曹麗芳,江天明,鄧偉,陳卓
(中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院,北京 100053)
3GPP定義5G NR頻率從700 MHz到2.6 GHz再到26 GHz,頻段跨度較大,根據(jù)頻率特性可知,不同頻率適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。低頻段(比如2 GHz以下)作為覆蓋層,提供廣域連續(xù)覆蓋和深度覆蓋;中頻段(比如2~6 GHz)作為連續(xù)的容量層,滿(mǎn)足廣域覆蓋和容量需求;而高頻段(比如6 GHz以上)作為容量層,可用于熱點(diǎn)局部區(qū)域補(bǔ)容。
目前,3GPP在NR系統(tǒng)中引入了載波聚合、補(bǔ)充上行和雙連接3種高低頻協(xié)同技術(shù),在保障基礎(chǔ)覆蓋的同時(shí),可以有效提升峰值速率,更好滿(mǎn)足大帶寬業(yè)務(wù)需求。
載波聚合(carrier aggregation,CA)將同一系統(tǒng)的多個(gè)載波單元(component carrier,CC)聚合以支持更大的傳輸帶寬。LTE單載波最大的帶寬為20 MHz,NR進(jìn)行了帶寬增強(qiáng),F(xiàn)R1(頻率低于6 GHz)和FR2(頻率高于6 GHz)支持最大的單載波帶寬分別可達(dá)100 MHz和400 MHz。
3GPP定義可獨(dú)立為UE添加下行載波聚合,但若有上行載波聚合需求,也需要同時(shí)配置該頻段的下行載波聚合。協(xié)議在R15、R16和正在做標(biāo)準(zhǔn)化的R17都定義了上行載波聚合的增強(qiáng),此處以n41+n79 UL CA為例進(jìn)行說(shuō)明,n41(即2.6 GHz)的帶寬為100 MHz,幀結(jié)構(gòu)為DDDDDDDSUU(可簡(jiǎn)寫(xiě)為7D1S2U,D為下行時(shí)隙,S為以下行符號(hào)為主的特殊時(shí)隙,U為上行時(shí)隙),根據(jù)協(xié)議公式計(jì)算2Tx(雙發(fā))時(shí)上行峰值速率M為250 Mbit/s,n79(即4.9 GHz)的帶寬為100 MHz,幀結(jié)構(gòu)是DDDSUDDSUU(可簡(jiǎn)寫(xiě)為 5D2S3U),2Tx(雙發(fā))時(shí)計(jì)算上行峰值速率N為375 Mbit/s。
(1)R15版本
針對(duì)上行最大兩發(fā)的終端,最大支持上行兩載波聚合,即支持在兩個(gè)載波 1Tx(單發(fā))+1Tx(單發(fā))并發(fā),即峰值為X=M/2+N/2=313 Mbit/s。
(2)R16版本(業(yè)界也稱(chēng)超級(jí)上行)
針對(duì)上行最大兩發(fā)的終端,支持在兩個(gè)上行載波進(jìn)行 1Tx(單發(fā))和 2Tx(雙發(fā))的輪發(fā),同時(shí)結(jié)合兩載波幀頭錯(cuò)開(kāi)使得上行時(shí)隙盡量錯(cuò)開(kāi),進(jìn)而提升單用戶(hù)的上行時(shí)隙利用率,R16幀結(jié)構(gòu)配置如圖1所示,起始位置即和GPS對(duì)齊的位置,也稱(chēng)幀頭,如圖所示兩載波的幀頭偏移了3個(gè)時(shí)隙(即1.5 ms),兩個(gè)載波的上行時(shí)隙U可完全錯(cuò)開(kāi),4.9 GHz和2.6 GHz各分配一個(gè)終端天線(xiàn),其中2.6 GHz的天線(xiàn)在2.6 GHz下行時(shí)隙切換到4.9 GHz發(fā)送數(shù)據(jù),在2.6 GHz上行時(shí)隙來(lái)臨前切換到2.6 GHz,則可計(jì)算峰值速率X=M/2+N=500 Mbit/s。
圖1 R16幀結(jié)構(gòu)配置
(3)R17版本
針對(duì)上行最大兩發(fā)的終端,考慮終端能力增強(qiáng)可支持兩個(gè)天線(xiàn)同時(shí)切換到不同載波,正在推動(dòng)2Tx(雙發(fā))和2Tx(雙發(fā))的輪發(fā),幀頭配置方案和R16相同,可進(jìn)一步提升用戶(hù)的上行性能,即峰值X=M+N=625 Mbit/s。
通過(guò)上述計(jì)算,最大2Tx發(fā)送的終端,隨著上行輪發(fā)的增強(qiáng),單用戶(hù)峰值速率有明顯提升,匯總見(jiàn)表1。
表1 不同R版本的n41+n79上行載波聚合峰值速率
中高頻的下行覆蓋能力可通過(guò)大規(guī)模MIMO、高功率、增加資源等技術(shù)保障,但上行覆蓋主要受限于終端的發(fā)射功率,覆蓋能力較弱。為了解決上下行覆蓋不匹配的問(wèn)題而又不帶來(lái)太大的部署成本,5G系統(tǒng)在 R15引入了補(bǔ)充上行(supplementary uplink,SUL),即將上下行解耦,在中高頻部署時(shí)采用一個(gè)下行載波捆綁兩個(gè)上行載波的組合方案。在上行方向,兩個(gè)上行頻段包括一個(gè)中高頻(normal uplink NUL carrier)和一個(gè)相對(duì)低的頻段(SUL carrier),用低頻段覆蓋優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)中高頻上行覆蓋的不足,進(jìn)而擴(kuò)大中高頻的下行使能范圍。SUL和CA相同,僅限于同一系統(tǒng)內(nèi)使用。且兩個(gè)技術(shù)互不排斥,即可以在SUL基礎(chǔ)上疊加DL CA技術(shù)。
SUL技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)階段,正在向第 3階段增強(qiáng),具體如下。
(1)R15版本
針對(duì)上行最大兩發(fā)的終端,允許終端在兩個(gè)上行載波間零微秒切換,但終端需要PA的關(guān)閉和預(yù)熱等物理處理過(guò)程,無(wú)法達(dá)到零時(shí)延,故該版本僅可通過(guò)RRC配置終端在何時(shí)切換到另一個(gè)上行載波,一般應(yīng)用如下(以 n41+n83為例):在n41上行覆蓋較好的位置默認(rèn)選擇上行載波為n41,在n41覆蓋較差的位置,終端上報(bào)測(cè)量報(bào)告,基站判斷信號(hào)質(zhì)量低于門(mén)限值(門(mén)限值的配置取決于基站實(shí)現(xiàn)),則通過(guò)RRC信令指示終端切換到n83,增強(qiáng)上行覆蓋能力,下行覆蓋能力不變,因上行覆蓋范圍擴(kuò)大,n41的下行使能范圍也隨之?dāng)U大。
(2)R16版本
針對(duì)上行最大兩發(fā)的終端,對(duì)載波間的切換時(shí)延做了放松,使得終端可實(shí)現(xiàn)頻繁快速切換過(guò)程,R16版本對(duì)SUL和UL CA做了相同的增強(qiáng),具體如下。
1)終端上報(bào)支持的載波間1Tx和2Tx切換時(shí)延能力,有 3 檔能力,分別為 35 μs、140 μs和 210 μs。
2)基站通過(guò) RRC指示終端在兩個(gè)上行載波的天線(xiàn)數(shù)和切換損失信息(即終端天線(xiàn)切換發(fā)生在哪個(gè)頻段的上行時(shí)隙),同UL CA,以n41+n83的SUL為例:
· 在 n41載波的 UplinkConfig 信令中,uplinkTxSwitchingPeriodLocation-r16=fault,表示切換損失不在 n41 uplinkTxSwitchingCarrier-r16=carrier2,代表n41上行為雙流;
· 在 n83載波的 UplinkConfig 信令中,uplinkTxSwitchingPeriodLocation-r16=true,表示切換損失在n83,上行數(shù)據(jù)傳輸模式如圖2所示,其中叉形所示,終端一根天線(xiàn)從700 MHz載波切換到2.6 GHz載波會(huì)浪費(fèi)700 MHz的幾個(gè)符號(hào)資源,無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù),uplinkTxSwitching Carrier-r16=carrier1,代表n83上行為單流;
圖2 上行數(shù)據(jù)傳輸模式
· 通過(guò)DCI符號(hào)級(jí)調(diào)度使得終端在預(yù)定的位置切換即可完成載波間的數(shù)據(jù)輪發(fā),增強(qiáng)上行峰值速率性能。
(3)R17版本
針對(duì)上行最大兩發(fā)的終端,正在推動(dòng)2Tx和2Tx的輪發(fā),該增強(qiáng)方案同樣適用于UL CA。
雙連接是 UE使用兩個(gè)通過(guò)非理想回傳鏈路相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn):主節(jié)點(diǎn)(master node,MN)和輔節(jié)點(diǎn)(second node,SN)提供無(wú)線(xiàn)資源進(jìn)行通信。無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)雙連接(multi RAT dual connectivity,MR-DC)是一系列不同的雙連接配置選項(xiàng)的總稱(chēng),與前面兩小節(jié)的 CA、SUL相比,DC最大的區(qū)別在于不僅支持相同系統(tǒng)間的協(xié)同,同樣支持不同系統(tǒng)間的協(xié)同,包括 EN-DC(E-UTRA-NR雙連接)、NR-DC(NR雙連接)、NGEN-DC(NG-RAN-E-UTRA雙連接)和NE-DC(NR- E-UTRA雙連接)。
載波聚合適合理想回傳場(chǎng)景,但考慮不同頻段的覆蓋性能有一定差異,存在較多不共站但有重疊覆蓋的場(chǎng)景。本節(jié)主要分析異站場(chǎng)景的載波聚合技術(shù)方案,包括性能影響和對(duì)應(yīng)的解決方案。
(1)成員載波不共用基帶板
現(xiàn)網(wǎng)終端僅支持單PUCCH,即PUCCH 只在PCell 上傳輸。因輔載波的下行數(shù)據(jù)HARQ確認(rèn)信息需要在主載波的 PUCCH發(fā)送,故對(duì)兩載波的BBU(基帶單元)間傳輸時(shí)延要求較高。時(shí)延越大,性能增益就會(huì)損失越大,LTE異站CA測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2:共站部署時(shí),X2時(shí)延為0 ms,DL峰值為39.65 Mbit/s,最大X2時(shí)延為8 ms時(shí),性能增益會(huì)降低約30%,DL峰值降低為27.91 Mbit/s,增益損失嚴(yán)重,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率降低。
表2 LTE異站CA測(cè)試結(jié)果
可通過(guò)以下兩種方式來(lái)規(guī)避或緩解上述性能損失。
· 降低BBU間傳輸時(shí)延,可通過(guò)CRAN部署方式,即將多個(gè)BBU放到同一個(gè)機(jī)房,BBU之間通過(guò)光纖直連,則Xn時(shí)延(5G中基站之間的接口,類(lèi)似于4G的X2)降低,性能損失也得到了緩解,但CRAN邊界處對(duì)性能無(wú)改善。
· 降低跨BBU的載波聚合對(duì)Xn時(shí)延的要求,通過(guò)多套PUCCH實(shí)現(xiàn),即輔載波的HARQ確認(rèn)信息在輔載波的PUCCH反饋,不需要經(jīng)過(guò)Xn口,則對(duì)Xn時(shí)延的要求相對(duì)寬松。
(2)成員載波不共用天面
如果兩載波單元的RRU(射頻單元)或AAU(射頻和天線(xiàn)一體化)不共用,終端到兩個(gè)小區(qū)天面的時(shí)間可能不同。以 n41(2.6 GHz)+n28(700 MHz)UL CA為例,考慮700 MHz覆蓋性能遠(yuǎn)好于2.6 GHz,故存在較大區(qū)域內(nèi),終端到700 MHz基站的距離要大于到2.6 GHz基站的距離,此刻,終端在700 MHz小區(qū)的時(shí)間提前量TA_n28要大于在2.6 GHz小區(qū)的TA_n41。若終端共用700 MHz小區(qū)的定時(shí)提前量,則終端發(fā)送數(shù)據(jù)到2.6 GHz基站的時(shí)刻相比2.6 GHz小區(qū)其他終端要提前TA_n28-TA_n41;若終端共用2.6 GHz小區(qū)的定時(shí)提前量,則終端發(fā)送數(shù)據(jù)到700 MHz基站的時(shí)刻相比700 MHz小區(qū)其他上行同步的終端要晚TA_n28-TA_n41。
當(dāng)同一小區(qū)的用戶(hù)在上行數(shù)據(jù)到達(dá)基站時(shí)刻不同,則會(huì)出現(xiàn)上行符號(hào)間干擾,故該場(chǎng)景僅使用一個(gè)TA值容易引起上行同步問(wèn)題,導(dǎo)致上行干擾,影響性能。載波聚合終端可通過(guò)支持不同的服務(wù)小區(qū)采用獨(dú)立的TA值,來(lái)避免因TA值不同造成上行不同步引起的符號(hào)間干擾。
補(bǔ)充上行和載波聚合類(lèi)似,均適合理想回傳場(chǎng)景部署。
(1)當(dāng)NUL載波和SUL載波不共RRU/AAU時(shí),終端到兩個(gè)載波天面的時(shí)間差不同,而3GPP僅定義一個(gè)TA值,即SUL載波共用NUL的TA值,該情況下,TA對(duì)上行性能影響如下。
n83頻段子載波間隔為15 kHz時(shí),normal CP長(zhǎng)度為4.6 μs,LOS場(chǎng)景下對(duì)應(yīng)容忍的覆蓋距離偏差范圍約 4.6 μs ×(3×108m/s)=1.38 km;NLOS下,覆蓋距離縮短,預(yù)計(jì)城區(qū)較小站間距場(chǎng)景TA同步問(wèn)題不大,但郊區(qū)較大站間距場(chǎng)景下可能有一定區(qū)域性能會(huì)因此受到影響??鏏AU或BBU示意圖如圖3所示。
圖3 跨AAU或BBU示意圖
(2)SUL要求同一時(shí)刻只能在一個(gè)上行載波發(fā)送數(shù)據(jù),以 n41+n83(SUL)為例,當(dāng)上行在n83傳輸時(shí),則需要n41的下行HARQ確認(rèn)信息在n83的PUCCH發(fā)送,若n41和n83的BBU不共BBU框,如圖4所示,兩個(gè)載波的基帶單元通過(guò)光纖或者通過(guò)路由連接,則 Xn時(shí)延增加,HARQ等待時(shí)延加長(zhǎng),影響用戶(hù)性能以及網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。
圖4 BBU不共框
雙連接適合解決非理想回傳場(chǎng)景下的速率提升,主要原因有兩點(diǎn):一是每個(gè)載波的下行數(shù)據(jù)的 HARQ均在本載波的上行反饋,對(duì)兩載波的BBU間時(shí)延要求相對(duì)寬松;二是數(shù)據(jù)流量在PDCP層分流,兩個(gè)載波各自擁有獨(dú)立的調(diào)度器,理論上,可以做異廠商雙連接,這也是雙連接的最大優(yōu)勢(shì),可以解除對(duì)供應(yīng)商的頻段綁定關(guān)系,對(duì)運(yùn)營(yíng)商的采購(gòu)有利,但網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和維護(hù)可能存在互相推諉等異廠商間協(xié)調(diào)問(wèn)題,實(shí)際部署可能性較低。
目前,產(chǎn)業(yè)較為常見(jiàn)的雙連接架構(gòu)是EN-DC,LTE eNB為MN,NR gNB為SN,控制面通過(guò)LTE eNB接入EPC。option 3系列示意圖如圖5所示,4G基站和4G核心網(wǎng)承載信令傳輸(圖5中虛線(xiàn)),4G基站和5G基站均可承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(圖5中實(shí)線(xiàn)),5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的NAS信令(如注冊(cè)、鑒權(quán)等)通過(guò)4G基站傳遞,5G無(wú)法獨(dú)立工作,也稱(chēng)為非獨(dú)立組網(wǎng)。
圖5 option 3系列示意圖
隨著5G核心網(wǎng)的成熟,5G產(chǎn)業(yè)逐步向獨(dú)立組網(wǎng)發(fā)展。NR和NR之間,3GPP僅定義了FR1 NR+FR2 NR的雙連接,但FR2尚未完成國(guó)內(nèi)的頻譜分配,故現(xiàn)網(wǎng)中NR和NR之間雙鏈接暫未部署。
NR和NR間的多頻段協(xié)同技術(shù)主要考慮CA和SUL。針對(duì)n41+n28 CA和n41+n83 SUL的R15和R16的峰值速率和邊緣速率進(jìn)行理論分析,對(duì)應(yīng)的基本系統(tǒng)配置參數(shù)見(jiàn)表3。
根據(jù)表3中單載波的理論峰值速率,可計(jì)算得到如下結(jié)論。
(1)上行鏈路
· 支持1Tx+1Tx并發(fā)的R15的UL CA,上行峰值250+175=300 Mbit/s。
· R15 SUL支持在NUL和SUL兩個(gè)上行載波選擇最優(yōu)的一個(gè)載波傳輸,上行峰值max(175 Mbit/s,250 Mbit/s)=250 Mbit/s。
· 支持1Tx和2Tx輪發(fā)的R16 UL CA或SUL,上行峰值相同,可達(dá)250 Mbit/s+175 Mbit/s×(17/(14×5))=383 Mbit/s,相比 R15 UL CA和R15 SUL分別有27%和53%增益。其中,17為700 MHz無(wú)法使用的符號(hào)個(gè)數(shù)(具體如圖6所示,切換時(shí)延帶來(lái)2符號(hào)損失,為保障2.6 GHz的SRS參考信號(hào)發(fā)送,需減少700 MHz的1個(gè)符號(hào),2.6 GHz上行時(shí)隙時(shí)刻,700 MHz上行不發(fā)送數(shù)據(jù),減少14個(gè)上行符號(hào)),14×5為5 ms周期內(nèi)700 MHz的上行符號(hào)個(gè)數(shù)。
圖6 上行輪發(fā)時(shí)700 MHz無(wú)法使用的符號(hào)
(2)下行鏈路
· DL CA在R15和R16峰值速率性能相同,均為1 700 +350=2 050 Mbit/s。
· SUL在R15和R16的下行性能相同,下行僅n41單載波,均為n41的峰值1 700 Mbit/s,若SUL同時(shí)添加n28為下行輔載波,則可達(dá)到與DL CA相同峰值速率。
峰值速率性能對(duì)比如圖7所示,R16的上行性能相比 R15有一定提升,下行峰值速率性能不變。
圖7 不同技術(shù)的上下行峰值速率
中單載波的理論邊緣速率見(jiàn)表3,可推理得到如下結(jié)論。
表3 基本系統(tǒng)配置參數(shù)
(1)上行鏈路
上行邊緣位置,終端功率受限,單發(fā)效率最高,即UL CA或SUL均只在700 MHz(n83或n28)上單發(fā),邊緣速率3.5 Mbit/s。
(2)下行鏈路
· DL CA在R15和R16性能相同,考慮兩個(gè)載波的邊緣位置可能不同,不能直接相加,需要測(cè)試驗(yàn)證。
· SUL在R15和R16的下行性能相同,下行僅n41單載波,為n41的邊緣速率70 Mbit/s。
目前,DL CA產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟,已支持基站和終端的端到端測(cè)試,UL CA和SUL端到端產(chǎn)業(yè)成熟度相對(duì)較慢,2021年基站和終端將支持端到端測(cè)試驗(yàn)證,其中UL CA相比SUL產(chǎn)業(yè)鏈更加豐富。
為加強(qiáng)多頻段協(xié)同,達(dá)到提升用戶(hù)峰值速率,提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力等目的,載波聚合、補(bǔ)充上行和雙連接技術(shù)是重要的解決手段,但適用場(chǎng)景不同,載波聚合和補(bǔ)充上行適用于理想回傳場(chǎng)景,其中,載波聚合主要用于相同頻段之間(比如n41+n41)、TDD頻段之間(比如n41+n79)以及TDD頻段和FDD頻段之間(比如n41+n28)等,適用范圍相對(duì)廣泛;補(bǔ)充上行主要適用于TDD頻段和SUL頻段之間(比如n41+n83),適用范圍相對(duì)較?。浑p連接主要適用于非理想回傳場(chǎng)景,目前較多應(yīng)用于 FDD LTE+TDD NR 或 TDD LTE+TDD NR等EN-DC。未來(lái)毫米波等高頻段頻譜可能會(huì)逐步引入現(xiàn)網(wǎng),考慮和中低頻段的覆蓋差異較大,高低頻協(xié)同技術(shù)會(huì)更多地應(yīng)用在非理想回傳場(chǎng)景,未來(lái)可進(jìn)一步對(duì)非理想回傳場(chǎng)景下的載波聚合或補(bǔ)充上行等多頻段協(xié)同技術(shù)進(jìn)行性能影響定量分析和測(cè)試驗(yàn)證,并針對(duì)存在的問(wèn)題考慮解決方案或性能提升方案。