5G超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的上行性能提升方案

黃勁安 梁廣智 陸俊超 蔡子華

【摘 要】超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是5G大幅提升單位面積的頻譜效率、成倍增加網(wǎng)絡(luò)容量的重要途徑。由于網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)化以及5G工作頻段向更高頻帶拓展，上行受限問題凸顯，亟需制定切實可行的上行性能提升方案。通過對輔助上行、雙連接以及上下行解耦方案的分析，提出了在5G超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不同建設(shè)階段的上行增強解決方案。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；輔助上行；雙連接；上下行解耦

1 引言

隨著先進的調(diào)制編碼技術(shù)逐步逼近香農(nóng)極限，基于鏈路級的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化已難以繼續(xù)支撐現(xiàn)網(wǎng)指數(shù)級的數(shù)據(jù)流量增長以及泛在的高質(zhì)量通信需求。為了有效解決有限的無線帶寬資源與泛在高速連接需求的矛盾，5G網(wǎng)絡(luò)將通過加密部署的方式，在傳統(tǒng)宏站（MBS）組成的單層同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，大規(guī)模部署低功耗微站（SBS），形成超密集的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，借此大幅提升單位面積的頻譜效率，成倍增加網(wǎng)絡(luò)的容量。但是，由于網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)化，5G超密集組網(wǎng)的方式也引入了諸如負載不均衡、切換頻繁、網(wǎng)絡(luò)配置開銷大等問題，而形成這些問題的主要原因是網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化和工作頻段提高而造成的上行受限。因此，如何制定可行的上行性能提升方案，對發(fā)揮超密集組網(wǎng)的優(yōu)勢和滿足更高質(zhì)量的通信需求有極大意義。

2 HetNets上行受限

以一個由宏站以及Picocell、Femtocell等多種形態(tài)微站組成的NR雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（NR 2-tier HetNets）為研究模型，如圖1所示。其中，宏站（MBS層）的分布滿足傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)，微站（SBS層）則根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求隨機分布，一般可用泊松點過程（PPP）進行模擬。

首先考慮MBS層。在實際部署中，考慮到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本以及新站址的最優(yōu)位置難以獲取等因素，一般傾向于利用現(xiàn)網(wǎng)站址。假設(shè)采用NR 3.5 GHz與LTE 1.8 GHz以1：1共站建網(wǎng)，由于C-Band的頻譜特性，NR上下行覆蓋能力失衡（UL弱于DL約13 dB，如圖2所示），上行受限問題將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)存在覆蓋空洞。如果盲目采用宏站進行補點，則有破壞網(wǎng)絡(luò)拓撲，造成越區(qū)覆蓋的風(fēng)險；如大量采用微站補盲，考慮到原有宏小區(qū)邊緣一般選在低值或低業(yè)務(wù)需求的區(qū)域，整體性價比也不高；更為合理的方案是，通過提升上行鏈路的覆蓋能力，適當(dāng)拓展宏站的覆蓋面積。

再考慮SBS層。一方面，由于功率受限及高低頻覆蓋差異，微站的覆蓋區(qū)域通常較小，UE在快速穿越微站覆蓋區(qū)域時將面臨頻繁的越區(qū)切換，且切換必須在極短時間內(nèi)完成，否則將導(dǎo)致切換失敗、掉話。另一方面，在宏微重疊覆蓋區(qū)域，由于宏站的發(fā)射功率遠高于微站，且UE會基于DL RSRP選擇接入的服務(wù)小區(qū)，可能導(dǎo)致大量實際地理位置距離微站較近的用戶接入宏站服務(wù)區(qū)，這不僅導(dǎo)致微站的頻率資源無法得到有效利用，即網(wǎng)絡(luò)負載不均衡，而且微站處的用戶也會受到極強的上行干擾。

綜上所述，由于上行受限問題凸顯，NR Ud-HetNets存在極大的性能不足，必須從Intra-Site和Inter-Site層面對NR上行進行性能優(yōu)化，以充分發(fā)揮超密集組網(wǎng)的優(yōu)勢。

3 上行性能提升方案

提升NR上行性能的途徑主要有：提高UE發(fā)射功率，增強UE處理性能，改善上行鏈路?？紤]到電磁輻射對人體的危害，UE發(fā)射功率不應(yīng)超過26 dBm。此外，受制于工藝的發(fā)展，4Rx和TM9等高性能處理模式暫時無法在UE應(yīng)用。因而當(dāng)前主要從改善鏈路傳輸方式入手，以提升NR上行性能。

3.1 輔助上行

考慮NR在不同工作頻段f1（如1.8 GHz 20M帶寬）和f2（3.5 GHz 100M帶寬）條件下的上行覆蓋能力。由于上行數(shù)據(jù)傳輸受限于UE最大發(fā)射功率而非上行信道帶寬，盡管在f2頻段下為用戶分配的PRB更多，但每PRB的功率密度卻遠小于f1頻段下的功率密度，因此，NR f1的上行覆蓋優(yōu)于NR f2。此外，由于f2頻段高于f1，其上行方向的路徑損耗也更大，同理也印證了上述結(jié)論。綜上所述，為了增強NR上行能力，可考慮為NR UL引入輔助鏈路，NR與LTE通過TDM或FDM的方式共用LTE載波頻率。這里的LTE載波即為輔助頻段（Supplementary Bands）。

通過輔助上行（Supplementary Uplink，SUL）可以拓展NR覆蓋范圍。當(dāng)UE處于3.5 GHz覆蓋能力范圍內(nèi)，上行基于3.5 GHz進行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)UE移動到3.5 GHz覆蓋邊緣，上行調(diào)度至1.8 GHz傳輸，如圖3所示。因此，采用SUL方案，理論上NR 3.5 GHz可基本達到LTE 1.8 GHz的覆蓋能力（在NR下行方向通過Massive MIMO等技術(shù)提升性能的前提下）。

需要特別指出的是，LTE載波可用于NR上行共享的基本判斷是，當(dāng)前LTE承載的多為上下行不對稱業(yè)務(wù)，尤其是FDD模式下，上行存在空閑頻率資源（據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)網(wǎng)密集城區(qū)LTE FDD的上下行PRB利用率比例約為1：3）。但SUL會造成LTE性能的下降，尤其是當(dāng)LTE使用高階調(diào)制時，性能下降地更為明顯。當(dāng)且僅當(dāng)設(shè)置1個PRB的頻率保護并且無功率偏置時，SUL對LTE的影響才可忽略[3]。

3.2 雙連接

雙連接（Dual Connectivity，DC）是指工作在RRC連接態(tài)的UE同時由至少兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供服務(wù)，包括一個主節(jié)點（Master Node，MN）和若干個輔節(jié)點（Secondary Node，SN）。其中，MN至少提供CP（控制面）功能以及作為與核心網(wǎng)連接的移動性錨點，SN同步為UE提供輔助的無線資源。MN與SN扮演的角色與節(jié)點的功率類型無關(guān)。基于移動性事件的預(yù)配置，宏站和微站均可能在UE的移動過程中被配置為MN?；贒C技術(shù)，可以較好地解決前文所述的，UE高速移動時在微站間頻繁切換的問題。由于微站始終處于宏站的覆蓋范圍內(nèi)，且宏站可以為UE提供相對穩(wěn)定可靠的連接，因而可以通過切換算法的合理設(shè)計，將宏站配置為MN，執(zhí)行與UE的RRC連接功能及SN的添加、修改和釋放功能，而被配置為SN的微站只提供UP（用戶面）的連接。這樣，既避免了頻繁切換的信令開銷，也使得高速移動場景下處于小區(qū)邊緣的用戶也能保持良好的體驗速率。

與SUL僅從Intra-Site層面實現(xiàn)上行性能提升不同，DC主要是通過控制面與用戶面的分離以及多節(jié)點資源聚合，從Inter-Site層面同步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的上行及下行性能。

DC的具體方式與NR的組網(wǎng)架構(gòu)有關(guān)，如EN-DC，即LTE與NR的雙連接，圖4是Option 3x下的DC承載示意圖。在EN-DC場景下，LTE節(jié)點始終作為MN，能夠在NR小區(qū)邊緣，依舊為UE保持良好的上行連接。

相對SUL，EN-DC對LTE的影響更小，但實際上EN-DC作用于下行鏈路的性能提升更為明顯。對于處于MN小區(qū)邊緣的UE，保持一個以上的上行鏈路會導(dǎo)致整體能效的下降。更為合理的方案是，借鑒SUL思路，僅對上行方向作性能增強，即當(dāng)UE移動至MN小區(qū)邊緣時，UE不必因為下行方向的雙連接而強行綁定兩個上行鏈路。這就要求打破傳統(tǒng)的UE基于DL RSRP的上下行耦合接入策略。

3.3 上下行解耦

上下行解耦（Downlink and Uplink Decoupling，DUDe）突破了傳統(tǒng)的耦合接入策略，在下行方向基于DL RSRP的強度選擇最優(yōu)的基站作為下行服務(wù)小區(qū)，而上行方向則依據(jù)Path Loss進行接入判定。當(dāng)UE處于上下行功率不平衡的區(qū)域時，通過解耦合，無論上行還是下行，都能基于最優(yōu)策略選擇接入，既實現(xiàn)了上行方向的負載均衡，也實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)整體能效的提升。

但以上僅僅是基于簡化模型的分析，當(dāng)微站的數(shù)量發(fā)生變化時，網(wǎng)絡(luò)的特性也將發(fā)生改變，必須進一步論證微站數(shù)量動態(tài)變化時，基于DUDe策略相對基于DL RSRP策略對網(wǎng)絡(luò)的能效提升作用。在圖5（a）仿真結(jié)果[8]中，基于DUDe策略并未如期望獲得比基于DL RSRP策略更好的能效提升作用，這是由于DUDe對網(wǎng)絡(luò)能效的提升是整體的，而非平均數(shù)值的。DUDe實際上是犧牲了原本網(wǎng)絡(luò)中極少數(shù)能效極高的用戶體驗來換取整體性能的提高。這從圖5（b）可以得到證明，當(dāng)去除網(wǎng)絡(luò)能效最高的10%的用戶后，再進行對比時，可以看到，DUDe策略對網(wǎng)絡(luò)能效的提升是高于DL RSRP策略的。

4 NR上行增強解決方案

輔助上行、雙連接、上下行解耦均是提升NR上行性能的可選方案。但具體設(shè)計方案時，必須結(jié)合當(dāng)前NR網(wǎng)絡(luò)的實際發(fā)展階段合理選用。

對于輔助上行的定位，從技術(shù)實現(xiàn)的角度考慮，參考3GPP對FR1頻帶雙工模式的定義以及當(dāng)前國內(nèi)頻譜分配現(xiàn)狀，未來實現(xiàn)SUL的頻率方案中，以n78和n80、n79和n80這兩種組合的可能性最高。無論NR采用n78還是n79組網(wǎng)，均為TDD雙工模式，要求不同基站間保持嚴格的時間同步，而n80用于LTE時多為FDD雙工模式，不同基站間無需嚴格的時間同步，這就導(dǎo)致輔助頻段上NR與LTE之間可能存在時間偏移。此外，還有NR上行功率控制的問題。由于NR上行路徑損耗估算是采用對下行鏈路的參考信號的測量來實現(xiàn)的，通過n78或n79下行參考信號估算出的n80上行損耗，會遠大于n80上行的實際損耗，而這種偏差將影響上行功率控制的準確性。

上述問題雖然有可行的解決方案，但也在一定程度上限制了SUL的應(yīng)用場景。從業(yè)務(wù)發(fā)展的角度考慮，n80或其他輔助頻段的帶寬受限，從長遠來看難以滿足越來越成熟的諸如視頻通話等上下行對稱業(yè)務(wù)的需求。因此，SUL更適合作為NR建網(wǎng)初期的過渡方案。表1為NR FR1部分頻帶范圍及雙工模式。

雙連接與NR的組網(wǎng)架構(gòu)緊耦合。例如，在Option 3/3a/3x下，以EN-DC的方式組網(wǎng)，LTE節(jié)點優(yōu)先配置為MN，NR節(jié)點為SN，MN與SN之間通過非理想回傳的Xx接口互連，實際雙連接的性能受限于EPC；在Option 7/7a下，對應(yīng)為NGEN-DC方式，此時LTE節(jié)點與MN的配置關(guān)系不變，但LTE節(jié)點已通過軟件升級性能得到增強，同理，NR節(jié)點仍扮演SN的角色；而在Option 4/4a下，對應(yīng)為NE-DC方式，LTE節(jié)點與NR節(jié)點的角色互換?，F(xiàn)階段，3GPP對于雙連接的研究仍側(cè)重NSA模式，對于SA模式下的NR-NR DC，仍有待進一步研究。由此可見，雙連接技術(shù)的應(yīng)用取決于運營商的組網(wǎng)策略以及當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段。

上下行解耦有益于同頻或異頻部署時的上行增強及負載均衡，但當(dāng)其應(yīng)用于NR和LTE異系統(tǒng)間時，實際上也將面臨與SUL類似的技術(shù)問題（可以將SUL視為上下行解耦的特例），從而導(dǎo)致應(yīng)用場景受限。因此，上下行解耦距離全面組網(wǎng)應(yīng)用也還有一定的差距。

綜上所述，NR上行增強，應(yīng)伴隨著5G超密集異構(gòu)組網(wǎng)的發(fā)展而進行。在建網(wǎng)初期，考慮到對5G全業(yè)務(wù)的支持以及避免多次演進，采用Option 2 SA組網(wǎng)架構(gòu)，與LTE 1.8 GHz或2.6 GHz 1：1共站組網(wǎng)，優(yōu)先完成NR超密集異構(gòu)網(wǎng)的MBS層。對于高價值高流量區(qū)域，如存在覆蓋空洞，采用桿站形態(tài)的宏站進行補盲，或者適當(dāng)調(diào)整原LTE站址。對于LTE上行業(yè)務(wù)不敏感區(qū)域，鑒于SUL對NR上行的增益以及工程實施的便利性（以某設(shè)備商實施方案為例，詳見圖6），引入SUL適當(dāng)拓展NR覆蓋范圍。在建網(wǎng)中期，隨著NR宏站全覆蓋的逐步完善以及微站的逐步加密，考慮到用戶從LTE遷移到NR的用時以及UE的成熟，可適當(dāng)引入Option 4/4a NSA架構(gòu)，并實現(xiàn)NE-DC，進一步加強MBS層的綜合覆蓋能力，以及MBS層和SBS層之間的協(xié)同覆蓋。在建網(wǎng)中后期，實現(xiàn)NR-NR DC以及DUDe的聯(lián)合使用，以取得上行性能提升的增益最大化。

5 結(jié)束語

輔助上行、雙連接以及上下行解耦技術(shù)均是提升5G超密集異構(gòu)網(wǎng)上行性能的有效手段。通過上述三類技術(shù)的靈活或疊加使用，能夠解決5G超密集異構(gòu)網(wǎng)中上下行不平衡以及負載不均衡等問題，以發(fā)揮超密集組網(wǎng)的優(yōu)勢，能滿足更高質(zhì)量的通信需求。文章基于對三類上行性能提升方案的分析，提出了在5G網(wǎng)絡(luò)不同建設(shè)階段的上行增強解決方案，希望對實際的工程部署有一定的借鑒意義。

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