5G Release 16系列文章:Uplink switching 超级上行

背景介绍

Uplink switching,在通信业界有个更为广泛的名称:超级上行,这是3GPP在5G Release 16中引入的新特性。其主要原理是UE在两个载波(通常是低频+高频)进行上行传输的时候,通过时分的方式复用低频载波和高频载波,从而可以兼具低频穿透性好、全时隙可进行上行传输,以及高频大带宽的优势,进而可以更加充分的利用上行资源,提升上行覆盖和吞吐率。

根据国内某运营商发布的5G手机产品白皮书中的描述,uplink switching已经在2022年纳入推荐甚至是必选范围,相信在未来可以看到越来越多支持uplink switching终端的出现。



今天给大家带来5G通信特约合作伙伴Keysight一篇深圳无线解决方案团队的技术文章,为大家介绍uplink switching 超级上行。(可免费下载全文


目录

1.

Uplink switching介绍

1.1 基于EN-DC的uplink switching

1.2 基于UL CA的uplink switching

1.3 基于SUL的uplink switching

2.

3GPP Release 17中的uplink switching

3.

测试介绍

3.1 连接测试

3.2 RF测试

由于篇幅有限,全文请下载阅读

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1. Uplink switching介绍

在介绍uplink switching之前,我们先来看一组上行吞吐率的对比。这里以5G SA(独立组网)的FDD和TDD为例,其中FDD载波带宽20M,TDD载波带宽100M,并且TDD时隙配比采用的是目前运营商主流的5ms单周期DDDDDDDSUU以及2.5ms双周期DDDSUDDSUU。

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通过吞吐率的对比可以看出,虽然UE在FDD载波上每个时隙(slot)都可以传输上行数据,但是TDD载波凭借大带宽的优势,且支持UL MIMO(并不是每个FDD载波都支持UL MIMO),上行吞吐率要大大好于在FDD上的表现,通过改变上行占空比(2.5ms双周期对比5ms单周期),则可以进一步提升上行吞吐率。

以SA的UL CA组合FDD+TDD(其中TDD时隙配比为2.5ms双周期)为例,目前主流的UE最多只支持上行2Tx的传输,因此UE在FDD和TDD就只能分别以1Tx也就是UL SISO的方式传输数据,那么上行速率为307Mbps(120+187),要小于在TDD做UL MIMO时的375Mbps。

虽然通过在TDD进行UL MIMO的方式能够明显的提升上行吞吐率,但是由于TDD载波普遍处于高频段,比如N78为3.5GHz、N79为4.9GHz,根据信号衰减公式FSPL=32.45+20lgF+20lgD,其中FSPL=自由空间损耗(dB),D=距离(km),F=频率(MHz),由公式可以知道,相同距离下,频率越高则衰减得越厉害,会导致5G小区覆盖受限。

此外,当前主流UE的最大发射功率为23dBm(0.2瓦)甚至是26dbm(0.4瓦,即power class 2的HPUE),远低于现网基站几百瓦的发射功率,因此决定最终实际5G小区覆盖范围的还是上行覆盖。

受限于发热、功耗以及电池续航,UE的发射功率会受到限制。如果既能采用低频载波(比如FDD)保证上行覆盖,又能在大带宽的TDD载波使用UL MIMO的方式提升吞吐率,就可以满足越来越多应用对上行传输的需求,包括随时随地上传录制的视频到各视频网站,或者是与家人朋友进行在线高清视频通话等。

那么3GPP Release 16所提出的uplink switching技术就可以很好的兼顾以上对覆盖和速率的需求。

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这里假定UE支持使用2根Tx天线并且可以在两个不同的载波进行上行传输。还是以UL CA FDD+TDD为例,上图左边表示的是UE在FDD和TDD各以1Tx的方式传输数据,而通过uplink switching,UE可以在TDD的上行时隙切换至TDD载波使用2Tx也就是UL MIMO的方式传输数据,从而可以提升上行的吞吐率。根据TS 38.214的定义,uplink switching可以分为两种工作模式:switchedUL和dualUL,其中switchedUL指的是UE只能在两个载波通过时分的方式传输数据(比如在TDD的下行时隙通过FDD载波发送上行数据,在TDD的上行时隙则使用TDD载波发送上行数据),而dualUL则指的是UE不仅可以在两个载波通过时分的方式传输数据,也可以在两个载波各自用1Tx同时传输数据。

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支持uplink switching的UE通过RRC层的信令UE Capability Information上报其相关的能力信息,这里需要注意的是,uplink switching能力是对应到某些特定的频段组合的,以UL CA为例,可能UE支持N28+N41的uplink switching,但是不支持N1+N78的uplink switching。


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uplinkTxSwitching-OptionSupport,只有当UE上报所支持的uplink switching能力后,网络侧才能对UE进行相应的调度,目前协议定义了switchedUL和dualUL两种调度方式,这里需要注意的是,UE可以在UL CA和SUL场景下同时支持switchedUL和dualUL,但是在EN-DC场景下要么支持switchedUL,要么只支持dualUL,而dualUL不适用于SUL,因为SUL和NUL载波不能同时进行上行传输,具体各场景的工作模式会在后续章节做具体的介绍。

uplinkTxSwitchingPowerBoosting,指的是在UL CA场景的uplink switching,UE的总功率一定的前提下(目前只支持UE为power class 3,也就是最大总功率为23dBm),UE可以在切换至支持UL MIMO的载波(一般是高频的TDD)后,提升3dB的发射功率,以此来增强覆盖能力。

uplinkTxSwitchingPeriod,因为uplink switching是一种时分的工作方式,因此3GPP协议定义了UE的Tx天线在两个不同载波进行切换的时间间隔。其中EN-DC场景下,UE可以支持35μs和140μs的切换时间间隔,而在UL CA和SUL场景下,UE则可以支持35μs、140μs和210μs的切换时间间隔。为了留出switching period的时间,网络侧需要在调度的时候根据UE支持的能力适当空出部分上行symbol用作切换间隔。

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uplinkTxSwitching-DL-Interruption,在uplink switching中还引入了DL interruption的概念,也就是进行uplink switching时会对某些频段组合的下行传输造成影响,相应的描述来自TS 38.133:

When dynamic switching between two uplink carriers is conducted, UE is allowed to cause DL interruption of X OFDM symbols in NR downlink carrier(s) as indicated by uplinkTxSwitching-DL-Interruption. The DL interruption starts from the first OFDM symbol which fully or partially overlaps with the UL switching period located in either NR carrier 1 or carrier 2 as indicated in RRC signalling. The DL interruption lengths of X are defined in Table 8.2.2.2.10-1.

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而在SUL+NR TDD、TDD+TDD的UL CA、TDD+TDD的EN-DC这三种场景则没有DL interruption,这是因为:

1.

SUL载波只有上行,而没有下行;

2.

TDD+TDD的UL CA和TDD+TDD的EN-DC场景下,两个TDD在进行上行切换的时候,此时下行是不工作的,因此也就没有DL interruption。

之后网络侧通过RRC重配消息将uplink switching相关的配置下发给UE,并通过DCI持续的对UE进行调度。

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Uplink switching可以和EN-DC、UL CA以及SUL相结合,进一步提升5G UE的上行吞吐率,下面将对这三种不同的场景分别进行介绍。



1.1 基于EN-DC的uplink switching

EN-DC,也就是NSA(非独立组网),其主要工作模式是UE通过LTE接入网络,再通过网络侧所下发的RRC重配消息让UE聚合NR载波,之后LTE载波和NR载波均可以承载数据业务的传输。

这里以LTE FDD+NR TDD为例,如下图所示,在LTE和NR的上行共同覆盖区域,UE可以在LTE载波和NR载波均发送上行数据,而受限于UE的发射功率以及NR TDD采用的高频段,此时NR的上行覆盖会小于LTE的上行覆盖范围,因此当UE处于小区边缘,虽然仍然可以接收网络侧下行的LTE以及NR数据,但是仅能够通过LTE载波发送上行数据,EN-DC通过这种低频LTE+高频NR的方式,有效地扩大了实际的网络覆盖范围。

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EN-DC结合3GPP Release 16中引入的uplink switching,在LTE和NR的共同覆盖区域,可以在NR TDD的上行时隙将UE切换至NR TDD载波进行上行调度,此时UE就可以在NR载波使用UL MIMO进行数据的传输,由于NR相比LTE具有更大的带宽、更高的频谱效率,因此可以提高上行传输速率,而在NR TDD载波的下行时隙和特殊时隙,则可以使用LTE FDD进行上行数据的传输,同样,当UE移动至小区远点,处在LTE和NR上行共同覆盖以外的区域,则通过LTE载波发送上行数据,保证5G网络有一个较大的覆盖范围。

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