5G NR 上下行解耦技术原理

2020-8-24 11:17 9100 99

▋原理介绍

1、原理概述

由于5G NR(New Radio)上下行时隙配比不均以及 gNodeB下行功率大,导致C-Band上下行覆盖不平衡,上行覆盖受限成为5G部署的瓶颈。同时,随 着波束赋形、CRS(Cell-specific Reference Signal)-Free等技术的引入,下行干扰会减小,CBand上下行覆盖差距将进一步加大。 

基于上述原因,上下行解耦定义了新的频谱配对方式,使下行数据在C-Band传输,而上行数据在 Sub-3G(例如1.8GHz)传输,从而提升了上行覆盖。在5G早期商用场景下,如果没有单独的Sub3G频谱资源供5G使用,可以通过开通LTE FDD和NR上行频谱共享特性来获取Sub-3G频谱资源。

在新版本中,C-Band的频段是3.5G/3.7G,Sub-3G频段是1.8G,仅支持NSA(nonstandalone)组网场景。 

3GPP R15版本引入了辅助上行SUL(Supplementary Uplink),SUL承载在Sub-3G频段。SUL可以有效利用空闲的Sub-3G频段资源,改善高频的上行覆盖,使得更多的区域可以享受到5G;同时提高边缘用户的使用体验。

引入SUL后,上行可以通过常规上行链路(C-Band)或辅助上行链路(Sub-3G)承载。因此在随机 接入、功率控制、调度、链路管理和移动性管理上,与上下行使用相同频段的过程有不同。 


2、SUL随机接入 

随机接入是UE在通信前,由UE基于非竞争的方式向gNodeB请求接入,收到gNodeB的响应并由 gNodeB分配随机接入信道的过程。随机接入的目的是建立UE和网络的上行同步关系并请求网络给 UE分配专用资源,以进行正常的业务传输。

NSA组网场景下,gNodeB根据UE上报的C-Band下行RSRP(reference signal received power)来 决策UE是否在SUL载波发起随机接入,SUL链路选择请参见SUL链路管理。若判断UE在SUL上发起 随机接入,gNodeB将携带有SUL载波相关信息的RRC重配置消息通过eNodeB发给UE。 

SUL随机接入接入流程如下: 

1、 UE发送前导序列 UE首先通过RRC重配置消息获取SUL的RACH相关配置信息并向gNodeB发起随机接入请求RA(Random Access)(通过MSG 1承载)。 

2、 gNodeB发送RA响应 gNodeB收到UE的前导后,分配Temporary C-RNTI(cell radio network temporary identifier)并进行上下行调 度资源的申请。gNodeB在PDSCH(physical downlink shared channel)上发送RA响应,携带的信息包括:RA-preamble identifier、Timing Alignment information、initial UL grant和Temporary C-RNTI。在一条PDSCH 上可以同时为多个UE发送RA响应(通过MSG 2承载)。 

UE发送了前导后,在RA滑窗内不断监听PDCCH(physical downlink control channel)信道,直到 获取所需的RA响应为止。 

  • 如果RA响应包含一个与UE先前发送一致的RA-preamble identifier,则UE认为响应成功,继续进行上行调 度传输。 

  • 如果在RA滑窗中UE始终没有收到响应信息,或接收到的响应信息验证失败,则UE认为接收响应失败。响 应失败后,如果UE的RA尝试次数小于最大尝试次数,则重新进行一次RA尝试,否则RA流程失败。 

3、调度 

上下行解耦特性开启的场景下,下行链路通过C-Band传输(TDD),上行链路通过Sub-3G传输 (FDD)。由于C-Band的子载波间隔为30kHz,Sub-3G的子载波间隔为15kHz,C-Band与Sub-3G 的TTI数量比例是2:1,因此调度时需要考虑不同时序的调度,如下图所示。 

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,详情请参 见3GPP TS38.214 V15.0.0 5.2-5.3章节。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。gNodeB通过DCI(Downlink Control Information)消息将k1和k2参数下发给UE。其余 调度算法与非上下行解耦相同

  • HARQ时序 

在上下行解耦场景下,下行数传的ACK/NACK反馈时序为N+k1。当UE在C-Band子帧N收到下行数据时, 会在C-Band子帧N+k1对应的Sub-3G上行子帧反馈ACK/NACK,如下图所示。 

  • 上行调度时序 

在上下行解耦中,网络侧通过C-Band调度指示UE在SUL上调度的资源,调度时序为N+k2。当UE在CBand子帧N收到包含上行调度的DCI时,会在C-Band子帧N+k2对应的Sub3G上行子帧发送上行数据, 如下图所示。 


4、SUL功率控制

  • SUL各信道的功率控制原理与NR高频上行功率控制相

  • 差异点在于SUL没有下行链路,因此采用高频下行链路进行路损估计。采用高频下行链路获得路损 估计会大于实际路损情况,因此会导致SUL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和高频下行的路损差调整如下值,路损差通过RRC重配置消息发送给UE。

  • P0_pre:gNodeB期待接收到的preamble的初始功率

  • P0_PUCCH:gNodeB期待接收到的PUCCH初始功率

  • P0_PUSCH:gNodeB期待接收到的PUSCH初始功率 


 5、SUL链路管理 

  • 上行链路选择 

NSA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 SCG(secondary cell group),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NR上行或NR SUL链路作为上行链路,并在RRC重配消息中指示UE要接入的上行链路。

  • 上行链路变更 

建立双连接后,由于NR上行与NR辅助上行的覆盖差异,UE在NR小区内 移动时会产生上行链路变更。上行链路变更流程如下: 

NR基站向UE下发A1/A2事件的测量控制: 

  • UE上行链路在NR上行时,gNodeB向UE下发A2测量控制

  • UE上行链路在NR辅助上行时,gNodeB向UE下发A1测量控制。

gNodeB收到UE上报的A1/A2事件后,根据上如下规则,通过RRC重配指 示UE进行上行链路变更。

  • 当UE上行链路在NR上行时,如果NR小区RSRP低于NRCellSul.RsrpThld - Hyst(迟滞)(A2测量事件),则网络侧指示UE变更至NR辅助上行链路。

  • 当UE上行链路在NR辅助上行时,如果NR小区RSRP高于 NRCellSul.RsrpThld + Hyst(迟滞)(A1测量事件),则网络侧指示UE变更 至NR上行链路。 


6、移动性管理 

UE移动时如果需要切换eNodeB,称为MCG移动性管理。如果不需要切换eNodeB但是会切换gNodeB, 称为SCG移动性管理。 

MCG移动性管理 

  • 如果原eNodeB存在gNodeB作为辅站,原eNodeB先删除gNodeB并通过RRC重配置消息指示UE释放SCG, 然后通过RRC重配置消息指示UE向目标eNodeB发起切换。UE切换至目标eNodeB后,再添加合适的目标 gNodeB作为SCG。若目标NR小区支持上下行解耦,则网络侧需要指示UE在NR上行或NR辅助上行发起随机接入.

  • 如果原eNodeB不存在gNodeB作为辅站,则网络侧断开UE和eNodeB之间的连接,并指示UE切换至目标 LTE小区后再添加目标NR小区作为SCG。若目标NR小区支持上下行解耦,则网络侧需要指示UE在NR上行 或NR辅助上行发起随机接入.

SCG移动性管理 

  • eNodeB释放原gNodeB,并添加目标gNodeB作为SCG。若目标NR小区支持上下行解耦,网络侧需要指示 UE在NR上行或NR辅助上行发起随机接入.


▋网络分析

1、增益分析 

  • NR小区边缘上行吞吐率提升 上下行解耦特性开通能够有效提升小区边缘吞吐率,小区边缘用户体验得到改善。

  • NR小区用户数增加 上下行解耦特性开通可以扩大NR小区上行覆盖,接入用户数增加。 

2、影响分析 

上下行解耦用户激活后,网络侧会为用户激活NR上行和NR辅助上行两个载波,因此每个上下行解耦用户会消 耗双倍硬件资源。 


▋软硬件要求 

1、 License要求 

上下行解耦为Trial特性,无License要求。 

2、硬件要求 

3、组网要求

  • 要求LTE小区和NR小区共站部署。

  • 由于SUL没有对应的下行,因此SUL的功率控制、链路管理等依赖NR小区的下行测量。因此,NR SUL覆 盖与对应的NR小区一致时,能够保证最佳解耦效果。在进行上下行解耦网络部署时,需要保证NR C-Band 天线与NR Sub-3G (SUL)天线的方位角相同,如下图所示。 



▋开通数据配置

1、激活配置数据准备 

  • 执行MML命令MOD NRCELLALGOSWITCH,打开上下行解耦开关。

  • 执行MML命令ADD NRCELLSUL,添加NR小区辅助上行。

  • 执行MML命令ADD SECTOREQM,增加SUL小区对应的扇区设备,要求各天线收发类型配置为接收。

  • 执行MML命令ADD NRLOCELL,添加NrLocalCellId和SulNrLocalCellId对应的NR本地小区。对于标识为 SulNrLocalCellId的NR本地小区双工模式为CELL_FDD、工作模式为UL_ONLY。 

  • 执行MML命令ADD NRLOCELLSUL,添加NR本地小区辅助上行,配置NR辅助上行所属的NR小区的本地 小区标识NrLocalCellId和NR辅助上行对应的本地小区标识SulNrLocalCellId。 

 

2、优化配置数据准备 

  • 执行MML命令MOD NRCELLSUL,优化RSRP门限,平衡NR上行和NR辅助上行的负载。 

3、去激活配置 

  • 执行MML命令MOD NRCELLALGOSWITCH,关闭上下行解耦开关。

  • 执行MML命令RMV NRCELLSUL,删除NR小区辅助上行。

  • 执行MML命令RMV NRLOCELLSUL,删除NR本地小区辅助上行。

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