5G无线技术基础自学系列 | 5G上下行解耦技术

Posted 2022-12-16 COCOgsta

素材来源：《5G无线网络规划与优化》

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C-Band TDD系统拥有大带宽， 是构建5G eMBB业务的黄金频段。目前， 全球大多数运营商已经将C-Band作为5G的首选频段。但是， 5G上下行时隙配比不均以及gNodeB下行功率增大， 导致了C-Band TDD系统上下行覆盖不平衡， 上行覆盖受限成为5G网络部署的关键技术瓶颈。同时， 随着波束赋形、CRS-Free等技术的引入， 下行干扰减小， C-Band TDD系统上下行覆盖差距进一步扩大。根据现场实际测试的结果， 在3.5GHz频段中， 上行覆盖和下行覆盖的差距最大可以达到13dB(实际值和组网及参数配置相关，可能会有1~2dB的差异)，如图5-4所示，在实际的覆盖规划中，系统的覆盖会严格受限，从而导致建设成本急剧提升。

目前， 上下行解耦技术已经正式写入3GPP Rel-15标准， 其标准化演进过程如图5-5所示。

在标准化过程中， 首先需要确定上下行解耦使用的上行频段， 因此在3GPP Rel-15中引入了辅助上行频段(简称为SUL) ， 通过该频段可以实现上行业务频率和下行业务频率的解耦， 通过SUL的低频特性增强上行覆盖。3GPP Rel-15定义的SUL频段如表5-3所示。

5.4.1 技术概述

引入SUL后， 上行可以通过NUL(NR UL) 载波或SUL载波承载。SUL的功能通过SUL小区实现，NUL的功能通过5G TDD小区实现， 并通过5G TDD小区和SUL小区的关联实现上下行解耦功能。如图5-6所示，当UE上行覆盖良好时，上行仍通过C-Band实现业务需求， 但当UE移动到小区边缘时，基站检测到上行覆盖变差，会通过相应的流程将上行频段切换至SUL。当系统引入SUL频段后， SUL小区在随机接入、功率控制、调度、链路管理和移动性管理上， 与NUL频段的过程有所区别。

5.4.2 SUL载波参数

为了保证UE在SUL载波上正确接入和工作， gNodeB需要将SUL载波的相关信息发送给UE， 包括如下信息。

(1) 帧结构、系统带宽及频点。

(2) SUL上行公共信道配置， 包括PRACH、PUSCH和PUCCH的配置。

相关的SUL配置会通过相应的消息下发给UE， 分为NSA组网和SA组网2种应用场景。

(1) SA组网场景：SUL公共配置通过SIB1消息下发， SUL专用信道参数配置通过RRC Reconfiguration消息下发。

(2) NSA组网场景：所有的SUL配置先通过X2接口的SENB Addition Request Acknowledge消息传递给4G基站， 再由4G基站通过RRC Reconfiguration消息下发至UE。

5.4.3 SUL载波管理流程

SUL载波管理流程包括初始接入的上行载波选择以及上行载波变更。

1.NSA组网SUL载波选择

NSA组网场景下， UE驻留在LTE。当与eNodeB和gNodeB建立双连接时， 网络侧需要为UE添加gNodeB作为辅小区组(Secondary Cell Group， SCG) ， 并指示UE在NR发起随机接入。对于支持上下行解耦的UE， 网络侧需要为UE选择NUL载波或SUL载波作为上行链路， 并在RRC重配消息中指示UE要接入的上行载波。

NSA连接态接入SUL小区时， 上行载波选择流程如下。

(1) 建立双连接时， eNodeB向UE下发异系统测量配置(B1事件测量配置， B1事件表示5G测量电平大于配置的门限值) ， 指示UE测量gNodeB信号。

(2) eNodeB收到UE上报的异系统测量报告后， 将NR小区RSRP转发给gNodeB， gNodeB根据如下规则为UE选择上行载波。

①如果NR小区RSRP大于或等于设置门限， 则表示UE处于覆盖良好的区域， 网络指示UE在NUL小区接入。

②如果NR小区RSRP小于设置门限， 则表示UE处于NR上行覆盖弱或无覆盖区域， 网络侧指示UE在SUL载波发起随机接入。

(3) 目标gNodeB将携带上行载波选择结果的RRC重配消息， 通过源gNodeB发送给UE。

(4) UE根据RRC重配消息中指示的上行载波， 在对应的上行载波上发起随机接入。无论是在SUL还是在NUL上发起随机接入， 其流程和标准的随机接入流程并没有差异， 这里不再复述。

2.SA组网SUL载波选择

SA组网场景下的SUL载波选择涉及空闲态初始接入场景下的SUL载波选择以及连接态切换后的SUL载波选择两种场景。

空闲态初始接入场景下SUL载波选择过程如下。

(1) UE接收系统广播消息， 获取SUL载波选择门限。

(2) UE测量下行SSB RSRP并和选择门限相比， 如果测量结果大于等于门限， 则UE在NUL载波上发起随机接入； 如果测量结果小于门限， 则UE在SUL载波上发起随机接入。

当UE在RRC连接态切换时， 若目标小区是SUL小区， 对于支持上下行解耦的UE， 网络侧需要为UE选择NUL载波或SUL载波， 并在RRC重配置消息中指示UE要接入的上行载波， SUL载波选择过程如下。

(1) 切换前， 源gNodeB向UE下发系统内测量控制(A3事件) ， 指示UE测量邻区信号强度。

(2) 源gNodeB收到UE上报的测量报告后， 将邻区测量的RSRP转发给目标gNodeB， 目标gNodeB根据如下规则为UE选择上行载波。

①如果测量结果大于等于配置门限， 则目标基站指示UE在邻区的NUL小区发起接入。

②如果测量结果小于配置门限， 则目标基站指示UE在邻区的SUL小区发起接入。

(3) 目标基站在切换响应消息中将SUL或NUL的信息传递给源基站， 源基站通过切换命令将该信息传递给UE。

(4) UE根据响应的指示在SUL或NUL载波上发起随机接入。

3.上行载波变更

UE在上下行解耦小区中进入连接态， 由于NUL载波与SUL载波的上行覆盖存在差异， UE在NR小区内移动时会产生上行载波变更。如果UE当前的上行链路在NUL载波上， 则基站会下发A2事件相关测量配置， 如果当前小区下行测量结果满足A 2事件， 则UE上报测量报告， 基站将上行链路从NUL变更到SUL； 如果UE当前的上行链路在SUL载波上， 则基站会下发A1事件相关测量配置， 如果当前小区下行测量结果满足A1事件， 则UE上报测量报告， 基站将上行链路从SUL变更到NUL。

5.4.4 无线资源管理算法

当采用了上下行解耦功能后， 由于SUL载波的频段和信道参数的配置与NUL不同， 所以相应的无线资源管理算法和正常的非解耦场景略有差异。

1.SUL调度差异

上下行解耦特性生效时， 下行链路承载在NUL载波上， 上行链路承载在SUL载波上。由于NUL载波的子载波间隔为30kHz， SUL载波的子载波间隔为15kHz， NUL载波与SUL载波的TTI数量比例是2：1，所以调度时需要考虑不同时序的调度。对于NUL载波， 上行和下行的时隙通过参数进行配置， 当前主流配置为4：1或者7∶3； 对于SUL载波， 所有的上行时隙均可使用， 如图5-7所示。

NR引入了灵活的调度机制， 协议引入了K1和K2， 以保证gNodeB和UE间的调度时序不错乱。其中，K1用于确定下行数据传输的HARQ时序，K2用于确定上行调度时序，K1和K2基于算法自动计费得到。gNodeB通过下行控制消息将K1和K2参数下发给UE。其余调度算法与非上下行解耦相同。

下面来看针对下行数据的HARQ反馈场景， 该场景下， 上行HARQ会通过SUL链路发送。在上下行解耦场景下， 下行数据传输的ACK/NACK反馈时序为N+K1。当UE在C-Band时隙N收到下行数据时，会在C-Band时隙N+K1对应的Sub-3G上行子帧反馈ACK/NACK， 如图5-8所示。

上行SUL的调度过程：在上下行解耦中， 网络侧通过C-Band调度指示了UE在SUL上调度的资源，调度时序为N+K2。当UE在C-Band时隙N收到包含上行调度的DCI时， 会在C-Band时隙N+K2对应的Sub3G上行时隙内发送上行数据， 如图5-9所示。

同时， 下行解耦支持灵活调度， 每个C-Band子帧都可以调度Sub3G SUL上的资源， 该机制可以平衡C-Band每个子帧PDCCH的负载。C-Band与Sub3G的时隙数量比例是2∶1， 如果某个Sub3G子帧可以被2个C-Band子帧调度， 则这2个C-Band子帧PDCCH只需要承担50%的负载。

2.SUL上行功率控制差异

SUL载波各信道的功率控制原理与NUL载波上行功率控制相同。两者的差异在于SUL载波没有下行链路， 因此需要采用NUL载波下行链路进行路损估计。此方法获得的路损估计会大于实际路损情况， 会造成SUL载波随机接入上行发射功率过高， 导致上行干扰提升。因此， gNodeB会根据SUL载波和NUL载波下行的路损差调整如下值。

(1)Po_pre：gNodeB期待接收到的Preamble的初始功率。

(2)Po_pucch：gNodeB期待接收到的PUCCH初始功率。

(3)Po_pusch：gNodeB期待接收到的PUSCH初始功率。

对于NSA组网场景， gNodeB通过RRC重配置消息下发上述信息； 对于SA组网场景， gNodeB通过SI消息下发上述消息。

5.4.5 二次谐波干扰避让

谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其大于基波频率的电流产生的电量。谐波产生的根本原因是由于存在非线性负载，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成了非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数。在上下行解耦场景下，终端上行的发射频率和下行的接收频率属于两个不同的频段， 因此SUL频段的频率产生的二次谐波有可能会落入下行，成为一个下行的干扰信号，影响下行信号的接收，如图5-10所示。

根据理论计算， 有可能会产生二次谐波的SUL和NUL的频段组合主要是n78、n80及n86频段的组合。二次谐波的产生和终端的射频性能关系比较大，主要取决于谐波功率的大小。针对二次谐波干扰问题，目前主要有以下2种解决方案。

(1)由于n78和n80的频率范围比较大，因此，通过合理的频段范围分配可以尽可能地规避二次谐波干扰， 即通过合理分配n78的频率， 使得SUL的双倍频率和实际使用的n78频率范围错开。如表5-4所示，针对n78和n80两个频段的组合，在深色区域内的组合会产生同频的二次谐波干扰，而其他区域内的组合则不会产生该干扰。目前，中国在发放每个频谱牌照的时候已经考虑到了此问题，给每个运营商分配的3.5GHz频段基本上都考虑了现有1.8GHz的影响。

(2)如果分配的频段无法完全错开，则可以通过基站侧的上下行协同调度算法来规避干扰。其基本原理是基站在做下行调度的时候会考虑当前SUL使用的RB频率， 在分配下行RB资源时， 会尽可能使下行RB对应的频率范围在SUL的RB频率的2倍之外。当然， 这种方案需要非常复杂的调度算法的支持， 对基站的要求也非常高，因此，建议优先通过合理的频段分配规避这一问题。

5.4.6 SUL频率获取方案

从之前的SUL频率分配可以发现， 规范中定义的SUL频段实际上是FDD频段的上行部分， 且这些频率当前已经广泛应用在LTE系统中。下面将以1.8GHz的n80为例， 介绍2种SUL频率获取方案。

(1) 通过频率重耕方式获取：即从当前的FDD系统中直接划分出固定的带宽给5G的SUL使用， 该方案实现起来比较简单， 对网络设备没有要求， 但会对当前的LTE网络的性能造成影响。例如， 假设现在某运营商在1.8GHz的频段部署了20MHz的LTE系统。根据解耦的需求需要获取10MHz的SUL资源， 此时，运营商需要将1.8GHz的上行直接腾出10MHz给5G使用。由于FDD是对称频谱， 从而导致整个LTE的带宽需要从20MHz缩减到10MHz， 会对LTE网络的容量造成非常明显的影响。此外， 在部署了解耦小区后， SUL的资源并不是一直在使用， 如果当前的5G小区没有上行解耦用户， 则会导致这些独立的SUL频段浪费。因此，采用这种部署方案时， 既会对LTE容量造成很大的影响， SUL资源的利用率也不高。

(2) 通过LTE和NR的频率共享方式获取SUL频率：即SUL的频率并不是固定不变的，如在前一个方案的相同场景下，NR的SUL和LTE共享上行20MHz的频率资源， 如图5-11所示， 在不同的时刻，4G和5G使用的频率资源是不同的。采用此方案时，对LTE的下行容量没有任何影响； 同时， SUL的频率资源也是按需分配的， 可以提升整个上行20MHz带宽的利用率。