上行選擇發(fā)射原理和實(shí)現(xiàn)分析

（中國(guó)電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

4G 時(shí)代的移動(dòng)業(yè)務(wù)需求以下行為主，因此網(wǎng)絡(luò)能力主要為下行大帶寬，上行大帶寬需求較少。而隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展，5G 超高速率、超大連接、超低時(shí)延的特性進(jìn)一步推動(dòng)萬(wàn)物互聯(lián)構(gòu)建的智能世界進(jìn)入各行各業(yè)千家萬(wàn)戶，如AR/VR、4K/8K 高清直播、短視頻等上行高速率需求的業(yè)務(wù)逐漸增多并占據(jù)重要位置，對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提出了上行大帶寬和低時(shí)延等需求。

國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商主流的5G 頻段一般在中高頻，以中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通的3.5 GHz TDD 網(wǎng)絡(luò)為例，使用2.5 ms 雙周期的幀結(jié)構(gòu)，下行時(shí)隙占比遠(yuǎn)高于上行時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)的上行利用率較低。提升網(wǎng)絡(luò)的上行利用率是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需要解決的問題，在這種背景下，利用多頻協(xié)同的上行選擇發(fā)射技術(shù)被提出以用于提升5G 的上行利用率和容量。

1 上行選擇發(fā)射技術(shù)原理

在上行選擇發(fā)射技術(shù)提出之前，3GPP 在R15 版本已經(jīng)有相關(guān)的上行增強(qiáng)技術(shù)，主要包括SUL（Supplementary Uplink，補(bǔ)充上行）、CA（Carrier Aggregation，載波聚合）和EN-DC（EUTRA-NR Dual Connection，4G-5G 雙連接）三類[1]。SUL 主要用于小區(qū)邊緣，用于提升上行覆蓋；CA 可以提升下行吞吐率，但受限于終端的發(fā)射天線數(shù)量無(wú)法有效提升上行吞吐量；EN-DC 主要用于NSA 網(wǎng)絡(luò)。

2019 年9 月，上行選擇發(fā)射技術(shù)正式納入3GPP Rel-16 立項(xiàng)[2]，并分別于2019 年11 月和2020 年2 月由RAN4 聯(lián)絡(luò)函出發(fā)RAN1 和RAN2 工作組討論。3GPP 定義了2Tx 終端的兩種工作情形[3]，如表1 所示。

表1 2Tx終端的工作模式

Case1 指的是2Tx 終端在兩個(gè)載波1 和載波2 上分別以1Tx 傳輸，Case2 指的是2Tx 終端在其中一個(gè)載波上以2Tx 傳輸。其中，Case1 根據(jù)是否支持上行數(shù)據(jù)在兩載波并發(fā)又分為option1 和option2 兩種模式，如表2 所示。

表2 Case1兩種工作模式

以載波1 為2.1 GHz FDD 載波和載波2 為3.5 GHz TDD 載波為例，現(xiàn)階段的終端大多在2.1 GHz FDD 上行只能單發(fā)，在3.5 G 上行可以雙發(fā)。為方便描述，在本文中Case1 option1 模式默認(rèn)在2.1 GHz 上工作，Case1 option2 模式默認(rèn)在2.1 GHz 和3.5 GHz 上同時(shí)工作，Case2 模式默認(rèn)在3.5 GHz 上工作。若可以實(shí)現(xiàn)Case2 和Case1 工作模式的切換，在3.5 GHz TDD 下行時(shí)隙時(shí)終端切換到另一FDD 載波上工作進(jìn)行上行發(fā)送，則可以有效提升上行的容量。

Case1 和Case2 兩種工作模式的切換的本質(zhì)是上行發(fā)射天線的切換，所以3GPP 在Rel-16 引入了Uplink Tx Switching 功能，并同時(shí)定義了35/140/210 μs 三檔切換容忍時(shí)延，明確SUL 和UL CA 場(chǎng)景下切換時(shí)延選擇區(qū)間為{35 μs,140 μs,210 μs}，EN-DC 場(chǎng)景下切換時(shí)延選擇區(qū)間為{35μs,140 μs}[4]。Uplink Tx Switching功能需要終端支持，終端所支持的切換時(shí)延等級(jí)將在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)包含在終端能力中進(jìn)行上報(bào)，同時(shí)，終端能力上報(bào)中引入上行切換所帶來(lái)的下行中斷上報(bào)，并且針對(duì)SUL+TDD、TDD+TDD CA、TDD+TDD EN-DC 三種場(chǎng)景下不引入下行接收中斷。

在SUL、UL CA 和EN-DC 三種上行增強(qiáng)技術(shù)的基礎(chǔ)上開啟Uplink Tx Switching 功能，即為上行選擇發(fā)射技術(shù)，也稱為超級(jí)上行技術(shù)。上行選擇發(fā)射技術(shù)可以使終端通過類似TDM（Time Division Multiplexing，時(shí)分復(fù)用）的方式在兩個(gè)載波上進(jìn)行上行時(shí)分發(fā)射，工作模式如圖1 所示。對(duì)于上行選擇發(fā)射的Switching period 位置由基站調(diào)度器決定，無(wú)須經(jīng)過RRC 消息配置，一般位于FDD 載波上。

需要明確的是，在終端開啟Uplink Tx Switching功能后，終端不可配置兩個(gè)載波1Tx+2Tx 同時(shí)發(fā)送，1Tx+2Tx 只適于TDM 模式。

2 基于SUL的上行選擇發(fā)射實(shí)現(xiàn)

不同能力的終端在基于SUL 上行選擇發(fā)射的網(wǎng)絡(luò)中工作模式不同，基于SUL 的上行選擇發(fā)射其主要的工作流程如下：

（1）小區(qū)的SUL 載波頻段配置

小區(qū)的SUL 載波的配置信息由小區(qū)的系統(tǒng)消息SIB1 中servingCellConfigcommon 字段里supplementaryUplink中的frequencyInfoUL 參數(shù)提供，包含了小區(qū)中的所有SUL 載波信息。如果該參數(shù)缺失或缺省，則表明終端接入的小區(qū)未配置SUL 載波，終端直接在Non-SUL 載波上進(jìn)行接入。

（2）終端隨機(jī)接入流程

當(dāng)終端支持SUL 且小區(qū)配置了SUL 載波時(shí)，終端將根據(jù)在SIB1 消息中的字段RACH-ConfigCommon中rsrp-ThresholdSSB-SUL 參數(shù)的值和測(cè)量得到的小區(qū)SSB-RSRP 值進(jìn)行判斷。如果SSB-RSRP 值大于SIB1 設(shè)置的門限值，終端將在Non-SUL 載波上進(jìn)行隨機(jī)接入。如果SSB-RSRP 值小于設(shè)置的門限值，則終端將直接在SUL 載波上進(jìn)行隨機(jī)接入[5]。

圖1 2Tx終端上行選擇發(fā)射工作狀態(tài)

當(dāng)終端不支持SUL 或不支持小區(qū)配置的SUL 頻段時(shí)，終端將無(wú)視SIB1 消息中的SSB-RSRP 判斷字段，直接在Non-SUL 載波上進(jìn)行隨機(jī)接入。

（3）基于SUL 的上行選擇發(fā)射生效流程

當(dāng)終端在SUL 載波上進(jìn)行隨機(jī)接入時(shí)，網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)開啟SUL 功能，配置終端工作模式為Case1 option1，終端在SUL 載波上進(jìn)行上行傳輸。此過程非3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義，具體策略由基站調(diào)度器決定，可以進(jìn)行優(yōu)化。例如可以將基站測(cè)量得到的SRS-RSRP 值作為第二道判決依據(jù)，當(dāng)終端在SUL 載波上進(jìn)行接入后，若SRS-RSRP 值大于某一門限，說明信道質(zhì)量尚可，基站將使基于SUL 的上行選擇發(fā)射生效；而SRS-RSRP 值小于門限時(shí)，基站僅使SUL 生效，上行選擇發(fā)射不生效。

當(dāng)終端在Non-SUL 載波上進(jìn)行隨機(jī)接入時(shí)，在隨機(jī)接入MSG5 RRCSetupcomplete 消息發(fā)送完成后，網(wǎng)絡(luò)將要求終端上報(bào)終端能力，根據(jù)終端能力的不同有以下不同的流程：

1）終端不支持SUL 或不支持小區(qū)配置的SUL 頻段時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將配置終端的工作模式為Case2，終端在Non-SUL 載波上進(jìn)行上行傳輸。終端是否支持SUL 具體可檢索UE capability information element 消息中BandCombinationList字段中的頻段組合。

2）終端支持SUL，但不支持上行選擇發(fā)射?；緯?huì)根據(jù)終端上報(bào)的多載波能力和單載波能力進(jìn)行比較，從而確定終端的工作模式將。例如，終端Non-SUL 的能力為T2R4 SRS，但SUL 的能力為T1R4 SRS，那么終端處在小區(qū)近中點(diǎn)信道環(huán)境較好時(shí)，將不會(huì)使SUL 生效，因?yàn)镾UL 生效會(huì)導(dǎo)致終端上行傳輸只能為單流，極大減小了終端的上行容量。但如果終端Non-SUL 的能力為T2R4 SRS，SUL 的能力也為T2R4 SRS，則基站調(diào)度器會(huì)根據(jù)SUL 載波和Non-SUL 載波上的容量決定在哪個(gè)載波上進(jìn)行上行傳輸。

3）終端支持上行選擇發(fā)射，終端開啟上行選擇發(fā)射。終端是否支持上行選擇發(fā)射具體可檢索UE capability information element 消息中BandCombination-UplinkTxSwitch-r16 字段，若該參數(shù)缺失或缺省，則表明不支持上行選擇發(fā)射。

基于SUL 的上行選擇發(fā)射，其工作流程示意圖如圖2所示。

對(duì)于 基于SUL 的上行選擇發(fā)射，終端在近中點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)的工作模式如圖3 所示。

3 基于UL CA的上行選擇發(fā)射實(shí)現(xiàn)

圖2 基于SUL的上行選擇發(fā)射工作流程示意圖

圖3 基于SUL的上行選擇發(fā)射工作模式

與基于SUL 的上行選擇發(fā)射可以在SUL 載波上發(fā)起隨機(jī)接入不同，基于UL CA 的上行選擇發(fā)射一般在主載波上發(fā)起隨機(jī)接入，所以在整體生效的流程上會(huì)更加單一。基于UL CA 的上行選擇發(fā)射其主要的工作流程如下：

（1）小區(qū)的輔載波配置

小區(qū)的輔載波配置信息不在小區(qū)的系統(tǒng)消息中廣播，而是在發(fā)起隨機(jī)接入后，由RRC 重配置消息配置，輔小區(qū)頻段或小區(qū)的添加和刪除分別由CellGroupConfig 字段的sCellToAddModList 參數(shù)和sCellToReleaseList 參數(shù)提供，輔小區(qū)的參數(shù)配置由相同字段的SCellConfig 參數(shù)提供。輔小區(qū)添加和刪除的觸發(fā)機(jī)制分別為通過基于測(cè)量添加或盲添加輔載波，通過基于測(cè)量刪除輔載波。

（2）終端隨機(jī)接入流程

終端根據(jù)駐留策略，優(yōu)先在高優(yōu)先級(jí)的小區(qū)中駐留并發(fā)起隨機(jī)接入。

（3）基于上行CA 的上行選擇發(fā)射生效流程

3GPP 未定義輔小區(qū)的激活方式，可基于不同的策略實(shí)現(xiàn)，如默認(rèn)激活或基于終端buffer 的緩存大小激活。在滿足輔小區(qū)的激活條件后，基站通過在主載波上發(fā)送MAC CE 激活輔載波，MAC CE 中對(duì)應(yīng)輔載波的bitmap比特信息為1 則表示激活對(duì)應(yīng)的輔載波。

根據(jù)終端能力的不同有以下不同的考慮：

1）終端支持UL CA，但不支持上行選擇發(fā)射。基站是否激活輔小區(qū)還可以考慮終端在輔小區(qū)的上行容量。因?yàn)閷?duì)于2Tx 的終端，激活上行CA 時(shí)終端的工作模式為Case1 option2，終端在主小區(qū)和輔小區(qū)各1T 并發(fā)有可能會(huì)導(dǎo)致上行的容量降低。

2）終端支持上行選擇發(fā)射，可以默認(rèn)激活或基于終端buffer 的緩存大小激活輔小區(qū)開啟上行選擇發(fā)射。

基于UL CA 的上行選擇發(fā)射流程圖如圖4 所示。

對(duì)于基于UL CA 的上行選擇發(fā)射，終端在近點(diǎn)、中遠(yuǎn)點(diǎn)的和在邊緣點(diǎn)的工作模式如圖5 所示。

4 上行選擇發(fā)射不同實(shí)現(xiàn)技術(shù)的比較

圖4 基于UL CA的上行選擇發(fā)射流程圖

上行選擇發(fā)射可以通過SUL 和UL CA 實(shí)現(xiàn)，基于這兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的上行選擇發(fā)射具有不同的特點(diǎn)，以3.5 GHz和2.1 GHz 的雙頻組合為例，兩種技術(shù)的具體對(duì)比情況如下：

（1）配置與激活方式：對(duì)于UL CA 方案，輔小區(qū)添加可采用基于測(cè)量的添加和盲添加兩種方式，通過MAC CE 激活，激活方式可根據(jù)業(yè)務(wù)量或者默認(rèn)激活等。對(duì)于SUL 方案，SUL 頻段由SIB1 配置，SUL 參數(shù)由RRC 消息配置，激活方式一般為默認(rèn)配置后立即激活，根據(jù)業(yè)務(wù)量激活由于需要RRC 重配置消息下發(fā)SUL 參數(shù)配置會(huì)有較大時(shí)延，較不靈活。

（2）控制信道資源：對(duì)于UL CA 方案，下行控制信道PDCCH 資源可配置位于主載波或輔載波或同時(shí)位于主載波和輔載波，上行控制信道PUCCH 資源位置與PDCCH 相同。對(duì)于SUL 方案，下行控制信道PDCCH 資源只能配置在Non-SUL 載波，上行控制信道PUCCH 資源可位于Non-SUL 載波或SUL 載波。

圖5 基于UL CA的上行選擇發(fā)射工作模式

（3）UE 上行近點(diǎn)速率：UE 上行近點(diǎn)速率和終端的發(fā)射天線數(shù)以及第二載波的帶寬相關(guān)。在2Tx 終端和3.5 G 100 M/2.1 G 20 M 的配置下，UL CA 方案和SUL 方案兩者可達(dá)的上行速率基本一致。

（4）UE 上行中遠(yuǎn)點(diǎn)速率：對(duì)于UL CA 方案，可以上行并發(fā)，在2.1 G 單載波速率高于3.5 G 雙流速率一半的區(qū)域上行容量更大。對(duì)于SUL 方案，無(wú)法上行并發(fā)，中遠(yuǎn)點(diǎn)部分區(qū)域上行容量可能劣于基于上行CA 的上行選擇發(fā)射。

（5）UE 上行邊緣速率：NR 3.5 G 和2.1 G 二者取優(yōu)。對(duì)于UL CA 方案，NR 3.5 G 做CA 主載波時(shí)PDCCH 資源充足，邊緣有保障。對(duì)于SUL 方案，因SUL 無(wú)對(duì)應(yīng)的下行信道測(cè)量，因此性能難以保障。

（6）移動(dòng)性能：對(duì)于UL CA 方案，移動(dòng)性能較好，比較成熟，上行和下行可以走不同載波，二者可非同步。對(duì)于SUL 方案，移動(dòng)性能較差，NR 3.5 G 和SUL 必須同扇區(qū)，SUL 無(wú)對(duì)應(yīng)的下行導(dǎo)頻測(cè)量，跟隨NR 3.5 G 下行切換會(huì)存在較大誤差。

（7）組網(wǎng)靈活性：對(duì)于UL CA 方案，組網(wǎng)靈活性較好，TDD 和FDD 載波相互解耦，可用于小區(qū)間、站間，組網(wǎng)靈活。對(duì)于SUL 方案，組網(wǎng)靈活性較差，R15 和R16 版本的SUL都是基于共站組網(wǎng)，TDD 與FDD 相互耦合，組網(wǎng)靈活性低。

（8）網(wǎng)絡(luò)改造量：對(duì)于UL CA 方案，對(duì)于2.1 G 和3.5 G小區(qū)方向沒有較高要求，改造量可能較小。對(duì)于SUL 方案，需保證2.1 G 小區(qū)和3.5 G 小區(qū)方向基本一致，可能需要將現(xiàn)有的2.1 G 基站天面進(jìn)行改造。

5 結(jié)束語(yǔ)

上行選擇發(fā)射技術(shù)利用多頻協(xié)同的方法，提升了網(wǎng)絡(luò)上行的容量，同時(shí)也因?yàn)榛赟UL 和上行CA 的技術(shù)基礎(chǔ)，同樣可以提升小區(qū)的覆蓋?；赟UL 和基于UL CA 的上行選擇發(fā)射具有不同的特點(diǎn)，各有優(yōu)劣，在實(shí)際部署中應(yīng)該根據(jù)需求選擇合適的技術(shù)部署，也可以制定相關(guān)的策略，實(shí)現(xiàn)兩種上行選擇發(fā)射技術(shù)的自適應(yīng)，以最大化發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)的性能。