一文了解5G SA超级上行频谱
前景理论 2021-04-30

1.1、背景

当前5G C-Band主要采用TDD组网,即上行和下行时分复用C-Band 频谱资源,一般采用8:2/7: 3/4: 1时隙配比,实际用于上行的时频资源有限,导致用户上行体验不佳。

超级上行通过将上行数据分时在Sub-3G频谱和C-Band频谱上发送,极大地增加了5G用户的上行可用时频资源。其原理为:在 C-Band频谱的上行时隙,使用C-Band频谱进行上行数据发送;在C-Band 下行时隙,使用空闲的Sub-3G频谱补充进行上行数据发送, 实现上行数据可以在全时隙发送,以C-Band TDD 7:3时隙配比为例,如所示。

在5G早期商用场景下,如果没有单独的Sub-3G频谱资源供5G使用,可以通过开通LTE FDD和NR上行频谱共享功能来获取Sub-3G 频谱资源。


1. 2、应用场景

1.2.1、目标场景

超级上行应用于宏站场景。此场景中,超级上行技术使下行数据传输在C-Band频段,同时上行数据可以在C-Band和Sub-3G频段分时传输, 增强C-Band上行容量和覆盖能力,提升用户体验速率并满足更高要求的业务需求。

1.2.2、超级上行频谱来源

超级上行所需的Sub3G频谱可以由频谱Refarming或者通过L-NR 上行频谱共享获得。现网密集城区LTE FDD上下行PRB利用率比例约为 1:3,越热点的区域上下行PRB利用率差值越大。

现网FDD上下行PRB利用率不平衡、上行PRB利用率偏低,为通过 LTE/NR上行频谱共享获得超级上行频谱提供了可行性。


1.3、方案价值

上行容量增益:Sub-3G上行频谱与C-band 频谱时分叠加使用,极大增加上行频谱资源,从而带来了5G小区的上行容量增益;

上行用户体验增益:超级上行用户使能上行全时隙调度,上行体验速率提升;

上行覆盖增益:3.5G传播损耗大,在远点覆盖受限,SUL Sub3G 传播特性优于C-band,在小区远点上行体验速率优于C-band,提升上行覆盖。


1.4、原理描述

1.4.1、超级上行

1.4.1.1、小区配置

超级上行开通前需要完成C-Band小区和Sub-3G小区配置。建立 Sub-3G小区通过MO NRDUCell配置,Sub-3G小区必须配置的参数如所示。

1.4.1.2、载波信息

为了保证UE在Sub-3G载波上正确接入和工作,gNodeB需要将 Sub-3G载波相关的信息发送给UE。包括如下信息:

  • 帧结构、 系统带宽、 频点

  • Sub-3G 上行公共信道配置

− PRACH 配置

− PUSCH 公共配置

− PUCCH 公共配置

− 订阅系统消息配置:当系统消息发送策略gNBSibConfig. SibTransPolicy 配置为“ON_DEMAND” 时, 会下发该配置。系统消息配置通过参数 MO gNBSibConfig 配置。

承载Sub-3G载波信息的消息如下:

  • 空闲态接入时,通过SIB1(System Information Block 1) 承载;

  • 连接态接入时,通过RRC Reconfiguration消息承载。

说明:开启超级上行功能后,由于gNodeB会通过SIB广播SUL信息,下行SSB RB占用会轻微提升,下行峰值吞吐量可能会轻微降低。

1.4.1.3、随机接入

空闲态下,仅支持 UE 从C-Band 上发起随机接入。

随机接入,即 RA(Random Access),用于实现 UE 与gNodeB 之间建立和恢复上行同步。随机接入过程分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入:

  • 在基于竞争的随机接入过程中, 接入前导由 UE 随机选定, 不同 UE选择的前导可能冲突。gNodeB 基于竞争解决不同 UE 的接入, 其结果具有随机性, 并不能保证 100%成功。

  • 在基于非竞争的随机接入过程中, 接入前导由gNodeB分配给 UE,这些接入前导属于专用前导, 因此UE不会发生前导冲突。但当专用资源不足时,gNodeB会指示 UE 发起基于竞争的RA。

1.4.1.4、上行TDM调度

超级上行生效后,下行链路承载在C-Band 载波,上行链路承载在C-Band和Sub-3G载波。由于C-Band 的子载波间隔为30kHz, Sub-3G载波的子载波间隔为15kHz,C-Band 载波与Sub-3G 载波的时隙数量比例是2:1,因此调度时需要考虑不同时序的调度。SRAN16.0 版本,对于C-Band 载波,仅支持时隙配比 7:3(通过参数 NRDUCELL.SlotAssignment 配置);对于Sub-3G载波, 仅C-Band下行时隙对应的Sub-3G时隙才可用。以时隙配比7:3进行示意。

超级上行调度时序:

NR引入了灵活的调度机制,协议引入k1和k2,以保证gNodeB 和UE间的调度时序不错乱。其中k1用于确定下行数传的HARQ时序, k2用于确定上行调度时序, k1和k2基于算法自动计算得到。gNodeB通过DCI(Downlink Control Information)消息将k1和k2参数下发给UE。其余调度算法与C-Band NR(TDD) 小区相同。

下行HARQ时序

在超级上行场景下,下行数传的ACK/NACK反馈时序为 N+k1。当 UE 在C-Band 时隙N收到下行数据时,会在时隙N+k1对应的C-Band上行时隙反馈ACK/NACK,如所示。

上行 HARQ 时序

超级上行支持在C-Band和Sub-3G间以TDM方式进行调度。网络侧通过C-Band动态指示UE在C-Band和Sub-3G上调度的资源,如所示。

当UE在C-Band时隙N收到包含C-Band上行调度资源的DCI( downlink controlinformation)时,会在C-Band时隙N+k2对应的 C-Band上行时隙发送上行数据。

当UE在C-Band时隙M 收到包含Sub-3G上行调度资源的DCI时, 会在C-Band时隙M+k2 对应的 Sub-3G 上行时隙发送上行数据。

1.4.1.5、上行功率控制

超级上行的C-Band和Sub-3G载波单独进行功率控制,基站通过 TPC(Transmit PowerControl)单独指示UE两个载波的功率调整值,UE也在两个载波上单独上报PHR(Power headroom report)值。

备注:TPC 参 DCI 中位域 TPC command for scheduled PUSCH。

超级上行的差异点在于Sub-3G没有下行链路,因此采用C-Band 下行链路进行路损估计。采用C-Band载波下行链路获得路损估计会大于实际路损情况,因此会导致Sub-3G上行发射功率过高, 导致上行干扰提升。因此gNodeB会根据Sub-3G 和C-Band 载波下行的路损差调整如下值, 通过SI消息下发。

  • P 0_pre :gNodeB 期待接收到的 preamble 的初始功率

  • P 0_PUCCH :gNodeB 期待接收到的 PUCCH 初始功率

  • P 0_PUSCH :gNodeB 期待接收到的 PUSCH 初始功率

1.4.1.6、移动性管理

支持超级上行的UE 在NR小区间移动时,切换和重定向时需要重新选择C-Band 小区驻留。UE 的移动性管理分为系统内移动性管理和系统间移动性管理:

  • 系统内移动性管理包含:同频切换、 异频切换、 异频重定向、 异频盲重定向。本版本 NR 不支持系统内盲切换。

  • 系统间移动性管理包含:异系统切换/重定向、 异系统盲重定向。

同频切换:

当UE上报同频切换A3事件后, 源gNodeB执行站内同频切换或站间同频切换流程。

基于C-Band下行RSRP选择目标同频小区驻留,并通过切换RRC 重配置消息指示UE 在目标gNodeB 发起切换并执行随机接入,与 TDD同频切换一致。

异频切换和重定向:

当UE上报异频切换A2和A5事件后, 源gNodeB执行站内异频切换或站间异频切换流程。

基于C-Band下行RSRP选择目标异频小区驻留,并通过切换RRC 重配置消息指示UE在目标gNodeB发起切换/重定向并执行随机接入,与TDD异频切换一致。

说明:仅当UE不支持切换时,会根据测量结果选择信号质量最优小区所在的频点进行重定向。UE 是否支持异频切换,通过UE能力字段 handoverInterF表示。

异频盲重定向:

异频盲重定向只对服务小区进行测量, 不对邻区进行测量。

当UE 测量到服务小区 RSRP 满足异频盲A2 事件时, 则启动异频盲重定向将 UE 重定向到频率优先级最高的频点。由于没有测量, 因此 UE 默认在选择的频点对应小区的 C-Band 上行发起随机接入。

1.4.2、LNR 上行频谱共享

LNR 上行频谱共享时上行 PUSCH、 PUCCH、 PRACH 信道分布示意图如下:

1.4.2.1、技术原理

LTE 和NR 上行频谱的动态共享功能是指 LTE 和NR 的上行物理信道基于业务优先级( eNodeB 和 gNodeB 协 商 判 断 ) 和 频谱优先 级 ( 通过参数 LteNrSpctShrCellGrp.LteNrUlSpectrumShrPriority 配置) 分配频谱资源, 如所示。

本功能通过:

  • 支持SRS 基于LTE 和NR 的业务量在时域维度进行频谱资源的动态分配来提升资源利用率。

  • 支持对上行各物理信道资源的协调调度来避免在 LTE 和NR 上行频谱共享过程中产生干扰。

其中, 上行各物理信道资源的协调调度需确保 LTE 和 NR 的子帧对齐, 通过 LTE 侧参数CellFrameOffset. FrameOffset 或 ENodeBFrameOffset. FddFrameOffset ( 如果 LTE 侧同时配置了这两个参数, 则以参数 CellFrameOffset. FrameOffset 的取值为准) 、 NR 侧参数gNodeBParam. FrameOffset 来配置。在此前提下, eNodeB 和gNodeB 对资源的协调调度方式如下:

  • NR 的PUCCH:固定预留 10 个RB 资源, 对称部署在带宽的最两端。

  • LTE 的PUCCH:紧随 NR 的PUCCH 对称配置, PUCCH 在频域低频端的起始位置固定、 在频域高频端的终止位置固定, 具体请参见。LTE 的PUCCH占用的 RB 数通过参数配置确定或动态调整, 具体请参见“eRAN 特性文档” 《物理信道资源管理》 中关于 PUCCH 的介绍。本功能中, LTE的PUCCH 总RB 数要求不能超过 16 个, 否则可能会对SRS 造成干扰,影响网络性能。

LTE 的PUCCH 起始/终止位置(动态共享)

以 15MHz 带宽为例, 假设 LTE 的PUCCH 配置的 RB 数为 12, 则占用的低频端 RB 资源为RB3~RB8、 高频端 RB 资源为 RB66~RB71。

  • LTE 的PRACH:固定占用 6 个RB 资源, 紧随 LTE 的PUCCH 在低频端部署。

  • NR 的PRACH:固定占用 6 个RB 资源, NR 的PRACH 紧随 LTE 的PUCCH高频端部署, NR 的PRACH 的频域起始位置通过 LTE 的PUCCH 配置确定。

  • LTE 和NR 的PUSCH:LTE 和NR 总的可用 PUSCH 资源 = 总的可用频谱资源 – LTE 和NR 的PUCCH 占用资源 – LTE 和NR 的PRACH 占用资源。LTE 和NR 总的可用 PUSCH 资源根据业务优先级和频谱优先级动态共享使用。

PUSCH 资 源分配时 优先考虑 业务优先级 , 其次考虑 频谱优先策略( 通过参数LteNrSpctShrCellGrp. LteNrUlSpectrumShrPriority 配置) 。

针对LTE 和NR 的业务类型区分优先级(例如:MSG3 业务优先级高于 GBR 业务) , 资源分配时优先满足高优先级业务需求。

对于相同优先级的业务(除了 MSG3 业务、 TTIB 等固定预留资源外) , 根据频谱优先策略进行资源分配。

  • LTE 优先时, 表示优先分配频谱资源给 LTE 小区使用。

  • NR 优先时, 表示优先分配频谱资源给 NR 小区使用。

  • LTE 和NR 公平时, 表示根据 LTE 和NR 的业务需求, 比例公平地分配共享频谱资源给 LTE 小区和 NR 小区使用。

LTE FDD 和NR 上行频谱共享中 NR 的PUCCH 的RB 数

1.4.2.2、功能配置

本功能需在 LTE 侧和NR 侧完成功能开关和相关参数的配置。

LTE 侧通过将参数 SpectrumCloud. SpectrumCloudSwitch 配置为“LTE_NR_UPLINK_SPECTRUM_SHR” 来开启本功能。同时, 要进行如下参数配置:

− 将 LTE 小区加入频谱共享小区集:通过参数SpectrumCloud. LocalCellId 和SpectrumCloud. LteNrSpectrumShrCellGrpId 来配置。

− 配置 LTE 和NR 上行频谱共享模式为动态共享:通过参数LteNrSpctShrCellGrp. LteNrUlSpectrumShrMode 来配置(配置 为“DYNAMIC_SHARING” ) 。LTE 侧和NR 侧的上行频谱共享模式必须配置一致。

− 配置 LTE 和NR 频谱共享优先级:通过参数LteNrSpctShrCellGrp. LteNrUlSpectrumShrPriority 来配置。可根据网络规划来配置频谱共享优先级, 包括:LTE 优先、 NR 优先或LTE 和NR 公平。例如:配置为 LTE 优先时, 表示优先分配共享频谱资源给 LTE 小区使用。

− 配置 LTE 和NR 共载波共 CPRI 数据开关:通过参数LteNrSpctShrCellGrp. LteNrCoCarrCoCpriDataSw 来配置。仅当 LTE和NR 为CPRI MUX 组网时, 该开关才允许打开。打开后, 可以降低 CPRI 带宽要求。

− 配置时间同步:通过参数TASM. MODE 、 TASM. CLKSRC 、 PEERCLK. PN 、 PEERCLK. PNT 、 PEERCLK. PS 和 TASM. CLKSYNCMODE 来配置。本功能要求 LTE 小区和 NRSUL 小区之间保持时间同步。由于 NR SUL 小区已经与 NR C-Band 小区保持时间同步, 因此:仅在 LTE 和NR 分离主控场景下,LTE 侧需将参考时钟源配置为对端 NR 侧的参考时钟源, 并配置时钟同步模式为时间同步;在 LTE 和NR 共主控场景下, LTE 侧无需配置时间同步。

NR 侧通过打开参数 NRDUCellAlgoSwitch. SpectrumCloudSwitch 的子开关“LTE_NR_UL_SPECTRUM_SHARING_SW” 来开启本功能。同时,要进行如下参数配置:

− 配置 LTE 频谱共享小区集和 NR 频谱共享小区集的关联关系:通过参数 gNBDULteNrSpctShrCg. NrSpctShrCellGrpId 和gNBDULteNrSpctShrCg. LteSpctShrCellGrpId 来配置。

− 将 NR SUL 小区加入 NR 频谱共享小区集:通过参数NRDUCellSpctCloud. NrDuCellId 和NRDUCellSpctCloud. NrSpctShrCellGrpId 来配置。

− 配置上行频谱共享模式为动态共享:通过参数gNBDULteNrSpctShrCg. LteNrUlSpectrumShrMode 来配置(配置为“DYNAMIC_SHARING” ) 。NR 侧和LTE 侧的上行频谱共享模式必须配置一致。


1.5、超级上行特性、 增强上行容量和覆盖

园区业务场景区域分布多样化, 如原水泥墙体 40CM 墙体衰减大、 ft间传送带区域路损大等存在 5G 体验感知风险, 根据电信、 水泥厂需求, 开通超级上行特性, 通过超级上行 3.5G 和 2.1G 高低频上行全时隙调度, 增强上行覆盖和容量, 整体提升客户5G 速率感知。

组网情况:5G SA 开通 3.5G NR+2.1G SUL

验证设备:Mate X+PHU/probe

现场验证:

1、 Mate X+PHU 当前版本适配问题, 手机侧显示速率异常, 测试完成后电脑 probe 回放确认速率;

2、 特性占用成功验证方式:Mate X 终端侧速率提升+后台信令跟踪确认;超级上行特性生效验证方式Probe 无线测量参数 SRS Power(SUL)有数值

统计本小区的平均基于时频融合的上行增强用户数不为 0

不同场景对比:近点测试超级上行增益百分比为 32.2%, 远点测试:超级上行开通后增益百分比为 23.4%。

园区拉网测试:超级上行开通前平均上行速率 140.5Mbps, 开通后 191.4Mbps,速率增益48.9Mbps, 增益百分比 34.3%.


主厂区园区测试


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