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(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的閑置頻譜資源實現(xiàn)5G TDD系統(tǒng)的上行覆蓋和容量的有效提升，最后通過鏈路預(yù)算和系統(tǒng)級仿真，證明了上行增強(qiáng)方案對于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

　　《華通技術(shù)》主要根據(jù)本廠新技術(shù)、新工藝、新材料，作為一個技術(shù)窗口。隨著在行業(yè)中知名度提高，現(xiàn)在行業(yè)和刊物中處于領(lǐng)先地位，因而也報導(dǎo)本行業(yè)電器動態(tài)、行情，各大學(xué)(有電器專業(yè))的科研成果，技術(shù)動態(tài)等等。

　　1 引言

　　2018年6月14日，3GPP RAN#80次會議上完成了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(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(lián)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(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(diào)整)。該幀結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(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)比例已越來越高，因此未來的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(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頻段相對于1.8 GHz/2.1 GHz較高，根據(jù)測試結(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，但是考慮到部分場景仍需通過室外覆蓋室內(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，一些頻譜相對充裕的運(yùn)營商提出了在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)部署和不同類型業(yè)務(wù)的需求。目前產(chǎn)業(yè)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(bǔ)充載波(SUL， Supplementary Uplink)、超級上行技術(shù)(Super Uplink)，其主要思想是通過聚合LTE FDD的閑置頻譜來實現(xiàn)NR TDD系統(tǒng)的性能。

　　2 3.5 GHz上行覆蓋和容量評估

　　3.5 GHz NR幀結(jié)構(gòu)以滿足eMBB連續(xù)覆蓋為主要設(shè)計目標(biāo)。本節(jié)首先通過系統(tǒng)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(qū)容量統(tǒng)計指標(biāo)時，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時采用13.5，在ISD=500 m時，包到達(dá)率采用7.5，從而構(gòu)造系統(tǒng)負(fù)荷在50%～70%左右的干擾場景。如圖2所示，仿真結(jié)果表明室外覆蓋室內(nèi)的場景下，小區(qū)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(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)用戶對于上行高流量業(yè)務(wù)的需求。

　　本文通過鏈路預(yù)算分析不同的上行目標(biāo)速率下的小區(qū)覆蓋半徑，來評估3.5 GHz的覆蓋能力。同時將現(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時室外覆蓋場景和室外覆蓋室內(nèi)場景的覆蓋半徑的差異。

　　仿真結(jié)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(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，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覆蓋和容量優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，同時利用3.5 GHz下行發(fā)射時在2.1 GHz頻段的上行閑置資源，實現(xiàn)用戶體驗速率的進(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值。

　　3 三種上行性能提升方案

　　隨著蜂窩移動通信發(fā)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(shù)實現(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)在同一個節(jié)點(diǎn)利用多個成員載波同時為用戶提供數(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)度靈活性相對較好。從協(xié)議棧的角度來看，CA終端只有一個RRC連接且主小區(qū)(PCell)維護(hù)，主小區(qū)對應(yīng)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(yīng)的小區(qū)則稱為輔小區(qū)(SCell)。載波聚合中對于上下行的載波數(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，其下行載波數(shù)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(fā)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(jìn)行發(fā)射，并且每個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導(dǎo)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(shè)計成本，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，對終端側(cè)上行傳輸帶來更大挑戰(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，利用頻率相對較低的LTE頻段傳輸NR上行信號。相應(yīng)的載波被稱為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上行功率無法采用26 dBm以及上行無法采用雙流發(fā)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(shè)計也帶來了終端側(cè)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(jìn)一步增強(qiáng)5G體驗，更好地優(yōu)化用戶服務(wù)感知，增強(qiáng)差異化的市場競爭力，可實現(xiàn)TDD/FDD協(xié)同、高頻/低頻互補(bǔ)、時域/頻域聚合，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)的上行能力，降低時延。超級上行本質(zhì)上是一種基于TDD/FDD上行載波時分發(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(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下兩個方面：

　　(1)3.5 GHz上行雙天線發(fā)射;