【光电通信】5G上下行解耦技术

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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。

• NR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。

  
  

• 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。

  
  

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下图：

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版本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的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。Rel-15版本规范中定义的SUL频段如表：

上下行解耦定义

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传输，从而提升了上行覆盖。

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。

C-Band和Sub-3G支持的频段

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：

• 帧结构、系统带宽及频点。

• SUL上行公共信道配置，包括PRACH、PUSCH和PUCCH信道的配置。

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

• 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。

• 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。

SUL载波管理流程

上行载波选择规则如下，对于各种场景下的UE接入SUL小区，上行载波选择规则相同。

• 如果UE测量到的NR小区的RSRP大于或等于门限NRDuCellSul.RsrpThld，则UE在NUL载波上发起随机接入。

• 如果UE测量到的NR小区的RSRP小于门限NRDuCellSul.RsrpThld，则UE在SUL载波上发起随机接入。

在NSA组网和SA组网场景下，不同状态的UE接入流程不同，分为：

• NSA组网场景下，连接态UE接入SUL小区

• SA组网场景下，空闲态UE接入SUL小区

• SA组网场景下，连接态UE接入SUL小区，并执行切换

NSA组网SUL载波选择过程

NSA场景下，UE驻留在LTE。建立双连接、网络侧为UE添加gNodeB作为SCG、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：

• 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阈值），指示UE测量gNodeB信号。

• 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。

• 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。

• UE根据RRC重配消息中指示的上行载波，在对应的上行载波发起随机接入。无论是在SUL还是NUL发起随机接入，其流程和标准的随机接入流程并没有差异

SUL上行载波选择

NSA组网场景下，连接态UE接入SUL小区

SA组网SUL载波选择过程

空闲态初始接入

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。

空闲态初始接入时SUL的选择过程如下。

• UE接收系统广播消息，获取SUL载波选择门限。

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

  
  

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。

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载波的选择过程如下。

• 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。

• 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。

• 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。

• UE根据响应的指示在SUL或NUL发起随机接入。

上行载波变更流程

UE在上下行解耦小区进入连接态，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：

• 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A2事件，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NUL载波上：

• 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

• UE上报测量报告，基站将上行链路从SUL变更到NUL。

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，如下图。

上下行解耦调度时序

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。

• 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通过下行控制消息（Downlink Control Information，DCI）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。

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Sub-3G上行时隙发送上行数据，如下图所示。

上行HARQ时序图

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Sub-3G上行时隙发送上行数据，如下图所示。

上行SUL调度时序图

同时，下行解耦支持灵活调度，每个C-Band子帧都可以调度Sub-3G SUL上的资源，该机制可以平衡C-Band每个子帧PDCCH的负载。

由于C-Band与Sub-3G的时隙数量比例是2∶1，如果某个Sub-3G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。

SUL上行功率控制差异

两者的差异在于SUL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NUL载波下行的路损差调整如下值。

• 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。

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

组网要求

要求NUL载波与SUL载波的射频模块共站同覆盖部署。

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NUL载波的下行测量。因此，SUL载波覆盖与对应的NUL载波一致时，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SUL载波与NUL载波天线的方位角偏差小于±10°，如下图所示。

二次谐波干扰

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，其余大于基波频率的电流产生的电量。

谐波产生的根本原因：是由于非线性负载所致，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。

影响：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，成为一个对下行的干扰信号，影响下行信号的接收，如下图所示。

二次谐波干扰解决方案

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：

• 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。如下表，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。

• 如果分配的频段无法完全错开，可以通过基站侧的上下行协同调度算法来规避干扰。

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倍范围之外。

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。

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频段实际上即是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。

• 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。

另一方面，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，会导致这些独立的SUL频段浪费。因此，采用这种方案部署，一方面会对LTE容量造成很大的影响；另一方面，SUL资源的利用率也不高。

• 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，在上个例子中，NR的SUL和LTE共享上行20MHz的频率资源，如下图所示，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。

LTE和NR上行频谱共享示意图

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