基于上行智選提升5G 用戶體驗(yàn)的優(yōu)化方法與應(yīng)用

［黃智瀛 白錫添 杜安靜］

1 引言

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和5G 用戶逐漸增多，用戶的視頻通話、視頻直播、移動視頻監(jiān)控、AI、AR 等業(yè)務(wù)得到了蓬勃發(fā)展，這些新業(yè)務(wù)對于5G 網(wǎng)絡(luò)有了更高流量、更高質(zhì)量、更高速率的需求。

然而受限于市場現(xiàn)有終端的發(fā)射功率和2.6 GHz（NR）相較于1.8 GHz（LTE）較弱的傳播能力，5G 信號在部分深度覆蓋區(qū)域（如工業(yè)區(qū)、城中村、居民小區(qū)內(nèi)等場景）衰減較大，部分處在NR 網(wǎng)絡(luò)覆蓋中遠(yuǎn)點(diǎn)的5G 用戶的上行體驗(yàn)并不理想。并且在當(dāng)前情況下，部分NSA 終端上行分流功能還不成熟，上行業(yè)務(wù)在5G 側(cè)傳輸時(shí)，終端用戶無法感知LTE 與NR 兩側(cè)體驗(yàn)差異，進(jìn)而無法確保當(dāng)前路徑是否為最佳上行路徑，因此需要按用戶體驗(yàn)速率來選擇上行路徑。

為改善NSA 場景下5G 用戶的上行體驗(yàn)，深圳移動公司研究了上行智選技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制UE 將上行業(yè)務(wù)動態(tài)調(diào)整發(fā)送至gNodeB 或者eNodeB，從而利用1.8 GHz LTE 輔助2.6 GHz NR，提升中遠(yuǎn)點(diǎn)的體驗(yàn)速率、大大改善用戶體驗(yàn)。

2 LTE 和5G 的雙連接技術(shù)

上行智選技術(shù)主要是以5G NSA 組網(wǎng)架構(gòu)中的雙連接（DC，Dual-Connectivity）技術(shù)為基礎(chǔ)。雙連接是3GPP 在Release-12 版本引入的重要技術(shù)。通過雙連接技術(shù)，LTE 終端可以利用X2 接口來實(shí)現(xiàn)載波聚合，從而為用戶提供更高的速率，以及利用宏/微組網(wǎng)提高頻譜效率和負(fù)載平衡，支持雙連接的終端可以同時(shí)連接兩個(gè)LTE基站，增加單用戶的吞吐量。在LTE 雙連接技術(shù)基礎(chǔ)上，3GPP Release-14 定義了LTE 和5G 的雙連接技術(shù)。針對5G 建設(shè)的不同場景，3GPP 定義了多種不同的LTE 和5G 雙連接模式：主要有Option 3/3a/3x、Option 4/4a、Option 7/7a/7x 和Option 8/8a 等。當(dāng)前國內(nèi)運(yùn)營商的NSA 架構(gòu)主要是采用Option 3x 模式。

在5G NSA 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的Option 3x 模式中，5G 終端可以同時(shí)連接4G（E-UTRAN）與5G（NR），4G 與5G接入網(wǎng)共用一個(gè)4G 核心網(wǎng)（EPC）。該模式雙連接中一個(gè)節(jié)點(diǎn)LTE eNodeB 為主節(jié)點(diǎn)MN，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)NR gNB為輔節(jié)點(diǎn)SN。主節(jié)點(diǎn)LTE eNodeB 通過S1 接口連接到核心網(wǎng)EPC，包括控制面S1-C 和用戶面S1-U，輔節(jié)點(diǎn)NR gNB 通過S1-U 連接到4G 核心網(wǎng)EPC，主節(jié)點(diǎn)LTE eNodeB通過X2接口連接到輔節(jié)點(diǎn)NR gNB進(jìn)行信息交互，包括控制面X2-C 和用戶面X2-U。Option 3x 模式中UE 的控制面信令S1-C 終結(jié)在LTE eNodeB，用戶面數(shù)據(jù)由5G基站連接到EPC，gNB 可將用戶數(shù)據(jù)分流至eNodeB。

在不同的5G 雙連接模式下，用戶面有不同的協(xié)議架構(gòu)。用戶面無線承載可以由MN 或者SN 單獨(dú)建立，也可以由MN 和SN 分別建立。僅由MN 建立時(shí)稱為MCG 承載（MCG Bearer），僅由SN 建立時(shí)稱為SCG 承載（SCG Bearer），同時(shí)由MN 或者SN 建立時(shí)，分別稱為分離式承載（Split Bearer）和SCG 分離式承載（SCG Split Bearer）。

在雙連接Option 3 模式下，分離式承載建立在MN上，PDCP 包可經(jīng)X2 接口轉(zhuǎn)發(fā)到gNB 的RLC 層，也可以直接通過eNodeB 的RLC 發(fā)送給終端。Option 3a 則會在MN 和SN 分別建立承載，用戶數(shù)據(jù)在核心網(wǎng)側(cè)分離。模式Option 3x 下，分離式承載建立在SN 側(cè)，gNB 可以通過X2 接口將PDCP 包轉(zhuǎn)發(fā)給eNB，也可以直接通過本地的NR RLC 進(jìn)行傳輸。

因此，基于5G NSA 雙連接技術(shù)的靈活性，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)空口的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行靈活調(diào)度，充分利用4G、5G資源，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無線資源利用率，并提升用戶感知。

3 上行智選的技術(shù)原理與過程

中國移動2.6 GHz 頻段的5G NR 相比1.8 GHz 頻段的LTE 帶寬大、頻率高，如要達(dá)到相近的覆蓋范圍，5G NR 的上下行發(fā)射功率相比4G 要求更高，基站側(cè)可以直接增加發(fā)射功率，但UE 側(cè)的功率受限于當(dāng)前的協(xié)議規(guī)定，最大不超過23 dBm，導(dǎo)致5G 上下行不平衡問題突出。5G 網(wǎng)絡(luò)的NSA 架構(gòu)中，UE 為雙鏈接模式，信令面承載在LTE 錨點(diǎn)小區(qū)上，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般建立在NR 側(cè)。在NSA DC 場景下，如果NSA UE 不支持上行分流，則上行業(yè)務(wù)只能承載在LTE 側(cè)或NR 側(cè)。由于現(xiàn)網(wǎng)中LTE 與NR在帶寬、負(fù)載、無線環(huán)境等方面存在差異，所以上行體驗(yàn)將隨著UE 的移動而發(fā)生變化。因此，可以基于空口無線環(huán)境、負(fù)載情況等預(yù)估LTE 與NR 的上行速率，選擇最優(yōu)上行數(shù)傳路徑，提升UE 上行體驗(yàn)。為解決5G 上下行不平衡的情況，在NSA 場景下，可以通過上行智選方案來提升5G 覆蓋的中遠(yuǎn)點(diǎn)用戶的體驗(yàn)。

3.1 上行智選功能原理

上行智選技術(shù)主要基于NR 側(cè)的上行SINR 質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過控制UE 將上行業(yè)務(wù)動態(tài)調(diào)整至NR gNB 或者LTE eNB 進(jìn)行調(diào)度，從而利用LTE 的上行覆蓋能力彌補(bǔ)NR 上行覆蓋的不足。當(dāng)此功能生效后，NR 小區(qū)邊緣用戶的上行數(shù)據(jù)將切換到LTE 傳輸，以提升邊緣用戶體驗(yàn)。上行智選原理如圖1 所示。

圖1 上行智選原理示意圖

5G 雙連接終端的上行數(shù)傳可承載在LTE PUSCH 或NR PUSCH，當(dāng)NR 上行PUSCH 覆蓋受限時(shí)，可以切換到LTE PUSCH 上發(fā)送數(shù)據(jù)。需注意，這里僅上行數(shù)傳路徑發(fā)生變更（部分PUSCH），NR 側(cè)上行控制信道PRACH 和PUCCH 還是承載在NR 側(cè)，NR 的RLC 層狀態(tài)報(bào)告等非應(yīng)用層數(shù)據(jù)原來需要通過NR PUSCH 傳輸?shù)倪€繼續(xù)在NR PUSCH 發(fā)送。

3.2 上行智選功能信令流程

上行智選過程的信令流程比較簡單，主要是無線側(cè)通知UE 變更上行數(shù)據(jù)傳輸路徑。當(dāng)NR 側(cè)上行SINR 質(zhì)量變差時(shí)，gNodeB 發(fā)送SgNB Modification Required 消息給eNodeB，觸發(fā)上行分流模式變更。eNodeB 發(fā)送RRC重配消息給UE，通知UE 在LTE 側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)NR 側(cè)上行SINR 質(zhì)量變好時(shí)，gNodeB 同樣發(fā)送SgNB Modification Required 消息給eNodeB，eNodeB 再發(fā)送RRC 重配消息給UE，通知UE 上行分流模式按原配置方式進(jìn)行。

上行智選的信令流程如圖2 所示。

圖2 上行智選的信令流程

3.3 上行智選判決流程

根據(jù)NR 用戶所處無線環(huán)境，基于上行體驗(yàn)將NR 上行覆蓋分為3 個(gè)區(qū)域：NR 上行優(yōu)選區(qū)、LNR（LTE-NR）上行智選區(qū)、NR 上行受限區(qū)。上行智選的分區(qū)場景如圖3 所示，系統(tǒng)根據(jù)不同區(qū)域場景來決策用戶是否分流以及相應(yīng)的參數(shù)配置等。

圖3 上行智選的分區(qū)場景示意圖

（1）NR 上行優(yōu)選區(qū)：上行駐留在NR，享受高速率和低時(shí)延；

（2）LNR 上行智選區(qū)：上行大包用戶，周期性比較LTE 和NR 兩側(cè)的上行預(yù)估速率，選擇最優(yōu)上行載波；

（3）NR 上行受限區(qū)：NR 上行空口質(zhì)量差時(shí)，上行駐留在LTE，保證上行覆蓋。

在上行智選區(qū)，當(dāng)5G NSA 終端NR 側(cè)的上行SINR質(zhì)量一般，即在“好”與“差”的某個(gè)區(qū)間時(shí)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)比較LTE 和NR 側(cè)的上行預(yù)估速率，來判斷是否需要變更上行數(shù)據(jù)的傳輸路徑。

為保證變更至LTE 后相對于上行NR-ONLY 基線無負(fù)增益，NR 側(cè)采用“嚴(yán)出寬進(jìn)”策略，比如：

（1）LTE 預(yù)估速率＞4＊NR 預(yù)估速率，則上行數(shù)傳變更至LTE；

（2）LTE 預(yù)估速率＜2＊NR 預(yù)估速率，則上行數(shù)傳變更至NR。

上行智選的具體判決流程如圖4 所示。

圖4 上行智選的判決流程

NR 側(cè)上行SINR 質(zhì)量判決主要原則如下：

（1）當(dāng)上一次判決結(jié)果為“差”時(shí)，如果后續(xù)連續(xù)n 次檢測NR 上行SINR 值均滿足大于“低門限+遲滯”，需進(jìn)行下一層判決；否則此次最終判決結(jié)果為“差”。

（2）下一層判決：均滿足SINR大于“高門限+遲滯”，則此次最終判決結(jié)果為“好”；否則此次最終判決結(jié)果為“一般”。

（3）當(dāng)上一次判決結(jié)果為“好”時(shí)，如果后續(xù)連續(xù)n次檢測NR 上行SINR 值均滿足SINR 小于“高門限-遲滯”，需進(jìn)行下一層判決；否則此次最終判決結(jié)果為“好”。

（4）下一層判決：均滿足SINR 小于“低門限-遲滯”，則此次最終判決結(jié)果為“差”；否則此次最終判決結(jié)果為“一般”。

（5）當(dāng)初始判決或上一次判決結(jié)果為“一般”時(shí)，如果后續(xù)連續(xù)n次檢測NR 上行SINR 值滿足SINR 大于“高門限+遲滯”，則此次最終判決結(jié)果為“好”；如果均滿足SINR 小于“低門限-遲滯”，則此次最終判決結(jié)果為“差”；否則此次最終判決結(jié)果為“一般”。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)不同的判決結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)策略

（1）當(dāng)判決結(jié)果為“差”時(shí)，eNodeB 通知UE 在LTE 側(cè)進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸。

（2）當(dāng)判決結(jié)果為“好”時(shí)，eNodeB 通知UE 上行分流模式按原配置方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）當(dāng)判決結(jié)果為“一般”時(shí)，如果是大包用戶，則按以下原則比較兩側(cè)預(yù)估速率：

①LTE 上行預(yù)估速率＞NR 上行預(yù)估速率×較大的速率比系數(shù)1，觸發(fā)上行分流模式變更，UE 在LTE 側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

② LTE 上行預(yù)估速率＜NR 上行預(yù)估速率×較小的速率比系數(shù)2，則通知UE 上行分流模式按原配置方式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸。

4 應(yīng)用效果

對選定某區(qū)域測試，在NR 2.6 GHz 上行覆蓋邊緣點(diǎn),上行智選技術(shù)使用后數(shù)據(jù)傳輸主路徑切換前后UE 上行吞吐率對比如圖5 所示。

圖5 上行智選變更前后速率提升效果

（1）上行智選點(diǎn)1：上行主路徑智選到LTE 側(cè)，上行吞吐率提升2 倍

（2）上行智選點(diǎn)2：上行主路徑智選到NR 側(cè)，上行吞吐率提升1 倍

在測試區(qū)域內(nèi)，在使用上行智選前，2.6 GHz 上行覆蓋邊緣點(diǎn)，會出現(xiàn)上行受限而導(dǎo)致下行斷流，在使用上行智選后，UE的上行數(shù)傳可以從NR 2.6 GHz切換到LTE 1.8 GHz，用戶速率改善明顯。推廣使用后，總體提升5G 中遠(yuǎn)點(diǎn)上行體驗(yàn)30%～50%，同時(shí)改善下行體驗(yàn)。

5 結(jié)束語

針對當(dāng)前2.6 GHz頻段的5G NR的覆蓋弱于1.8 GHz頻段的LTE，在部分深度覆蓋區(qū)域衰減較大，處在NR覆蓋中遠(yuǎn)點(diǎn)的5G 用戶的上行體驗(yàn)并不理想的情況，本文通過5G 上行智選技術(shù)，利用1.8 GHz LTE 上行覆蓋范圍較廣的優(yōu)勢，使5G 用戶可以在2.6 GHz NR 與1.8 GHz LTE 網(wǎng)絡(luò)之間智能選擇上行速率更優(yōu)的載波，解決2.6 GHz NR 上行中遠(yuǎn)點(diǎn)覆蓋不足的問題，提升5G 用戶上行速率。從實(shí)際應(yīng)用效果看，用戶體驗(yàn)改善明顯。