5G超級上行技術(shù)應(yīng)用探討

惠紹明

（北京中網(wǎng)華通設(shè)計咨詢有限公司，北京 100070）

1 5G時代面臨的挑戰(zhàn)

從2019年6月6日工信部向四大運營商發(fā)放5G商用牌照開始計算，目前5G建設(shè)已經(jīng)進入第4個年頭。隨著網(wǎng)絡(luò)逐步完善，依托5G強大的能力和豐富的連接場景，在2C、2B端都推出多種多樣的應(yīng)用，同時對5G能力也提出多樣化、多方面的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在5G上行帶寬、覆蓋能力及時延方面。

1.1 上行帶寬的挑戰(zhàn)

4G時代主要面向公眾用戶，網(wǎng)絡(luò)性能需求也主要以提供下行帶寬為主。相比于4G時代，5G時代泛在物聯(lián)，除傳統(tǒng)2C業(yè)務(wù)外，抖音等視頻直播類業(yè)務(wù)以及2B行業(yè)應(yīng)用都會產(chǎn)生巨量的自下而上的數(shù)據(jù)流量。這就要求5G網(wǎng)絡(luò)在保證下行大帶寬的基礎(chǔ)上，還需滿足上行大帶寬、低時延的新需求。例如，直播和短視頻，在1080P分辨率下主播端上行帶寬需要5～10 Mb/s；智慧安防在4K分辨率下上行帶寬需要30 Mb/s。

5G工作模式有TDD、FDD兩種，主力頻段3.5G、2.6G均采用TDD模式。目前3.5G上下行時隙配比主要針對eMBB場景設(shè)計，不能基于業(yè)務(wù)特征動態(tài)調(diào)整。典型采用7∶3或8∶2等，即整體資源配置傾向于下行，導(dǎo)致下行帶寬基本是上行帶寬的5倍左右[1]。

1.2 時延的挑戰(zhàn)

針對時延問題，同樣由于TDD模式的技術(shù)特征，上下行通道采用時分模式，存在時隙轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致時延能力提供上存在的一定缺陷。

理論上來說，理想情況下（信號好/不擁塞）FDD空口時延要比TDD時延小。FDD是上下對稱頻譜，上行和下行頻分雙工，任何時刻都有可用的發(fā)送時隙，無需額外等待；但是TDD是時分雙工，下行數(shù)據(jù)發(fā)完之后一定要等到下一個上行時隙，而且由于上行時隙較少，TDD反饋平均等待時間要高于FDD。在上下行時隙7∶3配比下，最大時延約4.2 ms，平均時延約2.5 ms。

5G網(wǎng)絡(luò)的端到端時延理論指標(biāo)要求做到1 ms，針對5G應(yīng)用中的工業(yè)控制場景，端到端時延要求為毫秒級，這就要求壓縮信號傳輸過程中的任一環(huán)節(jié)的時延，包括上面提到的空口時延[2]。

1.3 上行覆蓋的挑戰(zhàn)

頻段越高，覆蓋距離越短，3.5G頻段相比4G主力頻段1.8G/2.1G頻段覆蓋少50%。5G下行通過加大基站功率、采用大規(guī)模天線等手段，覆蓋能力基本與4G相當(dāng)。上行考慮到終端體積等因素，發(fā)射功率、天線數(shù)量等提高有限，所以上行覆蓋是3.5G的一個短板。

為改善上行帶寬、覆蓋及時延問題，主要的解決思路是高、低頻互補、TDD和FDD并存、時域頻域聚合，取長補短、協(xié)同配合，共同提升5G網(wǎng)絡(luò)上行覆蓋和上行帶寬能力，并縮短時延。在此背景及技術(shù)思路下，超級上行技術(shù)應(yīng)用而生[3]。

2 超級上行技術(shù)

為更好地理解超級上行技術(shù)，首先介紹該技術(shù)提出之前的兩種主要解決方案及存在的缺點，一種是采用TDD +FDD的載波聚合技術(shù)（CA），一種是采用FDD低頻作為上行鏈路補充的技術(shù)（SUL）。

2.1 載波聚合技術(shù)

5G工作頻率在3.5G基礎(chǔ)上增加低頻段，低頻段一般工作于FDD模式。終端在小區(qū)近點可以利用FDD+TDD頻譜同時進行上下行傳輸，獲得大帶寬和低時延能力；終端在小區(qū)遠點（3.5G上行覆蓋不到的區(qū)域）則把上行切換到FDD提升覆蓋，下行保持FDD+TDD聚合，業(yè)務(wù)體驗速率得到提升。

該技術(shù)存在的主要問題是對上行帶寬的影響。上行高低兩個頻段同時發(fā)射，各自占用終端一個通道，導(dǎo)致無法發(fā)揮3.5G上行雙通道大帶寬的優(yōu)勢，同時發(fā)射功率每個頻段各占一半，導(dǎo)致上行收縮3 dB。

總體上該技術(shù)通過高頻、低頻互補，時域、頻域聚合解決了上行覆蓋、時延問題，但上行帶寬問題沒有得到解決，相比純3.5G網(wǎng)絡(luò)反而有一定下降。

2.2 SUL（補充上行鏈路）

SUL 主要是利用低頻段補充 3.5G 上行覆蓋。在3.5G 覆蓋好的區(qū)域，用戶采用 3.5G收發(fā)數(shù)據(jù)，在高頻段上傳輸5G下行，在低頻上傳輸5G上行。

從該技術(shù)特征可看出，上下行同時工作于單一頻段，僅通過高頻、低頻互補解決了上行覆蓋差的問題。例如，在密集城區(qū)、上行鏈路的邊緣速率為2 Mb/s的情況下，如果采用 SUL 2.1 GHz（帶寬 20 MHz）和 TDD-NR 3.5 GHz（帶寬100 MHz）組網(wǎng)，其覆蓋相比基于 SA 架構(gòu)采用 TDD-NR 單載波的情況下提升17.8%。但在帶寬、時延等用戶體驗方面，沒有任何改善。

2.3 超級上行技術(shù)介紹

5G超級上行技術(shù)，是通過TDD、FDD并存，高頻、低頻互補，時域、頻域聚合，共同提升5G網(wǎng)絡(luò)上行覆蓋、上行帶寬以及縮短時延。

與上行CA和SUL技術(shù)相同之處為采用低頻段與3.5G搭配使用，不同之處如下。

（1）與CA技術(shù)的不同：當(dāng)3.5G頻段傳送上行數(shù)據(jù)時，低頻上行不傳送數(shù)據(jù)；只有3.5G頻段傳送下行數(shù)據(jù)時，低頻才傳送上行數(shù)據(jù)。

（2）與SUL技術(shù)的不同：當(dāng)在 3.5G 覆蓋好的區(qū)域，用戶采用 3.5G與低頻共同收發(fā)數(shù)據(jù)。

基于上述兩方面不同的技術(shù)策略，當(dāng)3.5G頻段傳送上行數(shù)據(jù)時，F(xiàn)DD上行不傳送數(shù)據(jù)。上行時隙終端雙發(fā)全部用于TDD 2×2 MIMO傳輸；當(dāng)3.5G傳送下行數(shù)據(jù)時，F(xiàn)DD立即傳送上行數(shù)據(jù)。

超級上行技術(shù)高低頻、上下行時隙工作情況從圖1可以直觀地表示出來。

圖1 上下行時隙工作示意圖

采用超級上行技術(shù)，可有效解決上行覆蓋、帶寬及時延問題，具體總結(jié)如下。

（1）當(dāng)終端在小區(qū)中心（近點）時，可以利用FDD+TDD頻譜同時進行上下行傳輸，并且上行高低頻采用輪發(fā)方式，在TDD上行時隙終端雙發(fā)全部用于TDD 2×2 MIMO傳輸，而在TDD下行時隙則立即切換到使用FDD進行上行傳輸，這種快速切換機制使得上行方向不但可用時隙提升到接近100%，基本與FDD相當(dāng)，而且不犧牲TDD 2×2 MIMO能力。這樣可以充分利用3.5G 100 M大帶寬和終端雙通道發(fā)射的優(yōu)勢提升上行吞吐率（3.5G 100 MHz+終端雙通道發(fā)射 VS FDD 20 MHz+終端單通道發(fā)射），同時確保3.5G最大發(fā)射功率可達到26 dBm，提升3dB覆蓋。

從速率上分析，3.5G 64QAM上行峰值約為280 Mb/s，2.1G 64QAM上行速率約為90 Mb/s。超級上行打開后，理論上行峰值速率可達到280+0.7×90=343 Mb/s，速率提升20%。

（2）降低5G時延：通過TDD、FDD并存，時域、頻域聚合，基本實現(xiàn)任何時刻都有可用的發(fā)送時隙，無需額外等待，降低傳輸時延。以上行為例，3.5GHz TDD單載波的上行最大傳輸時延為4.2 ms，平均傳輸時延約為2.4 ms。采用超級上行技術(shù)后，由于ACK/NACK反饋更加及時，可降低到1.9 ms，降幅達60%。

（3）當(dāng)終端在小區(qū)邊緣（遠點）時，則把上行切換到FDD提升覆蓋，下行保持FDD+TDD聚合，在提高上行覆蓋的前提下，下行業(yè)務(wù)體驗速率得到提升。

超級上行技術(shù)與載波聚合、SUL工作機制及性能對比見圖2及表1。

表1 超級上行等多技術(shù)性能對比表

圖2 時隙工作機制對比示意圖

2.4 超級上行技術(shù)部署

超級上行技術(shù)的部署包括部署場景、硬件設(shè)備部署、頻譜部署3個方面。

2.4.1 部署場景

超級上行技術(shù)主要是改善了上行帶寬及時延，部署場景主要是針對ToB行業(yè)，包括遠程遙控、視頻監(jiān)控、工業(yè)控制、機器視覺，云化AGV等多個應(yīng)用。在5G企業(yè)專網(wǎng)建設(shè)時可考慮支持該技術(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)性能滿足專網(wǎng)應(yīng)用。

2.4.2 硬件設(shè)備部署

在現(xiàn)有3.5G設(shè)備上升級支持超級上行技術(shù)，可考慮BBU側(cè)共框部署，復(fù)用現(xiàn)網(wǎng)硬件，有利于3.5G與低頻的協(xié)同，而且也有利于未來低頻LTE 向NR演進。

2.4.3 頻譜部署

（1）低頻用作LTE。上行頻譜通過動態(tài)共享技術(shù)，獲取部分頻段作為SUL頻譜使用。

（2）低頻用作NR。上行頻譜用工作于NR和SUL模式，下行頻譜用作NR。

（3）低頻用作LTE和NR。上行頻譜工作于LTE、NR、SUL，下行頻譜用作LTE、NR。

3 應(yīng)用案例

選取某市商業(yè)區(qū)為試點區(qū)域，該區(qū)域共有3.5G站點3個、覆蓋小區(qū)6個；共有LTE站點3個，覆蓋小區(qū)6個；3.5G與LTE全部共站址。主要從3個方面對超級上行技術(shù)性能提升進行驗證，具體測試指標(biāo)見表2、表3、表4所示。

表2 超級上行開通前后性能指標(biāo)驗證

表3 超級上行開通前后對LTE性能影響驗證

表4 超級上行開通前后對下行速率影響CQT驗證

從測試數(shù)據(jù)可看出，超級上行開通后，與開通前對比：

（1）在RSRP、SINR無明顯波動的情況下，上行平均速率有明顯提升，尤其是在覆蓋差點，提升比例達到90%；

（2）LTE上行速率無明顯異常，好、中、差點上行平均速率均在正常范圍內(nèi)波動；

（3）對下行速率基本無影響，好、中、差及極差點下行平均速率均在正常范圍內(nèi)波動。

4 結(jié) 論

通過測試驗證，超級上行既提升了上行帶寬，又提升了上行覆蓋，同時縮短網(wǎng)絡(luò)時延。它是無線通信首個時頻結(jié)合的技術(shù)，大幅度提升5G用戶體驗，能很好地滿足上行大帶寬、低時延業(yè)務(wù)，目前已經(jīng)做到了標(biāo)準(zhǔn)、芯片、終端、無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)的端到端成熟。隨著5G的大規(guī)模布局、推廣，超級上行技術(shù)將大規(guī)模在垂直行業(yè)中得到應(yīng)用。