明室外覆蓋室內(nèi)的場(chǎng)景下，小區(qū)上行容量在350 m站間距場(chǎng)景中僅為28 Mbit/s左右。因此未來(lái)5G部署過(guò)程中對(duì)于一些室分系統(tǒng)難以進(jìn)去的區(qū)域，單純采用3.5 GHz進(jìn)行組網(wǎng)可能難以滿足室內(nèi)用戶對(duì)于上行高流量業(yè)務(wù)的需求。

　　本文通過(guò)鏈路預(yù)算分析不同的上行目標(biāo)速率下的小區(qū)覆蓋半徑，來(lái)評(píng)估3.5 GHz的覆蓋能力。同時(shí)將現(xiàn)網(wǎng)LTE FDD 2.1 GHz頻段和僅配置30%上行資源的2.1 GHz頻段進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的描述，本文選擇了UMA NLOS模型中小區(qū)的覆蓋半徑和路損的計(jì)算公式，如公式(1)和(2)所示：

　　(1)

　　(2)

　　根據(jù)上述仿真參數(shù)和假設(shè)，圖3和圖4分別給出了目標(biāo)速率從512 kbit/s到5 Mbit/s時(shí)室外覆蓋場(chǎng)景和室外覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景的覆蓋半徑的差異。

　　仿真結(jié)果表明：

　　(1)在室外場(chǎng)景中，3.5 GHz和2.1 GHz的路損差異相對(duì)較小，加之3.5 GHz具有大帶寬和多天線的技術(shù)，因此其上行覆蓋優(yōu)于2.1 GHz。

　　(2)在室外覆蓋室內(nèi)的場(chǎng)景中，3.5 GHz和2.1 GHz的路損差異較大，相關(guān)接收技術(shù)無(wú)法彌補(bǔ)路損的差異，從而導(dǎo)致3.5 GHz的上行覆蓋要差于2.1 GHz。

　　(3)相同占空比時(shí)，3.5 GHz的覆蓋要優(yōu)于2.1 GHz

　　基于上述結(jié)果，在小區(qū)的近、中點(diǎn)，可以在發(fā)揮3.5 GHz覆蓋和容量?jī)?yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，同時(shí)利用3.5 GHz下行發(fā)射時(shí)在2.1 GHz頻段的上行閑置資源，實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)速率的進(jìn)一步提升。因此基于上行3.5 GHz和2.1 GHz的頻譜聚合技術(shù)在理論上具有顯著的增益和價(jià)值。

　　3 三種上行性能提升方案

　　隨著蜂窩移動(dòng)通信發(fā)展到5G時(shí)代，為了滿足更高的速率需求，5G一方面采用以Massive MIMO為代表的新型空口技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率，另一方面采用頻譜聚合技術(shù)進(jìn)一步增大系統(tǒng)帶寬和更加充分地增加頻譜的利用率。針對(duì)TDD/FDD聚合的頻譜使用技術(shù)，本節(jié)將分別介紹三種候選技術(shù)的原理，并進(jìn)行相關(guān)的性能分析。

　　(1)上行載波聚合

　　在CA系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)利用多個(gè)成員載波同時(shí)為用戶提供數(shù)據(jù)傳輸，各組成載波在MAC層聚合，網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)終端MAC層對(duì)鏈路質(zhì)量的反饋快速適配空口能力，其調(diào)度靈活性相對(duì)較好。從協(xié)議棧的角度來(lái)看，CA終端只有一個(gè)RRC連接且主小區(qū)(PCell)維護(hù)，主小區(qū)對(duì)應(yīng)的載波稱(chēng)為主載波，被聚合的組成載波稱(chēng)為該CA終端的輔載波，對(duì)應(yīng)的小區(qū)則稱(chēng)為輔小區(qū)(SCell)。載波聚合中對(duì)于上下行的載波數(shù)量也有明確的約束，即上行載波數(shù)量需要小于或等于下行載波的數(shù)量。因此當(dāng)上行采用兩載波聚合時(shí)，其下行載波數(shù)量需要大于或者等于兩個(gè)載波。

　　目前在3.5 GHz與低頻頻段的CA組合中，上行的發(fā)射功率受到一定的限制，其中兩個(gè)上行載波最大僅能共享23 dBm的功率進(jìn)行發(fā)射，并且每個(gè)載波僅能支持單天線進(jìn)行發(fā)射。因此這些限制了終端的上行性能。此外，上行載波聚合的終端設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)還包括如何在射頻部分避免多載波之間的干擾，例如互調(diào)干擾。本節(jié)以1.8 GHz和3.5 GHz為例，3.5 GHz對(duì)1.8 GHz的二階互調(diào)MSD高達(dá)26 dB，如此高的靈敏度回退會(huì)導(dǎo)致UE在1.8 GHz的下行接收無(wú)法正常工作，為了解決該問(wèn)題，3GPP也提出了諸多解決方案，但是無(wú)論哪種方案，都是要么提高了終端的設(shè)計(jì)成本，要么降低了上行覆蓋性能。

　　(2)上行補(bǔ)充載波

　　與LTE相比，5G新頻段頻率較高傳播損耗較大，對(duì)終端側(cè)上行傳輸帶來(lái)更大挑戰(zhàn)，為了彌補(bǔ)上行覆蓋的短板，3GPP Rel-15提出了上行補(bǔ)充技術(shù)，主要思想是下行僅采用單載波配置時(shí)，利用頻率相對(duì)較低的LTE頻段傳輸NR上行信號(hào)。相應(yīng)的載波被稱(chēng)為SUL載波，SUL載波不能獨(dú)立使用，只能在與普通的NR載波聚合后使用。目前SUL為了支持NR和LTE上行載波的快速切換，受限于當(dāng)前終端通道數(shù)的限制，在NR載波上僅能支持單天線發(fā)射，從而導(dǎo)致了在NR上行功率無(wú)法采用26 dBm以及上行無(wú)法采用雙流發(fā)射等問(wèn)題，同時(shí)考慮到下行采用4天線接收，上行單根天線的設(shè)計(jì)也帶來(lái)了終端側(cè)上行插損的增大等問(wèn)題。

　　(3)超級(jí)上行

　　中國(guó)電信在2019年上海MWC通信展上提出了“超級(jí)上行”的概念，旨在進(jìn)一步增強(qiáng)5G體驗(yàn)，更好地優(yōu)化用戶服務(wù)感知，增強(qiáng)差異化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可實(shí)現(xiàn)TDD/FDD協(xié)同、高頻/低頻互補(bǔ)、時(shí)域/頻域聚合，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)的上行能力，降低時(shí)延。超級(jí)上行本質(zhì)上是一種基于TDD/FDD上行載波時(shí)分發(fā)射的方式，下行可以采用單載波或者載波聚合的方式。由于采用時(shí)分方式進(jìn)行工作，因此在NR上行載波中可以采用2天線和26 dBm進(jìn)行發(fā)射，其性能優(yōu)于上行載波聚合和SUL。

　　4 超級(jí)上行的增益評(píng)估

　　超級(jí)上行相對(duì)于上行載波聚合和SUL而言，其性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：

　　(1)3.5 GHz上行雙天線發(fā)射;

　　(2)3.5 GHz上行可以使用26 dBm發(fā)射。

　　其中上行雙天線發(fā)射相對(duì)于單天線發(fā)射，在理論上不僅對(duì)于上行方向有增益，同時(shí)對(duì)于下行方向也是有增益的。本節(jié)將結(jié)合鏈路仿真，分別從下行和上行兩個(gè)方向分析一下上行雙天線對(duì)于單天線的性能增益。

　　(1)上行雙發(fā)對(duì)下行接收的增益

　　由于目前5G終端普遍采用4接收，因此本節(jié)主要比較2T4R相較于1T4R對(duì)下行的增益，原理上其增益主要來(lái)源于：

　　1)1T4R比2T4R完成4端口的SRS輪發(fā)時(shí)間更長(zhǎng)：非理想信道估計(jì)條件下，誤差隨完整的SRS輪發(fā)周期的變長(zhǎng)而增加，從而導(dǎo)致終端接收側(cè)的等效信噪比下降;

　　2)1T4R相比2T4R設(shè)計(jì)上可能存在插損，導(dǎo)致下行性能下降。

　　圖5給出了在下行雙流和四流的場(chǎng)景下，2T4R和1T2R在不同SNR條件下的吞吐量對(duì)比，由于1T4R的SRS周期是2T4R的兩倍，在移動(dòng)場(chǎng)景下不能及時(shí)反映信道的信息導(dǎo)致賦型不準(zhǔn)，影響下行吞掉量，而且隨著流數(shù)的增加這種表現(xiàn)越明顯。

　　(2)上行雙發(fā)對(duì)上行發(fā)射的增益

　　2T4R相對(duì)于1T4R，在上行方向上有功率和多天線增益，為了分析2天線及功率所帶來(lái)的增益性能，本節(jié)采用鏈路預(yù)算，分別分析了在室外覆蓋和室外覆蓋室內(nèi)的情況下，不同目標(biāo)速率條件下小區(qū)的覆蓋半徑，圖6給出了仿真的結(jié)果。其中可以發(fā)現(xiàn)以3 Mbit/s為邊緣的目標(biāo)速率時(shí)，2T4R相對(duì)于1T4R其覆蓋距離增加34%。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　從業(yè)務(wù)發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)部署的角度來(lái)看，運(yùn)營(yíng)商需要通過(guò)提升3.5 GHz網(wǎng)絡(luò)的上行性能來(lái)提升用戶體驗(yàn)以及降低部署成本。通過(guò)本文的分析可知，考慮到現(xiàn)網(wǎng)LTE FDD上行資源相對(duì)空閑，因此利用LTE FDD上行頻譜資源作為3.5 GHz上行資源的補(bǔ)充是一種有效的提升手段。從上行覆蓋、容量和終端設(shè)計(jì)上的角度來(lái)看，超級(jí)上行在理論上相對(duì)于上行載波聚合和上行補(bǔ)充載波具有一定的優(yōu)勢(shì)，鏈路預(yù)算和仿真的結(jié)果也表明超級(jí)上行對(duì)于3.5 GHz的上下行性能均具有明顯的增益。超級(jí)上行作為一個(gè)新技術(shù)，無(wú)論在標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)上仍然有很多工作和關(guān)鍵問(wèn)題需要完成，中國(guó)電信后續(xù)將聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界積極推動(dòng)超級(jí)上行產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)的提升和投資成本的降低。

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