一种5G上行链路增强技术解决方案

2019-11-07 11:55:17 移动通信 2019年9期

曹磊 赵晔 熊尚坤 许森 魏垚

【摘  要】新业务发展对5G上行速率和时延提出更高要求,结合全球5G频率使用情况,分析了高/低频段、TDD/FDD双工在5G上行容量、覆盖和时延性能方面的特性,在上行CA和SUL的基础上,提出一种TDD/FDD协同、高低频互补和时频域聚合的5G上行增强解决方案,具有更优的上行性能,最后给出了标准化方向的建议。

【关键词】上行增强技术;上行载波聚合;上行辅助链路

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.005        中图分类号:TN929.5

文献标志码:A        文章编号:1006-1010(2019)09-0024-04

引用格式:曹磊,赵晔,熊尚坤,等. 一种5G上行链路增强技术解决方案[J]. 移动通信, 2019,43(9): 24-27.

5G Uplink Enhancement Solution Based on TDD/FDD Coordination

CAO Lei1, ZHAO Ye1, XIONG Shangkun2, XU Sen2, WEI Yao2

(1. 5G Innovation Center of China Telecom, Beijing 100033, China;

2. Intelligent Network and Terminal Research Institute of China Telecom, Guangzhou 510630, China)

[Abstract]

The emerging application development raises higher requirements for 5G uplink rate and delay. Based on global spectrum usage of 5G, this paper analyzes the characteristics of high/low frequency band, TDD/FDD duplex for 5G uplink capacity, coverage and delay performance. Based on uplink CA and SUL, a 5G uplink enhancement solution is proposed via TDD/FDD coordination, high and low frequency complement and time-frequency domain aggregation. The proposed solution has better uplink performance and provides suggestions to standardized direction.

[Key words]uplink enhancement; uplink CA; supplementary uplink

1   5G上行需求

今年世界移動大会的主题是“智联万物”,“智联万物”标志着一个新时代的来临,人们能够随时随地获享受高度契合时代背景的个性化体验。5G技术具有高速性、灵活性及敏捷性,能够提供远比现在更加可靠的服务与性能,与人工智能、大数据、物联网等新技术深度融合,与工业制造、产业互联网充分结合,将为信息通信、社会管理、产业升级、文化生活等领域注入更多的智慧元素,成为智联万物背景下网络变革的使能器和社会变革的加速器。

当前全球商用启动的5G网络,一般处在TDD高频段,为连续组网,在时隙配置上,一般以解决ToC下行为主,实现下行高速率传输。但ToC下行高速率会进一步提高上行速率需求,随着新兴应用的发展,如高清视频直播、VR画面渲染等,对5G网络上行速率提出了更高的要求。另一方面,以远程医疗、工业控制为代表的ToB行业应用方兴未艾,对网络提出了更高上行速率和更低时延的需求。

2   不同频段的特性分析

5G网络全球首发频段以C-Band为主[1],C-Band系统制式均采用TDD双工,上下行信道互易有利于大规模天线能力发挥,在实现空间复用上具有天然优势。再者,结合100 MHz频谱大带宽优势,下行用户峰值速率达到1 Gbit/s以上,可以满足大部分下行业务容量需求[2]。但是,TDD对频谱资源需按上下行分配,主流2.5 ms双周期、2.5 ms单周期等以下行时隙为主,上行时隙占比小,上行业务速率在每秒百兆比特级别,上行相比下行,空口速率性能存在较大压力。5G首次采用3.5 GHz甚至4.9 GHz等中高频段,中高频段信号传播路损更大,穿透能力较弱,较LTE系统1.8 GHz或2.1 GHz频段覆盖效果没有优势。为弥补频率特征带来的覆盖差异,5G在下行方向采用了大功率发送,但上行覆盖仍然受终端发射功率限制(尽管5G终端发射功率增强一倍),成为主要瓶颈,随着用户向小区边缘移动,5G上行2天线和大带宽的优势逐渐消失,在小区边缘业务体验不如FDD低频,室内场景更加明显。

如图1所示,相比高频的TDD频段,传统的FDD低频段虽然在带宽和大规模天线支持能力上处于劣势,但在时隙上行占比、时延和传播能力上有着天然的优势。

如何在5G的上行增强技术方案中,充分发挥高频TDD和低频FDD各自的优势,形成一个综合的解决方案,实现覆盖、容量和时延等性能的全面提升的同时也能实现低成本,成为业界的一个探索方向。

3   现有5G上行增强解决方案分析

通过TDD和FDD融合来实现5G上行增强,最典型的方法包括上行载波聚合(CA, Carrier Aggregation)和上行辅助链路(SUL, Supplementary Uplink)[3]。本文后续描述的上行增强方案,均考虑了当前主流终端的上行2个发射通道的设计,并以TDD频段为3.5 GHz(时隙结构采用2.5 ms双周期)、FDD频段为2.1 GHz为例。

CA是关键的4G增强技术之一,5G默认自然继承所有CA功能,在CA的技术框架中,支持不同频带间的CA,并支持TDD+FDD CA,同时,理论上只要在3GPP频率组合允许范围内[1],即可实现高低频载波在TDD+FDD双制式的并发。基于NR终端上行2个发射机的主流设计如图2所示,目前上行CA实际只能采用3.5 G 1T+2.1 G 1T双通道发送,如图3所示,这种设计中,两个频段的发射机同时工作,设计复杂度高,一些频段组合存在着一定的互调干扰以及功率回退等问题,从而影响了上行性能。同时,在近点,无法在3.5 G 2T发送实现上行2流的优势,峰值速率性能受到明显的约束。

如图4所示,SUL技术是可以利用低频FDD频段弥补上行覆盖不足的技术[4],通过上下行频率解耦,充分利用低频频谱传播优势提升边缘覆盖速率和用户体验。在SUL中,上行辅助链路和上行非辅助载波不会被同时调度发送,终端在2.1 G载波作为辅助载波,仅在3.5 G上行发射功率受限时(如远点)按100%时隙发送,或在近点与3.5 GHz上行TDM才会被调度发送。因此,SUL技术的增益一般在远点获得覆盖增益,在近点,虽然与2.1 GHz辅助载波TDM上行发送来获得一定上行增益,但同样损失了3.5 GHz 2T实现2流发送的性能。

总之,现在的上行CA和SUL协议,在现有的终端两个上行通道设计架构下,均无法在大带宽的3.5GHz实现上行2T发送从而获得2流性能。

4   基于TDD/FDD协同、高低频互补、

时域/频域聚合的上行增强技术方案

如图5所示,本文提出的一种5G上行增强技术解决方案,采用了TDD/FDD协同、高低频互补、时频域聚合的创新理念,期待在近点获得大带宽的3.5 GHz TDD频段,实现上行2T以获得2流性能,同时也兼顾在上行100%的时间上获得发送机会,以进一步提升速率和降低时延。

如图6所示,主要的技术实现方式在于终端以TDM方式使用两个上行载波,同一时刻仅在一个载波上发送,下行可以是单载波或者下行载波聚合。一种典型的场景在离基站的近点,终端在3.5 GHz下行工作时隙时,配置在2.1 GHz载波进行上行传输,在3.5 GHz上行发射时刻仅配置终端使用3.5 GHz进行上行2T发射获得2流。在远点或室内3.5 GHz上行发送,终端可全部时隙配置在2.1 GHz载波上进行数据发送。

表1给出了本文提出的上增强方案与上行CA、SUL的对比。与上行CA和SUL相比,本文提出的方案具有如下特点:上行在3.5 GHz大带宽载波支持2T获得双流,功率可达26 dBm,同时保持CA和SUL的上行100%全时隙发送能力,可以获得更好的用户上行体验。另外,这种方案,上行同时工作的最大发射通道數仍然只有2个,关键的射频通道器件基本可重用4G/5G双模终端设计中的已有器件,只需在3.5 G的一个通道和2.1 G通道之间增加一个开关,为实现时隙级的切换,终端器件成本没有明显增加。

5   关于标准化支持的探讨

在目前3GPP的协议里,本文提出的上行增强技术方案标准尚未完全支持,有如下内容需要业界联合开展技术研究和标准推进:

(1)1T和2T发射的切换时间:在2.1 GHz单天线发射和3.5 GHz双天线发射的转换时刻终端需要进行相关硬件准备,因此存在一个短暂的切换时间,标准中需要研究由哪个载波、哪个信道来出切换时间以及具体的切换时间长度,用于明确终端的相应行为。

(2)定义TDD和FDD双载波间的TDM切换方式:需要研究是采用L3静态TDD/FDD间的TDM切换方式[5],还是基于DCI的TDD/FDD间的切换方式[6],或者是基于L3和L1相结合的TDD/FDD间的切换方式。

(3)上下行主载波的绑定关系:为了减少上下行移动性策略对于下行主载波的选择影响,因此需要支持当采用NR作为下行主载波时,上行依然可以利用LTE作为上行反馈的要求。

6   结束语

在上行CA和SUL的基础上,本文提出一种TDD/FDD协同、高低频互补、时频域聚合的5G上行增强技术解决方案,它在容量、覆盖和时延等方面有全面的优势,同时,终端产品器件成本没有明显增加,有助于产业快速发展和普及。然而,方案作为一种新型的技术创新,在3GPP现有的框架下,仍需要大量的标准化研究工作。5G网络上行能力增强是国内乃至全球运营商的共同需求,5G上行增强技术方案需聚集产业链多方力量共同推动,共同探索。

参考文献:

[1] 3GPP. 3GPP TR 38.101-1 V15.3.0: Technical Specification Group Radio Access Network; User Equipment (UE) radio transmission and reception; Part 1: Range 1 Standalone[S]. 2018.

[2] 3GPP. TR 38.913 V15.0.0: Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[S]. 2018.

[3] 3GPP. 3GPP TR 38.300 V15.3.0: Technical Specification Group Radio Access Network; NR and NG-RAN Overall Description[S]. 2018.

[4] RP-180967: Band combinations for SA NR Supplementary uplink (SUL), NSA NR SUL, NSA NR SUL with UL sharing from the UE perspective (ULSUP)” TSG_RAN_80[S]. 2018.

[5] 3GPP. 3GPP TR 38.133 V15.3.0: Technical Specification Group Radio Access Network; Requirements for support of radio resource management[S]. 2018.

[6] 3GPP. 3GPP TR 38.212 V15.3.0: Technical Specification Group Radio Access Network; Multiplexing and channel coding[S]. 2018. ★