3GPP R17高功率終端標(biāo)準(zhǔn)分析

巴賽爾·加拉德，曹 亙，李福昌（中國(guó)聯(lián)通研究院，北京 100048）

1 概述

移動(dòng)通信系統(tǒng)持續(xù)地快速演進(jìn)迭代，但是網(wǎng)絡(luò)上下行覆蓋范圍不匹配的問(wèn)題一直存在，這主要是由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和移動(dòng)終端的天線陣列數(shù)量和發(fā)射功率的差別引起的。5G 室外宏基站的發(fā)射功率通常可以達(dá)到200 W 或53 dBm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于終端默認(rèn)的200 mW 或23 dBm 的最大發(fā)射功率。因此，出于提升上行網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和增強(qiáng)小區(qū)邊緣用戶(hù)體驗(yàn)等因素的考慮，3GPP從R15 版本就開(kāi)始了5G 高功率終端（最大發(fā)射功率400 mW 或26 dBm）的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。本文主要分析了3GPP R17 階段完成的FDD+TDD NSA 模式、NR 載波聚合模式和NR FDD 模式下高功率終端的相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。

2 標(biāo)準(zhǔn)化影響

高功率終端在標(biāo)準(zhǔn)層面上主要有2 個(gè)方面的影響。一方面是終端更高的發(fā)射功率下如何滿(mǎn)足人體輻射監(jiān)管要求，另一方面則是相關(guān)的發(fā)射/接收機(jī)射頻指標(biāo)。

2.1 SAR解決方案

SAR（Specific Absorption Rate）意為電磁波輻射吸收比例。SAR定義為單位質(zhì)量人體組織吸收的電磁輻射功率，單位為W/kg。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為2 W/kg，即在6 min內(nèi)，每千克人體組織吸收的電磁輻射量不超過(guò)2 W。常規(guī)的功率等級(jí)（Power Class，PC）3 或最大發(fā)射功率為23 dBm 的手機(jī)終端通?？梢詽M(mǎn)足SAR 輻射指標(biāo)要求，而高功率終端直接提升了終端的最大發(fā)射功率能力，帶來(lái)的最直接的問(wèn)題就是如何滿(mǎn)足人體SAR 輻射要求。因此滿(mǎn)足SAR 要求的解決方案成為3GPP 高功率終端議題的重點(diǎn)討論內(nèi)容。

2.2 射頻指標(biāo)

高功率終端射頻指標(biāo)主要包含相關(guān)發(fā)射機(jī)（Tx）和接收機(jī)（Rx）指標(biāo)。發(fā)射機(jī)指標(biāo)包括終端發(fā)射功率和容差、最大功率回退（MPR）、額外最大功率回退（AMPR）等，接收機(jī)需要制定的指標(biāo)主要為更高發(fā)射功率所帶來(lái)的接收機(jī)靈敏度的降低。

3 5G NSA 高功率終端

在5G 部署初期，國(guó)內(nèi)外多家主流運(yùn)營(yíng)商采取了5G非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）架構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，并逐漸向5G獨(dú)立組網(wǎng)（SA）模式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行迭代演進(jìn)。

多家運(yùn)營(yíng)商和廠商都支持和參與了5G NSA 高功率終端的研究與標(biāo)準(zhǔn)化工作。5G NSA FDD+TDD 制式的高功率終端系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在3GPP RAN-84 次會(huì)議通過(guò)了立項(xiàng)，該階段重點(diǎn)研究LTE FDD 頻段與NR TDD 頻段組合而成的NSA 制式高功率終端的功率等級(jí)、解決方案及射頻器件可行性等問(wèn)題。在3GPP RAN 第86 次會(huì)議上，項(xiàng)目的研究工作完成，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化工作階段，在該階段，主要完成終端射頻發(fā)射端和接收端的指標(biāo)參數(shù)以及SAR 解決方案。在3GPP RAN第89次會(huì)議上，該工作正式完成并以該項(xiàng)目的解決方案為基礎(chǔ)通過(guò)了Basket 項(xiàng)目立項(xiàng)，旨在為全球各地運(yùn)營(yíng)商的NSA 制式網(wǎng)絡(luò)提供高功率終端的標(biāo)準(zhǔn)能力。本章以中國(guó)聯(lián)通部署的DC_3A_n78A〔即LTE 部署在1.8 GHz頻段、NR 部署在3.5 GHz頻段（5G NSA 架構(gòu)）〕為例，詳細(xì)介紹高功率終端技術(shù)方案和其對(duì)射頻指標(biāo)的影響。

3.1 技術(shù)方案

LTE FDD+NR TDD 制式高功率終端包含LTE 23 dBm+NR 23 dBm 和LTE 23 dBm+NR 26 dBm 2 種功率組合，以達(dá)到26 dBm的終端最大總發(fā)射功率。為了滿(mǎn)足SAR 指標(biāo)要求，終端可以采用基于實(shí)現(xiàn)的PMPR（即功率管理最大功率回退）方案，除此之外3GPP RAN4 經(jīng)過(guò)充分的討論后增加了一種可選的終端上報(bào)占空比的方案，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)能夠了解終端狀態(tài)的目的。該方案旨在通過(guò)減小LTE 和NR 載波的發(fā)射時(shí)長(zhǎng)來(lái)滿(mǎn)足SAR要求，可以用式（1）來(lái)表達(dá)：

其中，DutyLTE和DutyNR分別代表LTE 和NR 載波的上行占空比，PLTE和PNR分別代表LTE 和NR 載波的上行發(fā)射功率，乘積之和應(yīng)小于23 dBm以滿(mǎn)足SAR法規(guī)要求。

占空比上報(bào)方案為FDD+TDD EN-DC 高功率模式定義了70%和40% 2 個(gè)LTE FDD 參考上行配比，在2個(gè)LTE 占比下，終端分別上報(bào)maxUplinkDutyCycle-FDD-TDD-EN-DC1 和 maxUplinkDutyCycle-FDDTDD-EN-DC2的NR部分上行占空比能力給網(wǎng)絡(luò)（2個(gè)能力的取值均以10% 為粒度，取值范圍為30%～100%），當(dāng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的NR上行占空比小于或等于終端上報(bào)的能力值時(shí)，終端則可以按照高功率模式（即功率等級(jí)2，兩載波總發(fā)射功率不超過(guò)26 dBm）進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，若網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的NR 上行占空比大于終端上報(bào)的能力值，終端依據(jù)式（1）可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)射功率大于23 dBm 的情況，SAR 有高過(guò)監(jiān)管要求的風(fēng)險(xiǎn)，則終端需要按照默認(rèn)的發(fā)射功率（即功率等級(jí)3，兩載波總發(fā)射功率不超過(guò)23 dBm）進(jìn)行傳輸。如果終端沒(méi)有上報(bào)上行占空比能力，則無(wú)法判斷終端當(dāng)時(shí)的情況，網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置上行占空比后沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)比較的基準(zhǔn)，因此無(wú)法確保滿(mǎn)足SAR 要求，終端按照默認(rèn)發(fā)射功率（即功率等級(jí)3）進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 射頻指標(biāo)

發(fā)射機(jī)方面，DC_3A_n78A 組合的功率等級(jí)2 支持最大26 dBm 的總發(fā)射功率，容差為+2/-3 dB。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了終端在LTE 側(cè)最大支持功率等級(jí)3，NR 側(cè)可支持功率等級(jí)3或2，具體支持的功率等級(jí)由終端向網(wǎng)絡(luò)上報(bào)。

接收機(jī)方面，該組合的上行雙發(fā)互調(diào)會(huì)對(duì)FDD Band3 下行接收造成干擾，導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度的惡化。2 階互調(diào)和4 階互調(diào)對(duì)B3 頻段的接收靈敏度（MSD）分別造成31.9 dB 和18.5 dB的回退。具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

4 5G載波聚合高功率終端

在5G部署初期，運(yùn)營(yíng)商聚焦于單載波的能力和性能，隨著商業(yè)部署的逐漸成熟，運(yùn)營(yíng)商將越來(lái)越多的頻段應(yīng)用于5G 系統(tǒng)。載波聚合（CA）技術(shù)可以將多個(gè)載波的帶寬聚合在一起，從而帶來(lái)更高的用戶(hù)數(shù)據(jù)速率。因此5G CA模式下的高功率終端標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程也得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注和討論。在3GPP RAN 第88 次的全會(huì)上，討論并通過(guò)了5G CA 模式的高功率終端標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要定義了2 個(gè)上行載波的2 種功率組合（23 dBm+23 dBm 和23 dBm+26 dBm），功率等級(jí)為2的高功率終端。

4.1 技術(shù)方案

P-MPR 作為終端實(shí)現(xiàn)方法，同樣也作為CA 高功率終端的SAR 基線解決方案。除此之外，5G CA 高功率終端同樣也將5G NSA 高功率終端的占空比上報(bào)方案作為可選SAR 解決方案。不同于EN-DC 模式下為L(zhǎng)TE FDD載波定義了固定取值的上行占空比，NR載波聚合模式并沒(méi)有為FDD 或TDD 載波限定特定的上行占空比數(shù)值。

協(xié)議中規(guī)定，對(duì)于支持CA 模式高功率能力的終端向網(wǎng)絡(luò)上報(bào)maxUplinkDutyCycle-interBandCA-PC2（針對(duì)上行 2 個(gè)不同載波的場(chǎng)景）或maxUplinkDutyCycle-SULcombination-PC2-r17（針 對(duì)上行一個(gè)載波和一個(gè)SUL 頻段的場(chǎng)景）能力，該能力的取值均以10%為粒度，取值范圍為50%～100%。且上行實(shí)際傳輸?shù)钠骄伎毡炔怀^(guò)上報(bào)能力的情況下，終端按高功率模式進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)支持CA模式高功率能力的終端未上報(bào)能力時(shí)，不管實(shí)際傳輸?shù)钠骄伎毡却笮?，均按照高功率模式進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于CA 高功率終端，上行實(shí)際傳輸?shù)钠骄伎毡榷x為2 個(gè)載波或1 個(gè)載波加1 個(gè)SUL 頻段實(shí)際上行傳輸占空比之和。

4.2 射頻指標(biāo)

與EN-DC 制式高功率終端類(lèi)似，CA 高功率終端對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相關(guān)射頻指標(biāo)產(chǎn)生影響。本節(jié)以中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)中部署的2.1 GHz+3.5 GHz 頻段（CA_n1A-n78A）載波聚合組合為例，對(duì)射頻指標(biāo)進(jìn)行分析。

發(fā)射機(jī)方面，CA_n1A_n78A 組合的功率等級(jí)2 支持最大26 dBm 的總發(fā)射功率，容差為+2/-3 dB。n1 頻段最大支持功率等級(jí)3，n78 頻段可支持功率等級(jí)3 或2，具體支持的功率等級(jí)由終端向網(wǎng)絡(luò)上報(bào)。接收機(jī)方面，該組合的上行雙發(fā)互調(diào)會(huì)對(duì)n1頻段下行接收造成干擾，導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度的惡化。協(xié)議中定義4 階互調(diào)對(duì)n1 頻段的接收靈敏度造成17.8 dB的回退。該頻段組合的具體指標(biāo)如表2所示。

表2 CA_n1-n78高功率發(fā)射對(duì)n1頻段接收靈敏度回退

5 5G FDD 高功率終端

由于FDD 頻段載波頻率較低，具有較好的傳播特性，因此運(yùn)營(yíng)商通常使用FDD 頻段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的打底覆蓋。但是在一些場(chǎng)景下，由于部署站址受限、上行覆蓋能力不足等，F(xiàn)DD 制式網(wǎng)絡(luò)同樣有高功率終端能力的需求，以解決上行覆蓋不足、上行業(yè)務(wù)要求高等場(chǎng)景的實(shí)際部署問(wèn)題。基于這些實(shí)際部署需求，3GPP從R17 早期就開(kāi)展了引入FDD 高功率上行發(fā)射的能力，最終在3GPP RAN 第90 會(huì)議上，通過(guò)了FDD 高功率終端的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要進(jìn)行FDD 高功率終端基于1Tx 和2Tx 終端架構(gòu)的可行性分析、系統(tǒng)性能仿真、射頻參數(shù)指標(biāo)研究等工作。在RAN-93全會(huì)上該研究項(xiàng)目順利結(jié)項(xiàng)，得出FDD 高功率終端能夠提高運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)性能的結(jié)論，同時(shí)通過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)化工作項(xiàng)目的立項(xiàng)，進(jìn)一步對(duì)潛在解決方案和射頻指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并在RAN 第95 全會(huì)上，完成了n1、n3 2 個(gè)頻段高功率的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

5.1 技術(shù)方案

如同其他制式的高功率終端SAR 解決方案，F(xiàn)DD高功率終端同樣使用基于終端實(shí)現(xiàn)的P-MPR 方案來(lái)解決SAR 問(wèn)題。占空比上報(bào)作為NSA 和5G CA 模式高功率終端的可選增強(qiáng)方案也得到了廣泛討論，但是由于在占空比起止時(shí)間、測(cè)量統(tǒng)計(jì)周期以及網(wǎng)絡(luò)接收到終端上報(bào)的占空比值后行為等問(wèn)題上無(wú)法達(dá)成一致，最終占空比上報(bào)方案未被標(biāo)準(zhǔn)化，而是以終端自主實(shí)現(xiàn)的方式自行控制上行占空比大小。另一種被充分討論的方法為混合半雙工方案，該方案提出以半雙工FDD 的模式使上下行數(shù)據(jù)不同時(shí)傳輸，從而達(dá)到減小發(fā)射時(shí)長(zhǎng)的效果，以滿(mǎn)足高功率終端的SAR 要求。此方案的另一個(gè)動(dòng)機(jī)是，在FDD 高功率上行傳輸?shù)膱?chǎng)景下，發(fā)射出的信號(hào)會(huì)對(duì)終端自身的接收機(jī)造成影響，使本終端的接收機(jī)收到發(fā)射出的信號(hào)，從而提高了接收靈敏度門(mén)限，導(dǎo)致接收能力下降；因此半雙工的方案可以規(guī)避高功率發(fā)射對(duì)接收性能的影響。但是由于其對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響以及終端和芯片實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高等原因，該方案未獲得通過(guò)。

5.2 射頻指標(biāo)

發(fā)射機(jī)方面，F(xiàn)DD 頻段功率等級(jí)2 的發(fā)射功率定義為26 dBm，容差為+2/-3 dB，與TDD 頻段保持一致。同時(shí)為了滿(mǎn)足一些區(qū)域性的雜散發(fā)射等監(jiān)管指標(biāo)，特定頻段上部署的終端需要進(jìn)行額外功率回退（AMPR）操作，而目前協(xié)議中定義的回退指標(biāo)是基于功率等級(jí)3 制定的。隨著最大發(fā)射功率的提升，需要提高A-MPR 的回退值以滿(mǎn)足區(qū)域性監(jiān)管要求。因此R17 階段針對(duì)n1 頻段涉及到的NS_05、NS_05U、NS_48、NS_49的網(wǎng)絡(luò)信令進(jìn)行了相關(guān)更新，n3頻段則不涉及A-MPR指標(biāo)更新。

接收機(jī)方面，主要是更高發(fā)射功率對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響，單頻段的靈敏度回退隨著載波帶寬的增大和雙工間隙的減小而增加。n1頻段的雙工間隔為130 MHz，上下行頻段間隔較遠(yuǎn)，因此在1Tx 和2Tx 架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)高功率功能不會(huì)造成接收機(jī)靈敏度回退。相比之下n3 頻段的雙工間隔僅為20 MHz，因此發(fā)射功率的增加對(duì)接收機(jī)造成的干擾較大，在2Tx 架構(gòu)下50 MHz 的載波帶寬會(huì)對(duì)接收機(jī)靈敏度造成6 dB 的減弱。各頻段下的接收機(jī)靈敏度回退指標(biāo)如表3所示。

表3 n1和n3頻段下不同帶寬的接收機(jī)靈敏度回退指標(biāo)

5.3 器件成熟度

FDD 高功率終端發(fā)射有1Tx 和2Tx 2種實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，經(jīng)過(guò)充分的討論和分析，R17 階段認(rèn)為2Tx 終端架構(gòu)（2個(gè)發(fā)射機(jī)各支持23 dBm的最大發(fā)射功率）可以由現(xiàn)有的射頻器件支持，而對(duì)于1Tx終端架構(gòu)（單個(gè)發(fā)射機(jī)支持最大26 dBm 發(fā)射功率），現(xiàn)有器件尚不能支持，需要新射頻器件的研發(fā)。盡管1Tx器件受限于濾波器尺寸、插損、散熱等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)難度更大，但是單天線傳輸也具有節(jié)省空間、對(duì)接收機(jī)性能影響更小等優(yōu)點(diǎn)。因此以1Tx 支持FDD 高功率特性，也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，需要產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步推動(dòng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

高功率終端功能的引入對(duì)上行網(wǎng)絡(luò)性能和終端用戶(hù)體驗(yàn)都有顯著提升，也是3GPP 射頻領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化的重要方向。本文從3GPP R17 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展角度分析了5G NSA、5G SA 載波聚合和5G SA FDD 單頻段制式高功率終端（總發(fā)射功率為26 dBm）的SAR 解決方案，以及其對(duì)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等射頻指標(biāo)方面的影響。從后續(xù)演進(jìn)角度來(lái)看，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)將FDD 高功率終端特性擴(kuò)展到其他更多運(yùn)營(yíng)商有需求的頻段，同時(shí)也可以開(kāi)展FDD 側(cè)支持高功率載波聚合組合的高功率終端的相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。而相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)也需要器件、芯片、終端公司在內(nèi)的全產(chǎn)業(yè)鏈的共同推動(dòng)。