5G頻段間協(xié)同技術(shù)

曹麗芳，江天明，鄧偉，陳卓

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

1 引言

3GPP定義5G NR頻率從700 MHz到2.6 GHz再到26 GHz，頻段跨度較大，根據(jù)頻率特性可知，不同頻率適用于不同的應(yīng)用場景。低頻段（比如2 GHz以下）作為覆蓋層，提供廣域連續(xù)覆蓋和深度覆蓋；中頻段（比如2～6 GHz）作為連續(xù)的容量層，滿足廣域覆蓋和容量需求；而高頻段（比如6 GHz以上）作為容量層，可用于熱點(diǎn)局部區(qū)域補(bǔ)容。

目前，3GPP在NR系統(tǒng)中引入了載波聚合、補(bǔ)充上行和雙連接3種高低頻協(xié)同技術(shù)，在保障基礎(chǔ)覆蓋的同時，可以有效提升峰值速率，更好滿足大帶寬業(yè)務(wù)需求。

2 5G多頻協(xié)同方案原理

2.1 載波聚合

載波聚合（carrier aggregation，CA）將同一系統(tǒng)的多個載波單元（component carrier，CC）聚合以支持更大的傳輸帶寬。LTE單載波最大的帶寬為20 MHz，NR進(jìn)行了帶寬增強(qiáng)，F(xiàn)R1（頻率低于6 GHz）和FR2（頻率高于6 GHz）支持最大的單載波帶寬分別可達(dá)100 MHz和400 MHz。

3GPP定義可獨(dú)立為UE添加下行載波聚合，但若有上行載波聚合需求，也需要同時配置該頻段的下行載波聚合。協(xié)議在R15、R16和正在做標(biāo)準(zhǔn)化的R17都定義了上行載波聚合的增強(qiáng)，此處以n41+n79 UL CA為例進(jìn)行說明，n41（即2.6 GHz）的帶寬為100 MHz，幀結(jié)構(gòu)為DDDDDDDSUU（可簡寫為7D1S2U，D為下行時隙，S為以下行符號為主的特殊時隙，U為上行時隙），根據(jù)協(xié)議公式計算2Tx（雙發(fā)）時上行峰值速率M為250 Mbit/s，n79（即4.9 GHz）的帶寬為100 MHz，幀結(jié)構(gòu)是DDDSUDDSUU（可簡寫為 5D2S3U），2Tx（雙發(fā)）時計算上行峰值速率N為375 Mbit/s。

（1）R15版本

針對上行最大兩發(fā)的終端，最大支持上行兩載波聚合，即支持在兩個載波 1Tx（單發(fā)）+1Tx（單發(fā)）并發(fā)，即峰值為X=M/2+N/2=313 Mbit/s。

（2）R16版本（業(yè)界也稱超級上行）

針對上行最大兩發(fā)的終端，支持在兩個上行載波進(jìn)行 1Tx（單發(fā)）和 2Tx（雙發(fā)）的輪發(fā)，同時結(jié)合兩載波幀頭錯開使得上行時隙盡量錯開，進(jìn)而提升單用戶的上行時隙利用率，R16幀結(jié)構(gòu)配置如圖1所示，起始位置即和GPS對齊的位置，也稱幀頭，如圖所示兩載波的幀頭偏移了3個時隙（即1.5 ms），兩個載波的上行時隙U可完全錯開，4.9 GHz和2.6 GHz各分配一個終端天線，其中2.6 GHz的天線在2.6 GHz下行時隙切換到4.9 GHz發(fā)送數(shù)據(jù)，在2.6 GHz上行時隙來臨前切換到2.6 GHz，則可計算峰值速率X=M/2+N=500 Mbit/s。

圖1 R16幀結(jié)構(gòu)配置

（3）R17版本

針對上行最大兩發(fā)的終端，考慮終端能力增強(qiáng)可支持兩個天線同時切換到不同載波，正在推動2Tx（雙發(fā)）和2Tx（雙發(fā)）的輪發(fā)，幀頭配置方案和R16相同，可進(jìn)一步提升用戶的上行性能，即峰值X=M+N=625 Mbit/s。

通過上述計算，最大2Tx發(fā)送的終端，隨著上行輪發(fā)的增強(qiáng)，單用戶峰值速率有明顯提升，匯總見表1。

表1 不同R版本的n41+n79上行載波聚合峰值速率

2.2 補(bǔ)充上行

中高頻的下行覆蓋能力可通過大規(guī)模MIMO、高功率、增加資源等技術(shù)保障，但上行覆蓋主要受限于終端的發(fā)射功率，覆蓋能力較弱。為了解決上下行覆蓋不匹配的問題而又不帶來太大的部署成本，5G系統(tǒng)在 R15引入了補(bǔ)充上行（supplementary uplink，SUL），即將上下行解耦，在中高頻部署時采用一個下行載波捆綁兩個上行載波的組合方案。在上行方向，兩個上行頻段包括一個中高頻（normal uplink NUL carrier）和一個相對低的頻段（SUL carrier），用低頻段覆蓋優(yōu)勢彌補(bǔ)中高頻上行覆蓋的不足，進(jìn)而擴(kuò)大中高頻的下行使能范圍。SUL和CA相同，僅限于同一系統(tǒng)內(nèi)使用。且兩個技術(shù)互不排斥，即可以在SUL基礎(chǔ)上疊加DL CA技術(shù)。

SUL技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段，正在向第 3階段增強(qiáng)，具體如下。

（1）R15版本

針對上行最大兩發(fā)的終端，允許終端在兩個上行載波間零微秒切換，但終端需要PA的關(guān)閉和預(yù)熱等物理處理過程，無法達(dá)到零時延，故該版本僅可通過RRC配置終端在何時切換到另一個上行載波，一般應(yīng)用如下（以 n41+n83為例）：在n41上行覆蓋較好的位置默認(rèn)選擇上行載波為n41，在n41覆蓋較差的位置，終端上報測量報告，基站判斷信號質(zhì)量低于門限值（門限值的配置取決于基站實(shí)現(xiàn)），則通過RRC信令指示終端切換到n83，增強(qiáng)上行覆蓋能力，下行覆蓋能力不變，因上行覆蓋范圍擴(kuò)大，n41的下行使能范圍也隨之?dāng)U大。

（2）R16版本

針對上行最大兩發(fā)的終端，對載波間的切換時延做了放松，使得終端可實(shí)現(xiàn)頻繁快速切換過程，R16版本對SUL和UL CA做了相同的增強(qiáng)，具體如下。

1）終端上報支持的載波間1Tx和2Tx切換時延能力，有 3 檔能力，分別為 35 μs、140 μs和 210 μs。

2）基站通過 RRC指示終端在兩個上行載波的天線數(shù)和切換損失信息（即終端天線切換發(fā)生在哪個頻段的上行時隙），同UL CA，以n41+n83的SUL為例：

· 在 n41載波的 UplinkConfig 信令中，uplinkTxSwitchingPeriodLocation-r16=fault，表示切換損失不在 n41 uplinkTxSwitchingCarrier-r16=carrier2，代表n41上行為雙流；

· 在 n83載波的 UplinkConfig 信令中，uplinkTxSwitchingPeriodLocation-r16=true，表示切換損失在n83，上行數(shù)據(jù)傳輸模式如圖2所示，其中叉形所示，終端一根天線從700 MHz載波切換到2.6 GHz載波會浪費(fèi)700 MHz的幾個符號資源，無法發(fā)送數(shù)據(jù)，uplinkTxSwitching Carrier-r16=carrier1，代表n83上行為單流；

圖2 上行數(shù)據(jù)傳輸模式

· 通過DCI符號級調(diào)度使得終端在預(yù)定的位置切換即可完成載波間的數(shù)據(jù)輪發(fā)，增強(qiáng)上行峰值速率性能。

（3）R17版本

針對上行最大兩發(fā)的終端，正在推動2Tx和2Tx的輪發(fā)，該增強(qiáng)方案同樣適用于UL CA。

2.3 雙連接

雙連接是 UE使用兩個通過非理想回傳鏈路相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：主節(jié)點(diǎn)（master node，MN）和輔節(jié)點(diǎn)（second node，SN）提供無線資源進(jìn)行通信。無線接入技術(shù)雙連接（multi RAT dual connectivity，MR-DC）是一系列不同的雙連接配置選項(xiàng)的總稱，與前面兩小節(jié)的 CA、SUL相比，DC最大的區(qū)別在于不僅支持相同系統(tǒng)間的協(xié)同，同樣支持不同系統(tǒng)間的協(xié)同，包括 EN-DC（E-UTRA-NR雙連接）、NR-DC（NR雙連接）、NGEN-DC（NG-RAN-E-UTRA雙連接）和NE-DC（NR- E-UTRA雙連接）。

3 5G多頻協(xié)同方案部署要求

3.1 載波聚合

載波聚合適合理想回傳場景，但考慮不同頻段的覆蓋性能有一定差異，存在較多不共站但有重疊覆蓋的場景。本節(jié)主要分析異站場景的載波聚合技術(shù)方案，包括性能影響和對應(yīng)的解決方案。

（1）成員載波不共用基帶板

現(xiàn)網(wǎng)終端僅支持單PUCCH，即PUCCH 只在PCell 上傳輸。因輔載波的下行數(shù)據(jù)HARQ確認(rèn)信息需要在主載波的 PUCCH發(fā)送，故對兩載波的BBU（基帶單元）間傳輸時延要求較高。時延越大，性能增益就會損失越大，LTE異站CA測試結(jié)果見表2：共站部署時，X2時延為0 ms，DL峰值為39.65 Mbit/s，最大X2時延為8 ms時，性能增益會降低約30%，DL峰值降低為27.91 Mbit/s，增益損失嚴(yán)重，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率降低。

表2 LTE異站CA測試結(jié)果

可通過以下兩種方式來規(guī)避或緩解上述性能損失。

· 降低BBU間傳輸時延，可通過CRAN部署方式，即將多個BBU放到同一個機(jī)房，BBU之間通過光纖直連，則Xn時延（5G中基站之間的接口，類似于4G的X2）降低，性能損失也得到了緩解，但CRAN邊界處對性能無改善。

· 降低跨BBU的載波聚合對Xn時延的要求，通過多套PUCCH實(shí)現(xiàn)，即輔載波的HARQ確認(rèn)信息在輔載波的PUCCH反饋，不需要經(jīng)過Xn口，則對Xn時延的要求相對寬松。

（2）成員載波不共用天面

如果兩載波單元的RRU（射頻單元）或AAU（射頻和天線一體化）不共用，終端到兩個小區(qū)天面的時間可能不同。以 n41（2.6 GHz）+n28（700 MHz）UL CA為例，考慮700 MHz覆蓋性能遠(yuǎn)好于2.6 GHz，故存在較大區(qū)域內(nèi)，終端到700 MHz基站的距離要大于到2.6 GHz基站的距離，此刻，終端在700 MHz小區(qū)的時間提前量TA_n28要大于在2.6 GHz小區(qū)的TA_n41。若終端共用700 MHz小區(qū)的定時提前量，則終端發(fā)送數(shù)據(jù)到2.6 GHz基站的時刻相比2.6 GHz小區(qū)其他終端要提前TA_n28-TA_n41；若終端共用2.6 GHz小區(qū)的定時提前量，則終端發(fā)送數(shù)據(jù)到700 MHz基站的時刻相比700 MHz小區(qū)其他上行同步的終端要晚TA_n28-TA_n41。

當(dāng)同一小區(qū)的用戶在上行數(shù)據(jù)到達(dá)基站時刻不同，則會出現(xiàn)上行符號間干擾，故該場景僅使用一個TA值容易引起上行同步問題，導(dǎo)致上行干擾，影響性能。載波聚合終端可通過支持不同的服務(wù)小區(qū)采用獨(dú)立的TA值，來避免因TA值不同造成上行不同步引起的符號間干擾。

3.2 補(bǔ)充上行

補(bǔ)充上行和載波聚合類似，均適合理想回傳場景部署。

（1）當(dāng)NUL載波和SUL載波不共RRU/AAU時，終端到兩個載波天面的時間差不同，而3GPP僅定義一個TA值，即SUL載波共用NUL的TA值，該情況下，TA對上行性能影響如下。

n83頻段子載波間隔為15 kHz時，normal CP長度為4.6 μs，LOS場景下對應(yīng)容忍的覆蓋距離偏差范圍約 4.6 μs ×（3×108m/s）=1.38 km；NLOS下，覆蓋距離縮短，預(yù)計城區(qū)較小站間距場景TA同步問題不大，但郊區(qū)較大站間距場景下可能有一定區(qū)域性能會因此受到影響?？鏏AU或BBU示意圖如圖3所示。

圖3 跨AAU或BBU示意圖

（2）SUL要求同一時刻只能在一個上行載波發(fā)送數(shù)據(jù)，以 n41+n83（SUL）為例，當(dāng)上行在n83傳輸時，則需要n41的下行HARQ確認(rèn)信息在n83的PUCCH發(fā)送，若n41和n83的BBU不共BBU框，如圖4所示，兩個載波的基帶單元通過光纖或者通過路由連接，則 Xn時延增加，HARQ等待時延加長，影響用戶性能以及網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。

圖4 BBU不共框

3.3 雙連接

雙連接適合解決非理想回傳場景下的速率提升，主要原因有兩點(diǎn)：一是每個載波的下行數(shù)據(jù)的 HARQ均在本載波的上行反饋，對兩載波的BBU間時延要求相對寬松；二是數(shù)據(jù)流量在PDCP層分流，兩個載波各自擁有獨(dú)立的調(diào)度器，理論上，可以做異廠商雙連接，這也是雙連接的最大優(yōu)勢，可以解除對供應(yīng)商的頻段綁定關(guān)系，對運(yùn)營商的采購有利，但網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和維護(hù)可能存在互相推諉等異廠商間協(xié)調(diào)問題，實(shí)際部署可能性較低。

目前，產(chǎn)業(yè)較為常見的雙連接架構(gòu)是EN-DC，LTE eNB為MN，NR gNB為SN，控制面通過LTE eNB接入EPC。option 3系列示意圖如圖5所示，4G基站和4G核心網(wǎng)承載信令傳輸（圖5中虛線），4G基站和5G基站均可承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（圖5中實(shí)線），5G無線網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的NAS信令（如注冊、鑒權(quán)等）通過4G基站傳遞，5G無法獨(dú)立工作，也稱為非獨(dú)立組網(wǎng)。

圖5 option 3系列示意圖

隨著5G核心網(wǎng)的成熟，5G產(chǎn)業(yè)逐步向獨(dú)立組網(wǎng)發(fā)展。NR和NR之間，3GPP僅定義了FR1 NR+FR2 NR的雙連接，但FR2尚未完成國內(nèi)的頻譜分配，故現(xiàn)網(wǎng)中NR和NR之間雙鏈接暫未部署。

4 5G多頻協(xié)同方案性能和產(chǎn)業(yè)對比分析

NR和NR間的多頻段協(xié)同技術(shù)主要考慮CA和SUL。針對n41+n28 CA和n41+n83 SUL的R15和R16的峰值速率和邊緣速率進(jìn)行理論分析，對應(yīng)的基本系統(tǒng)配置參數(shù)見表3。

4.1 峰值速率

根據(jù)表3中單載波的理論峰值速率，可計算得到如下結(jié)論。

（1）上行鏈路

· 支持1Tx+1Tx并發(fā)的R15的UL CA，上行峰值250+175=300 Mbit/s。

· R15 SUL支持在NUL和SUL兩個上行載波選擇最優(yōu)的一個載波傳輸，上行峰值max(175 Mbit/s,250 Mbit/s)=250 Mbit/s。

· 支持1Tx和2Tx輪發(fā)的R16 UL CA或SUL，上行峰值相同，可達(dá)250 Mbit/s+175 Mbit/s×(17/(14×5))=383 Mbit/s，相比 R15 UL CA和R15 SUL分別有27%和53%增益。其中，17為700 MHz無法使用的符號個數(shù)（具體如圖6所示，切換時延帶來2符號損失，為保障2.6 GHz的SRS參考信號發(fā)送，需減少700 MHz的1個符號，2.6 GHz上行時隙時刻，700 MHz上行不發(fā)送數(shù)據(jù)，減少14個上行符號），14×5為5 ms周期內(nèi)700 MHz的上行符號個數(shù)。

圖6 上行輪發(fā)時700 MHz無法使用的符號

（2）下行鏈路

· DL CA在R15和R16峰值速率性能相同，均為1 700 +350=2 050 Mbit/s。

· SUL在R15和R16的下行性能相同，下行僅n41單載波，均為n41的峰值1 700 Mbit/s，若SUL同時添加n28為下行輔載波，則可達(dá)到與DL CA相同峰值速率。

峰值速率性能對比如圖7所示，R16的上行性能相比 R15有一定提升，下行峰值速率性能不變。

圖7 不同技術(shù)的上下行峰值速率

4.2 邊緣速率

中單載波的理論邊緣速率見表3，可推理得到如下結(jié)論。

表3 基本系統(tǒng)配置參數(shù)

（1）上行鏈路

上行邊緣位置，終端功率受限，單發(fā)效率最高，即UL CA或SUL均只在700 MHz（n83或n28）上單發(fā)，邊緣速率3.5 Mbit/s。

（2）下行鏈路

· DL CA在R15和R16性能相同，考慮兩個載波的邊緣位置可能不同，不能直接相加，需要測試驗(yàn)證。

· SUL在R15和R16的下行性能相同，下行僅n41單載波，為n41的邊緣速率70 Mbit/s。

5 產(chǎn)業(yè)支持情況

目前，DL CA產(chǎn)業(yè)相對成熟，已支持基站和終端的端到端測試，UL CA和SUL端到端產(chǎn)業(yè)成熟度相對較慢，2021年基站和終端將支持端到端測試驗(yàn)證，其中UL CA相比SUL產(chǎn)業(yè)鏈更加豐富。

6 結(jié)束語

為加強(qiáng)多頻段協(xié)同，達(dá)到提升用戶峰值速率，提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力等目的，載波聚合、補(bǔ)充上行和雙連接技術(shù)是重要的解決手段，但適用場景不同，載波聚合和補(bǔ)充上行適用于理想回傳場景，其中，載波聚合主要用于相同頻段之間（比如n41+n41）、TDD頻段之間（比如n41+n79）以及TDD頻段和FDD頻段之間（比如n41+n28）等，適用范圍相對廣泛；補(bǔ)充上行主要適用于TDD頻段和SUL頻段之間（比如n41+n83），適用范圍相對較?。浑p連接主要適用于非理想回傳場景，目前較多應(yīng)用于 FDD LTE+TDD NR 或 TDD LTE+TDD NR等EN-DC。未來毫米波等高頻段頻譜可能會逐步引入現(xiàn)網(wǎng)，考慮和中低頻段的覆蓋差異較大，高低頻協(xié)同技術(shù)會更多地應(yīng)用在非理想回傳場景，未來可進(jìn)一步對非理想回傳場景下的載波聚合或補(bǔ)充上行等多頻段協(xié)同技術(shù)進(jìn)行性能影響定量分析和測試驗(yàn)證，并針對存在的問題考慮解決方案或性能提升方案。