基于TDD/FDD協同的5G上行增強方案分析

　　摘要：針對如何提升3.5 GHz的上行覆蓋和容量的問題，首先評估了基于2.5 ms雙周期幀結構的3.5 GHz頻段的覆蓋和容量性能，然后從上行覆蓋、上行容量、終端復雜度等角度分析了現有方案的性能優劣，并提出采用超級上行技術可以在不增加終端硬件復雜度的前提下，充分利用LTE FDD的閑置頻譜資源實現5G TDD系統的上行覆蓋和容量的有效提升，最后通過鏈路預算和系統級仿真，證明了上行增強方案對于3.5 GHz NR網絡的上下行性能均有增益。

　　關鍵詞：5G網絡;TDD/FDD協同;上行覆蓋;上行容量;上行增強方案

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　　1 引言

　　2018年6月14日，3GPP RAN#80次會議上完成了5G NR SA獨立組網功能凍結，5G的第一版規范正式發布，隨后全球的領先運營商都積極開展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產業界公認的熱門頻譜之一。目前中國移動已獲得2.6 GHz與4.9 GHz頻段，中國聯通與中國電信分別獲得3.5 GHz頻段中的各100 MHz頻譜用于各自的5G網絡建設。

　　如圖1所示，3.5 GHz頻段將采用2.5 ms雙周期的幀結構，其特點是每5 ms里面包含5個全下行時隙、三個全上行時隙和兩個特殊時隙，Slot3和Slot7為特殊時隙，配比為10：2：2(可調整)。該幀結構上行時隙占比僅為30%，上行采用64QAM時上行峰值速率約為375 Mbit/s。

　　目前的LTE FDD網絡上行忙時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務仍然是以下行流量為主。隨著在線直播、視頻電話等對于上行流量占比較多的業務興起，其在網絡中業務比例已越來越高，因此未來的5G網絡的建設和部署中保障這些高清視頻業務對于上行覆蓋和容量的要求。

　　在實際部署中，3.5 GHz NR TDD相對于LTE FDD網絡中所廣泛采用的1.8 GHz和2.1 GHz頻段，具有如下特點：

　　(1)更大的穿透損耗：由于3.5 GHz頻段相對于1.8 GHz/2.1 GHz較高，根據測試結果室外有6 dB～7 dB的路損差，室外打室內有約20 dB的差異，在特殊復雜環境中可以達到30 dB的差異[1]。

　　(2)更少的上行占空比：LTE FDD上行時隙連續，3.5 GHz NR TDD上行占空比僅為30%，制式上的差異導致覆蓋進一步收縮。

　　雖然5G網絡中引入了Massive MIMO等先進的物理層技術，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，但是考慮到部分場景仍需通過室外覆蓋室內的情況下，基于單純的3.5 GHz頻率建設5G網絡的成本仍然非常高。同時，一些頻譜相對充裕的運營商提出了在4.9 GHz采用上行優先的幀結構(DSUUU)以滿足上行容量較高的業務的需求[2]。因此擁有3.5 GHz的運營商需要考慮如何提升3.5 GHz上行性能，以滿足網絡部署和不同類型業務的需求。目前產業界針對上述問題有如下三種上行性能的提升方案：上行載波聚合(Uplink CA)、上行補充載波(SUL， Supplementary Uplink)、超級上行技術(Super Uplink)，其主要思想是通過聚合LTE FDD的閑置頻譜來實現NR TDD系統的性能。

　　2 3.5 GHz上行覆蓋和容量評估

　　3.5 GHz NR幀結構以滿足eMBB連續覆蓋為主要設計目標。本節首先通過系統級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%用戶吞吐量為小區容量統計指標時，基于3.5 GHz頻段的5G網絡的上行性能。

　　其中信道條件采用3GPP UMA NLOS條件，室內穿透損耗為26 dBm，業務源模型采用FTP Model 1模型以及2 MByte包大小，包的達到率在ISD=350 m時采用13.5，在ISD=500 m時，包到達率采用7.5，從而構造系統負荷在50%～70%左右的干擾場景。如圖2所示，仿真結果表明室外覆蓋室內的場景下，小區上行容量在350 m站間距場景中僅為28 Mbit/s左右。因此未來5G部署過程中對于一些室分系統難以進去的區域，單純采用3.5 GHz進行組網可能難以滿足室內用戶對于上行高流量業務的需求。

　　本文通過鏈路預算分析不同的上行目標速率下的小區覆蓋半徑，來評估3.5 GHz的覆蓋能力。同時將現網LTE FDD 2.1 GHz頻段和僅配置30%上行資源的2.1 GHz頻段進行對比。根據文獻[3]中的描述，本文選擇了UMA NLOS模型中小區的覆蓋半徑和路損的計算公式，如公式(1)和(2)所示：

　　(1)

　　(2)

　　根據上述仿真參數和假設，圖3和圖4分別給出了目標速率從512 kbit/s到5 Mbit/s時室外覆蓋場景和室外覆蓋室內場景的覆蓋半徑的差異。

　　仿真結果表明：

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

　　(2)在室外覆蓋室內的場景中，3.5 GHz和2.1 GHz的路損差異較大，相關接收技術無法彌補路損的差異，從而導致3.5 GHz的上行覆蓋要差于2.1 GHz。

　　(3)相同占空比時，3.5 GHz的覆蓋要優于2.1 GHz

　　基于上述結果，在小區的近、中點，可以在發揮3.5 GHz覆蓋和容量優勢的基礎上，同時利用3.5 GHz下行發射時在2.1 GHz頻段的上行閑置資源，實現用戶體驗速率的進一步提升。因此基于上行3.5 GHz和2.1 GHz的頻譜聚合技術在理論上具有顯著的增益和價值。

　　3 三種上行性能提升方案

　　隨著蜂窩移動通信發展到5G時代，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實現更高的頻譜效率，另一方面采用頻譜聚合技術進一步增大系統帶寬和更加充分地增加頻譜的利用率。針對TDD/FDD聚合的頻譜使用技術，本節將分別介紹三種候選技術的原理，并進行相關的性能分析。

　　(1)上行載波聚合

　　在CA系統中，網絡在同一個節點利用多個成員載波同時為用戶提供數據傳輸，各組成載波在MAC層聚合，網絡可根據終端MAC層對鏈路質量的反饋快速適配空口能力，其調度靈活性相對較好。從協議棧的角度來看，CA終端只有一個RRC連接且主小區(PCell)維護，主小區對應的載波稱為主載波，被聚合的組成載波稱為該CA終端的輔載波，對應的小區則稱為輔小區(SCell)。載波聚合中對于上下行的載波數量也有明確的約束，即上行載波數量需要小于或等于下行載波的數量。因此當上行采用兩載波聚合時，其下行載波數量需要大于或者等于兩個載波。

　　目前在3.5 GHz與低頻頻段的CA組合中，上行的發射功率受到一定的限制，其中兩個上行載波最大僅能共享23 dBm的功率進行發射，并且每個載波僅能支持單天線進行發射。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計挑戰還包括如何在射頻部分避免多載波之間的干擾，例如互調干擾。本節以1.8 GHz和3.5 GHz為例，3.5 GHz對1.8 GHz的二階互調MSD高達26 dB，如此高的靈敏度回退會導致UE在1.8 GHz的下行接收無法正常工作，為了解決該問題，3GPP也提出了諸多解決方案，但是無論哪種方案，都是要么提高了終端的設計成本，要么降低了上行覆蓋性能。

　　(2)上行補充載波

　　與LTE相比，5G新頻段頻率較高傳播損耗較大，對終端側上行傳輸帶來更大挑戰，為了彌補上行覆蓋的短板，3GPP Rel-15提出了上行補充技術，主要思想是下行僅采用單載波配置時，利用頻率相對較低的LTE頻段傳輸NR上行信號。相應的載波被稱為SUL載波，SUL載波不能獨立使用，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，受限于當前終端通道數的限制，在NR載波上僅能支持單天線發射，從而導致了在NR上行功率無法采用26 dBm以及上行無法采用雙流發射等問題，同時考慮到下行采用4天線接收，上行單根天線的設計也帶來了終端側上行插損的增大等問題。

　　(3)超級上行

　　中國電信在2019年上海MWC通信展上提出了“超級上行”的概念，旨在進一步增強5G體驗，更好地優化用戶服務感知，增強差異化的市場競爭力，可實現TDD/FDD協同、高頻/低頻互補、時域/頻域聚合，進一步提升數據的上行能力，降低時延。超級上行本質上是一種基于TDD/FDD上行載波時分發射的方式，下行可以采用單載波或者載波聚合的方式。由于采用時分方式進行工作，因此在NR上行載波中可以采用2天線和26 dBm進行發射，其性能優于上行載波聚合和SUL。

　　4 超級上行的增益評估

　　超級上行相對于上行載波聚合和SUL而言，其性能優勢主要體現在如下兩個方面：

　　(1)3.5 GHz上行雙天線發射;

　　(2)3.5 GHz上行可以使用26 dBm發射。

　　其中上行雙天線發射相對于單天線發射，在理論上不僅對于上行方向有增益，同時對于下行方向也是有增益的。本節將結合鏈路仿真，分別從下行和上行兩個方向分析一下上行雙天線對于單天線的性能增益。

　　(1)上行雙發對下行接收的增益

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

　　1)1T4R比2T4R完成4端口的SRS輪發時間更長：非理想信道估計條件下，誤差隨完整的SRS輪發周期的變長而增加，從而導致終端接收側的等效信噪比下降;

　　2)1T4R相比2T4R設計上可能存在插損，導致下行性能下降。

　　圖5給出了在下行雙流和四流的場景下，2T4R和1T2R在不同SNR條件下的吞吐量對比，由于1T4R的SRS周期是2T4R的兩倍，在移動場景下不能及時反映信道的信息導致賦型不準，影響下行吞掉量，而且隨著流數的增加這種表現越明顯。

　　(2)上行雙發對上行發射的增益

　　2T4R相對于1T4R，在上行方向上有功率和多天線增益，為了分析2天線及功率所帶來的增益性能，本節采用鏈路預算，分別分析了在室外覆蓋和室外覆蓋室內的情況下，不同目標速率條件下小區的覆蓋半徑，圖6給出了仿真的結果。其中可以發現以3 Mbit/s為邊緣的目標速率時，2T4R相對于1T4R其覆蓋距離增加34%。

　　5 結束語

　　從業務發展和網絡部署的角度來看，運營商需要通過提升3.5 GHz網絡的上行性能來提升用戶體驗以及降低部署成本。通過本文的分析可知，考慮到現網LTE FDD上行資源相對空閑，因此利用LTE FDD上行頻譜資源作為3.5 GHz上行資源的補充是一種有效的提升手段。從上行覆蓋、容量和終端設計上的角度來看，超級上行在理論上相對于上行載波聚合和上行補充載波具有一定的優勢，鏈路預算和仿真的結果也表明超級上行對于3.5 GHz的上下行性能均具有明顯的增益。超級上行作為一個新技術，無論在標準和產業上仍然有很多工作和關鍵問題需要完成，中國電信后續將聯合產業界積極推動超級上行產業鏈的成熟，實現5G網絡體驗的提升和投資成本的降低。

　　參考文獻：

　　[1] 許浩，張儒申，徐卸土. 3.5 GHz頻段電波傳播特性研究[J]. 電信科學， 2018(Z2)： 140-145.

　　[2] TC5-WG9-2019-084. 5G數字蜂窩移動通信網6 GHz以下頻段基站設備技術要求(第一階段)[S]. 2019.

　　[3] 3GPP. 3GPP TR 36.873 V12.7.0： Study on 3D channel model for LTE[S]. 2019.

　　[4] 3GPP. 3GPP TS 38.300 V15.6.0： NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2 (Release 15)[S]. 2019.

　　[5] 3GPP. 3GPP TR 38.901 V15.0.0： Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz[S]. 2019. ★