基于TDD/FDD协同的5G上行增强方案分析

　　摘要：针对如何提升3.5 GHz的上行覆盖和容量的问题，首先评估了基于2.5 ms双周期帧结构的3.5 GHz频段的覆盖和容量性能，然后从上行覆盖、上行容量、终端复杂度等角度分析了现有方案的性能优劣，并提出采用超级上行技术可以在不增加终端硬件复杂度的前提下，充分利用LTE FDD的闲置频谱资源实现5G TDD系统的上行覆盖和容量的有效提升，最后通过链路预算和系统级仿真，证明了上行增强方案对于3.5 GHz NR网络的上下行性能均有增益。

　　关键词：5G网络;TDD/FDD协同;上行覆盖;上行容量;上行增强方案

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　　1 引言

　　2018年6月14日，3GPP RAN#80次会议上完成了5G NR SA独立组网功能冻结，5G的第一版规范正式发布，随后全球的领先运营商都积极开展5G部署的工作。在5G频谱方面，3.5 GHz(3 400 MHz—3 600 MHz)具有200 MHz连续频谱资源，是目前sub-6 GHz以下有限的使用频率之一，也是5G产业界公认的热门频谱之一。目前中国移动已获得2.6 GHz与4.9 GHz频段，中国联通与中国电信分别获得3.5 GHz频段中的各100 MHz频谱用于各自的5G网络建设。

　　如图1所示，3.5 GHz频段将采用2.5 ms双周期的帧结构，其特点是每5 ms里面包含5个全下行时隙、三个全上行时隙和两个特殊时隙，Slot3和Slot7为特殊时隙，配比为10：2：2(可调整)。该帧结构上行时隙占比仅为30%，上行采用64QAM时上行峰值速率约为375 Mbit/s。

　　目前的LTE FDD网络上行忙时资源利用率通常仅为下行的一半左右，上行频谱资源利用率明显低于下行频谱，其主要原因是目前的业务仍然是以下行流量为主。随着在线直播、视频电话等对于上行流量占比較多的业务兴起，其在网络中业务比例已越来越高，因此未来的5G网络的建设和部署中保障这些高清视频业务对于上行覆盖和容量的要求。

　　在实际部署中，3.5 GHz NR TDD相对于LTE FDD网络中所广泛采用的1.8 GHz和2.1 GHz频段，具有如下特点：

　　(1)更大的穿透损耗：由于3.5 GHz频段相对于1.8 GHz/2.1 GHz较高，根据测试结果室外有6 dB～7 dB的路损差，室外打室内有约20 dB的差异，在特殊复杂环境中可以达到30 dB的差异[1]。

　　(2)更少的上行占空比：LTE FDD上行时隙连续，3.5 GHz NR TDD上行占空比仅为30%，制式上的差异导致覆盖进一步收缩。

　　虽然5G网络中引入了Massive MIMO等先进的物理层技术，可以部分缩小与LTE FDD在传播损耗和FDD和TDD在制式上的差异，但是考虑到部分场景仍需通过室外覆盖室内的情况下，基于单纯的3.5 GHz频率建设5G网络的成本仍然非常高。同时，一些频谱相对充裕的运营商提出了在4.9 GHz采用上行优先的帧结构(DSUUU)以满足上行容量较高的业务的需求[2]。因此拥有3.5 GHz的运营商需要考虑如何提升3.5 GHz上行性能，以满足网络部署和不同类型业务的需求。目前产业界针对上述问题有如下三种上行性能的提升方案：上行载波聚合(Uplink CA)、上行补充载波(SUL， Supplementary Uplink)、超级上行技术(Super Uplink)，其主要思想是通过聚合LTE FDD的闲置频谱来实现NR TDD系统的性能。

　　2 3.5 GHz上行覆盖和容量评估

　　3.5 GHz NR帧结构以满足eMBB连续覆盖为主要设计目标。本节首先通过系统级仿真分析在不同站间距(350 m和500 m)不同用户分布情况的(20%室外用户，100%室外用户)条件下，以50%用户吞吐量为小区容量统计指标时，基于3.5 GHz频段的5G网络的上行性能。

　　其中信道条件采用3GPP UMA NLOS条件，室内穿透损耗为26 dBm，业务源模型采用FTP Model 1模型以及2 MByte包大小，包的达到率在ISD=350 m时采用13.5，在ISD=500 m时，包到达率采用7.5，从而构造系统负荷在50%～70%左右的干扰场景。如图2所示，仿真结果表明室外覆盖室内的场景下，小区上行容量在350 m站间距场景中仅为28 Mbit/s左右。因此未来5G部署过程中对于一些室分系统难以进去的区域，单纯采用3.5 GHz进行组网可能难以满足室内用户对于上行高流量业务的需求。

　　本文通过链路预算分析不同的上行目标速率下的小区覆盖半径，来评估3.5 GHz的覆盖能力。同时将现网LTE FDD 2.1 GHz频段和仅配置30%上行资源的2.1 GHz频段进行对比。根据文献[3]中的描述，本文选择了UMA NLOS模型中小区的覆盖半径和路损的计算公式，如公式(1)和(2)所示：

　　(1)

　　(2)

　　根据上述仿真参数和假设，图3和图4分别给出了目标速率从512 kbit/s到5 Mbit/s时室外覆盖场景和室外覆盖室内场景的覆盖半径的差异。

　　仿真结果表明：

　　(1)在室外场景中，3.5 GHz和2.1 GHz的路损差异相对较小，加之3.5 GHz具有大带宽和多天线的技术，因此其上行覆盖优于2.1 GHz。

　　(2)在室外覆盖室内的场景中，3.5 GHz和2.1 GHz的路损差异较大，相关接收技术无法弥补路损的差异，从而导致3.5 GHz的上行覆盖要差于2.1 GHz。

　　(3)相同占空比时，3.5 GHz的覆盖要优于2.1 GHz

　　基于上述结果，在小区的近、中点，可以在发挥3.5 GHz覆盖和容量优勢的基础上，同时利用3.5 GHz下行发射时在2.1 GHz频段的上行闲置资源，实现用户体验速率的进一步提升。因此基于上行3.5 GHz和2.1 GHz的频谱聚合技术在理论上具有显著的增益和价值。

　　3 三种上行性能提升方案

　　随着蜂窝移动通信发展到5G时代，为了满足更高的速率需求，5G一方面采用以Massive MIMO为代表的新型空口技术实现更高的频谱效率，另一方面采用频谱聚合技术进一步增大系统带宽和更加充分地增加频谱的利用率。针对TDD/FDD聚合的频谱使用技术，本节将分别介绍三种候选技术的原理，并进行相关的性能分析。

　　(1)上行载波聚合

　　在CA系统中，网络在同一个节点利用多个成员载波同时为用户提供数据传输，各组成载波在MAC层聚合，网络可根据终端MAC层对链路质量的反馈快速适配空口能力，其调度灵活性相对较好。从协议栈的角度来看，CA终端只有一个RRC连接且主小区(PCell)维护，主小区对应的载波称为主载波，被聚合的组成载波称为该CA终端的辅载波，对应的小区则称为辅小区(SCell)。载波聚合中对于上下行的载波数量也有明确的约束，即上行载波数量需要小于或等于下行载波的数量。因此当上行采用两载波聚合时，其下行载波数量需要大于或者等于两个载波。

　　目前在3.5 GHz与低频频段的CA组合中，上行的发射功率受到一定的限制，其中两个上行载波最大仅能共享23 dBm的功率进行发射，并且每个载波仅能支持单天线进行发射。因此这些限制了终端的上行性能。此外，上行载波聚合的终端设计挑战还包括如何在射频部分避免多载波之间的干扰，例如互调干扰。本节以1.8 GHz和3.5 GHz为例，3.5 GHz对1.8 GHz的二阶互调MSD高达26 dB，如此高的灵敏度回退会导致UE在1.8 GHz的下行接收无法正常工作，为了解决该问题，3GPP也提出了诸多解决方案，但是无论哪种方案，都是要么提高了终端的设计成本，要么降低了上行覆盖性能。

　　(2)上行补充载波

　　与LTE相比，5G新频段频率较高传播损耗较大，对终端侧上行传输带来更大挑战，为了弥补上行覆盖的短板，3GPP Rel-15提出了上行补充技术，主要思想是下行仅采用单载波配置时，利用频率相对较低的LTE频段传输NR上行信号。相应的载波被称为SUL载波，SUL载波不能独立使用，只能在与普通的NR载波聚合后使用。目前SUL为了支持NR和LTE上行载波的快速切换，受限于当前终端通道数的限制，在NR载波上仅能支持单天线发射，从而导致了在NR上行功率无法采用26 dBm以及上行无法采用双流发射等问题，同时考虑到下行采用4天线接收，上行单根天线的设计也带来了终端侧上行插损的增大等问题。

　　(3)超级上行

　　中国电信在2019年上海MWC通信展上提出了“超级上行”的概念，旨在进一步增强5G体验，更好地优化用户服务感知，增强差异化的市场竞争力，可实现TDD/FDD协同、高频/低频互补、时域/频域聚合，进一步提升数据的上行能力，降低时延。超级上行本质上是一种基于TDD/FDD上行载波时分发射的方式，下行可以采用单载波或者载波聚合的方式。由于采用时分方式进行工作，因此在NR上行载波中可以采用2天线和26 dBm进行发射，其性能优于上行载波聚合和SUL。

　　4 超级上行的增益评估

　　超级上行相对于上行载波聚合和SUL而言，其性能优势主要体现在如下两个方面：

　　(1)3.5 GHz上行双天线发射;

　　(2)3.5 GHz上行可以使用26 dBm发射。

　　其中上行双天线发射相对于单天线发射，在理论上不仅对于上行方向有增益，同时对于下行方向也是有增益的。本节将结合链路仿真，分别从下行和上行两个方向分析一下上行双天线对于单天线的性能增益。

　　(1)上行双发对下行接收的增益

　　由于目前5G终端普遍采用4接收，因此本节主要比较2T4R相较于1T4R对下行的增益，原理上其增益主要来源于：

　　1)1T4R比2T4R完成4端口的SRS轮发时间更长：非理想信道估计条件下，误差随完整的SRS轮发周期的变长而增加，从而导致终端接收侧的等效信噪比下降;

　　2)1T4R相比2T4R设计上可能存在插损，导致下行性能下降。

　　图5给出了在下行双流和四流的场景下，2T4R和1T2R在不同SNR条件下的吞吐量对比，由于1T4R的SRS周期是2T4R的两倍，在移动场景下不能及时反映信道的信息导致赋型不准，影响下行吞掉量，而且随着流数的增加这种表现越明显。

　　(2)上行双发对上行发射的增益

　　2T4R相对于1T4R，在上行方向上有功率和多天线增益，为了分析2天线及功率所带来的增益性能，本节采用链路预算，分别分析了在室外覆盖和室外覆盖室内的情況下，不同目标速率条件下小区的覆盖半径，图6给出了仿真的结果。其中可以发现以3 Mbit/s为边缘的目标速率时，2T4R相对于1T4R其覆盖距离增加34%。

　　5 结束语

　　从业务发展和网络部署的角度来看，运营商需要通过提升3.5 GHz网络的上行性能来提升用户体验以及降低部署成本。通过本文的分析可知，考虑到现网LTE FDD上行资源相对空闲，因此利用LTE FDD上行频谱资源作为3.5 GHz上行资源的补充是一种有效的提升手段。从上行覆盖、容量和终端设计上的角度来看，超级上行在理论上相对于上行载波聚合和上行补充载波具有一定的优势，链路预算和仿真的结果也表明超级上行对于3.5 GHz的上下行性能均具有明显的增益。超级上行作为一个新技术，无论在标准和产业上仍然有很多工作和关键问题需要完成，中国电信后续将联合产业界积极推动超级上行产业链的成熟，实现5G网络体验的提升和投资成本的降低。

　　参考文献：

　　[1] 许浩，张儒申，徐卸土. 3.5 GHz频段电波传播特性研究[J]. 电信科学， 2018(Z2)： 140-145.

　　[2] TC5-WG9-2019-084. 5G数字蜂窝移动通信网6 GHz以下频段基站设备技术要求(第一阶段)[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. ★