王飛 楊拓 徐曉東 周國華 郭志恒 許華

(1.中國移動通信有限公司研究院，北京 100032；2.華為技術有限公司無線網(wǎng)絡研究部，上海 201206)

0 引言

隨著5G網(wǎng)絡的廣泛部署，蜂窩無線網(wǎng)絡的帶寬和能力相比4G有了顯著提升，應用和業(yè)務的創(chuàng)新很快進入爆發(fā)期。遠程駕駛、4K/8K高清直播、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等高交互特性的實時超寬帶業(yè)務將成為可能，進而成為5G相比于以前網(wǎng)絡最具差異化的普遍業(yè)務。遠程駕駛、遠程操控目前已經(jīng)在行業(yè)應用中得到廣泛使用，如智慧港口、智慧鋼鐵等行業(yè)項目中，上行容量高達1 Gbit/s、用戶體驗速率100～150 Mbit/s、端到端時延要求30 ms的傳輸能力被廣泛提出[1-2]。

5G NR系統(tǒng)定義了TDD靈活的幀結構[3]，由于現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務流量仍以下行為主，主流5G TDD網(wǎng)絡時隙配比一般采用8下行2上行，或者4下行1上行，上行時隙資源明顯偏少，再加上終端發(fā)射功率受限，導致用戶特別是邊緣用戶的上行體驗速率受到抑制；同時，隨著to B業(yè)務的普及，上行容量也成為5G網(wǎng)絡演進的方向。因此，面向2025的5G-Advanced網(wǎng)絡，需要在上行容量和上行體驗方面達到10倍的提升來滿足業(yè)務的大上行帶寬需求[4-6]。

本文從上行能力提升的4個維度，分別提出創(chuàng)新方案：第1章節(jié)描述了時域上創(chuàng)新的干擾消除方法，使能TDD網(wǎng)絡更多的上行傳輸機會；第2章節(jié)描述了頻域的全頻譜的靈活接入機制，引入更多上行的頻率資源；第3章節(jié)描述了在空域通過上行MIMO多流增強，提升上行多用戶并發(fā)的流數(shù)；第4章節(jié)描述了在功率域，提出多個終端聚合傳輸機制，保障用戶穩(wěn)定的上行高體驗；最后，在第5章節(jié)進行了總結與展望。

1 時域：雙工演進使能TDD網(wǎng)絡更多上行傳輸時隙

1.1 網(wǎng)絡拓撲模型

典型的，大上行的業(yè)務一般是局域的，如室內(nèi)工廠的高清工業(yè)攝像頭回傳，這類業(yè)務一般可以通過提高室內(nèi)工廠上行可用時隙來提高上行的容量。然而，由于可用頻譜的稀缺，一般工廠內(nèi)部署的頻域與室外公網(wǎng)的頻譜是同頻的，而室外公網(wǎng)的宏站業(yè)務以toC下行業(yè)務為主，下行時隙占比約80%。在這種場景下，會出現(xiàn)宏站和微站為異配比的情況，如圖 1所示。此時，存在室外宏站下行對室內(nèi)微站上行的干擾，這種干擾可稱為基站—基站交叉鏈路干擾(BS-BS Cross Link Interference，BS-BS CLI)；同時，還存在室內(nèi)微站上行對于室外宏站下行的干擾，這種干擾可稱為用戶終端—用戶終端交叉鏈路干擾(UE-UE Cross Link Interference，UE-UE CLI)。在這種TDD宏微異配比組網(wǎng)場景中，BS-BS CLI和UE-UE CLI這兩種干擾都是產(chǎn)生于室內(nèi)和室外設備之間，因此存在穿透損耗。

圖1 雙工異配比網(wǎng)絡拓撲和干擾示意圖

1.2 宏微異配比的干擾分析

對于室內(nèi)微站的上行，由于室外宏站BS到室內(nèi)微站BS的干擾源宏基站功率較高且路損較小，導致BS-BS干擾強于鄰區(qū)UE-BS干擾和本小區(qū)UE間干擾，導致微站上行性能嚴重下降，BS-BS干擾是提升上行性能需要克服的主要挑戰(zhàn)。對于下行UE接收，由于UE功率遠小于BS，一般情況下 UE-UE干擾弱于BS-UE干擾。在該宏微異配比組網(wǎng)場景下，室內(nèi)小站UE和室外宏站UE之間距離不會很近，并且有一定的穿透損耗，因此下行UE性能影響不大。

考慮到BS-BS干擾是該宏微異配比組網(wǎng)場景的主要矛盾，因此，微站上行接收需要重點考慮如何更好地消除來自室外宏基站的干擾。一般的，基站側采用干擾抑制合并(Interference Rejection Combining，IRC)算法，通過利用多天線空間自由度和干擾空間有色特性來抑制同頻干擾，可獲得額外的干擾消除增益，微站上行接收信號為：

Y=HkSk+∑n≠kHnSn+∑HgSg+∑HCLI,mWmSm+N

(1)

其中Hk為微站與目標用戶間的信道，Sk為目標用戶上行的有用信號；Hn為微站與同小區(qū)其他用戶間的信道，Sn為同小區(qū)其他用戶上行的干擾信號；Hg為微站與鄰小區(qū)用戶間的信道，Sg為鄰小區(qū)用戶上行的干擾信號；HCLI,m為第m個宏站與微站之間的下行干擾信道，WmSm為宏站下行交叉鏈路干擾的預編碼和信號；N為噪聲。由之前干擾分析可知，其中∑HCLI,mWmSm即宏站到微站的下行干擾是主要矛盾，在使用IRC接收機進行上行接收時，不同的干擾協(xié)方差相關矩陣估計方法會造成上行多用戶接收和抗鄰區(qū)干擾/抗異配比干擾的性能差異，為提升上行性能，可以增強協(xié)方差相關矩陣的獲得方法。

1.3 增強的干擾消除機制及性能評估

基于上述考慮，提出一種解調(diào)參考信號(DeModulation Reference Signal，DMRS)和靜默資源(Muting Resource Element，Muting RE)聯(lián)合設計的導頻圖案，在微站上行傳輸時預留部分資源不發(fā)任何上行信號，僅用于測量來自宏站的干擾，并且可在不同的OFDM符號分別測量來自宏站控制信道和數(shù)據(jù)信道的干擾。另外，為了保持每個符號上發(fā)送功率的一致性，在存在Muting RE的符號上，需要對發(fā)數(shù)據(jù)的RE進行相應的功率提升(Power Boosting)。微站可以利用Muting RE較為精準地測量出干擾協(xié)方差矩陣，然后利用MMSE-IRC接收機對干擾進行抑制。

(2)

表1 雙工異配比仿真假設

在本文的仿真中，在相同的宏微異配比部署場景下，基線方案由于無法準確獲取干擾信號的信道信息，使用傳統(tǒng)IRC算法進行干擾規(guī)避；而增強的干擾消除方案采用基于靜默資源的干擾測量方法獲取干擾的信道估計，從而更好地對干擾信號進行消除。仿真結果如圖2所示，通過利用宏微干擾的干擾協(xié)方差矩陣信息，帶來了明顯的性能提升。相比于基線方案，增強方案的小區(qū)平均吞吐量有42%的增益。相比于無宏微干擾的理想場景，增強方案的小區(qū)平均吞吐量可以達到無宏微干擾時的80%，可以滿足室內(nèi)宏站可配置更多上行時隙的要求。

圖2 基于靜默資源干擾測量的微小區(qū)性能評估

2 頻域：全頻譜的靈活頻譜接入

2.1 頻譜分析

全球超過90%的國家和運營商均選擇中低頻段作為5G應用的主力覆蓋，在5G網(wǎng)絡的建設中，我國正在以700 MHz、2.6 GHz和3.5 GHz為基礎快速建設覆蓋全國的5G網(wǎng)絡，韓國運營商目前的5G網(wǎng)絡以3.5 GHz中頻段為主，日本側重發(fā)展4.5～4.9 GHz[7]。5G中頻段帶寬大，基站發(fā)射功率大幅增加，但終端發(fā)射功率增加有限，因此上行性能明顯弱于下行。未來將有更多的低頻頻譜向5G遷移，滿足日益增加的上行體驗和容量需求，并輔助Sub-100 GHz的更高頻段新頻譜在5G-Advanced階段的高質(zhì)量覆蓋和成熟商用。

以中國移動頻譜情況為例，中國移動頻率以TDD頻段為主，如表2所示，中國移動除了2.6 GHz和4.9 GHz具備大于等于100 MHz的連續(xù)頻譜以外，F(xiàn)頻段(n39，30 MHz)、A頻段(n34，15 MHz)、E頻段(n40，50 MHz)頻譜零碎，單頻段連續(xù)頻譜數(shù)量均低于50 MHz，遠低于最大100 MHz帶寬，從而無法實現(xiàn)5G單載波大帶寬技術優(yōu)勢。通過在Sub-100 GHz全頻譜靈活接入的統(tǒng)一機制下，創(chuàng)新采用以上行為主的方案，可以提高頻譜利用率和最大化價值。

表2 中國移動TDD頻譜

除此之外，運營商還普遍擁有Sub-3 GHz的FDD頻譜，如700 MHz、1.8 GHz等等，用戶完全可以在這些頻段上負載不高的情況下進行資源接入，大幅提升上行發(fā)送時隙，實現(xiàn)大上行的體驗。然而，現(xiàn)有的載波配置和接入機制，在多個上行可用載波資源共存，并且需要動態(tài)靈活接入的場景下，存在明顯的困難和挑戰(zhàn)。目前，5G智能手持終端一般支持兩個射頻鏈路(2Tx RF Chains)，難以支持更多的同時傳輸?shù)纳闲猩漕l鏈路，從而導致在Sub-100 GHz全頻譜更多上行載波配置下，大量的上行載波資源無法被高效利用。

2.2 Sub-100 GHz靈活頻譜接入機制

在4G LTE和5G NR的載波聚合技術中，上行載波的配置和載波的激活是獨立的過程，并且與上行載波的并發(fā)傳輸能力是耦合的，只有終端具備同時上行并發(fā)傳輸2個載波時，才可以配置或者激活2個上行載波[8-10]。這樣一來，在本文所述的全頻譜、多載波接入的場景下，無法使得有限的終端能力盡可能靈活使用更多的上行載波資源。

本文設計了靈活頻譜接入的創(chuàng)新方案，將終端的上行載波配置激活與終端的上行載波并發(fā)傳輸能力解耦，用戶向基站分別上報三種用戶能力。以載波配置為例，用戶能夠同時配置的最大上行載波個數(shù)為M1，同時激活的上行載波個數(shù)為M2，同時傳輸?shù)纳闲休d波個數(shù)為M3，M1、M2、M3為正整數(shù)，M1≥M2≥M3。并且，用戶能夠“同時配置的上行載波集合”包含“同時激活的上行載波集合”，用戶能夠“同時激活的上行載波集合”包含“同時傳輸?shù)纳闲休d波集合”。出于終端節(jié)能的考量，M1個上行載波不一定都被激活；當用戶有大量上行業(yè)務時，基站可以通過L1信令快速地調(diào)度M2個上行載波中任意M3個進行并行傳輸，以有限的上行并行傳輸能力獲得了更多載波的接入能力。因此，如圖3所示，靈活頻譜接入技術提供了一種動態(tài)利用頻譜資源的機制，基站可以根據(jù)每個頻段的流量、TDD 上下行配置、帶寬和信道條件為用戶動態(tài)的選擇配置載波的子集，并相應地切換發(fā)送鏈路Tx用于傳輸，從而支持在大于兩個頻段上進行靈活的Tx切換。

圖3 終端上行Tx在更多可用載波中靈活切換

靈活頻譜接入技術能夠從以下角度給系統(tǒng)帶來增益。

第一，通過靈活的上行頻譜接入機制，用戶能夠獲得更多的頻譜資源，以較小的成本代價，大幅提升用戶的上行體驗速率。

第二，基站可以在信道條件較好的頻段上調(diào)度用戶。與傳統(tǒng)機制相比，系統(tǒng)有更多的上行頻段可供選擇，可以更好地實現(xiàn)信道自適應，獲得更大的頻率選擇性增益。

第三，相對于現(xiàn)有的上行載波聚合與補充上行(Supplementary Uplink，SUL)技術，基站擁有更多的調(diào)度自由，進行更加快速的負載均衡，提升用戶的上行體驗速率，具有突發(fā)性業(yè)務的用戶能夠獲得更好的上行體驗速率。

2.3 靈活頻譜接入性能評估

本次評估給出了多用戶突發(fā)業(yè)務(Burst Traffic)仿真假設下的方案性能，仿真假設與1.3節(jié)中表1相同，另外仿真中新增頻段為2.6 GHz(帶寬160 MHz)、2.3 GHz(帶寬50 MHz)和700 MHz(帶寬30 MHz)，仿真方案如下。

基線方案：如圖4(a)所示，基線采用載波聚合CA，支持UE最大配置2個band，因此將所有UE按照兩組載波的實際帶寬之和進行了分配，即4.9G TDD+700M FDD駐留40% UE，2.6G TDD+2.3G FDD駐留60% UE，每個UE最多2個發(fā)送鏈路在一個載波上傳輸。

圖4 靈活頻譜接入仿真方案示意圖

增強方案：如圖4(b)所示，增強的靈活頻譜接入技術支持UE最大配置4個 band，因此所有UE都被配置在4個band上，每個UE最多2個發(fā)送鏈路在一個載波上傳輸。

靈活頻譜接入的系統(tǒng)仿真結果如圖5所示，當網(wǎng)絡負載較低時(20% 資源利用率RU)，靈活頻譜接入相比基線方案可提升33%的用戶感知速率，增益主要來源于毫秒級的負載均衡和頻選增益；當網(wǎng)絡負載增高時(由20% RU增加到60% RU)，靈活頻譜接入方案的增益先變大再略微減小，因為毫秒級負載均衡的增益主要體現(xiàn)在中負載場景下，負載過大或者過小的場景，負載均衡的增益都無法充分體現(xiàn)，但終端可接入更多載波所帶來的更多傳輸機會的增益仍然存在。

圖5 靈活頻譜接入性能仿真結果

3 空域：MIMO增強

上行MIMO技術的演進和增強，是提升上行容量和用戶體驗的重要方向。在5G以前，受限于基站和終端的天線端口數(shù)，空域的并發(fā)流數(shù)有限。在5G引入Massive MIMO，特別是5G-Advanced引入更大陣面更多陣子，以及演進的多站聯(lián)合接收等特性后，進一步打開了空域增強對上行性能提升的新空間。在這樣的背景下，本文提出準正交DMRS擴容方案，通過上行DMRS的2倍擴容，大幅增加上行并發(fā)流數(shù)，提升系統(tǒng)容量。

3.1 DMRS擴容方案介紹

隨著5G的普及，上行業(yè)務對速率的要求也越來越高，提升上行MIMO流數(shù)是提升上行容量的有效手段。在多流的場景下，DMRS信道估計的準確性是決定上行接收性能的關鍵因素。然而隨著流數(shù)的提升，小區(qū)間干擾也隨之提升，導致DMRS信道估計性能下降，進而導致上行吞吐率下降。同時流數(shù)的增加也會帶來DMRS的開銷增加，影響上行的吞吐率。

考慮到DMRS的干擾和開銷兩個方面的折中，本文嘗試通過擴展正交覆蓋碼的方法來支持更多的正交DMRS端口，并將更多的正交DMRS端口分配給相鄰的小區(qū)，以抑制鄰小區(qū)的強干擾流。結合DMRS干擾消除算法，信道估計可以進一步地提升信道估計性能。另外，在DMRS擴容的同時，還需要考慮兼容存量老終端的原有DMRS圖案，綜合考慮的DMRS擴容方案如圖6所示，以2符號DMRS和其中的CDM group 0(第0號碼分多址組)為例，傳統(tǒng)紅色框內(nèi)的8列中的后4列是前4列的重復，對應一個相同DMRS端口的OCC碼；而擴展DMRS方案在綠色方框中的前4列和后4列是不同的OCC碼，為新增DMRS端口所對應的OCC碼，新增一倍DMRS端口。采用相同的方法，可以對其它CDM group進行擴容，則3個CDM group總共可支持24個DMRS端口。

圖6 DMRS擴容方案CDM組

3.2 MIMO增強DMRS擴容性能評估

本節(jié)針對室內(nèi)工廠場景，給出了OCC擴展DMRS擴容的系統(tǒng)級性能評估結果，具體的仿真參數(shù)如下。

基線方案：12層，實際信道估計。

DMRS擴容方案：24層，OCC擴展DMRS擴容，實際信道估計。

從圖7的仿真結果可以看出，與基線的12流相比，經(jīng)OCC擴展DMRS正交擴容后，在室內(nèi)工廠場景下，DMRS流間干擾顯著降低，從而可以有效提升系統(tǒng)上行吞吐率，小區(qū)上行平均吞吐率增益68%，小區(qū)上行邊緣吞吐率增益73%。

圖7 DMRS擴容性能評估

4 功率域：用戶聚合傳輸

網(wǎng)絡和單用戶的通訊受限于單個終端的處理能力、發(fā)送功率、發(fā)送接收能力和分集增益。如果系統(tǒng)能夠支持多個用戶聚合傳輸，把多個用戶組成虛擬終端，傳輸用戶就能夠獲得整個虛擬終端的傳輸能力，虛擬終端能夠提供更大的發(fā)送功率，更強的發(fā)送接收天線能力，和更大的發(fā)送接收分集增益。而在虛擬終端中，用戶之間通過側行鏈路進行傳輸協(xié)作，或者出廠時即通過有線聚合在一起。由于用戶一般間隔比較近，這種傳輸具有大帶寬、高速率、低干擾、高復用率的特性。最基本的2個用戶聚合傳輸?shù)氖疽鈭D如圖8所示。

圖8 多用戶聚合傳輸示意圖

4.1 用戶聚合傳輸方案

上行用戶協(xié)作主要利用協(xié)作用戶(Collaborative UE，CUE)的天線能力和功率幫助業(yè)務用戶( Serving UE，SUE)傳輸上行數(shù)據(jù)。如圖9所示，SUE把自己的數(shù)據(jù)先通過側行鏈路發(fā)送給CUE，然后CUE將接收到的數(shù)據(jù)轉發(fā)給基站，并且同時SUE也將自己的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。當SUE發(fā)送到CUE的數(shù)據(jù)包沒有被CUE正確解碼時，該狀態(tài)需要通知到基站，用于基站重新切分SUE和CUE之間的數(shù)據(jù)包。在物理鏈路的傳輸上，SUE和CUE可以按MU-MIMO或形成虛擬MIMO共同傳輸SUE的數(shù)據(jù)。這樣相當于在SUE和基站之間建立了多條路徑，數(shù)據(jù)包可以在多條路徑上同時發(fā)送，從而提高了傳輸效率。

圖9 多用戶聚合傳輸處理流程圖

與傳統(tǒng)的Relay方案相比，UE聚合傳輸?shù)膭?chuàng)新在于充分利用了SUE到網(wǎng)絡的直接連路和CUE到網(wǎng)絡的轉發(fā)鏈路這兩條傳輸鏈路，可以根據(jù)這兩條鏈路的無線信道快速變化，通過實時調(diào)整每條鏈路的數(shù)據(jù)分割，實現(xiàn)最佳的協(xié)同傳輸效果。UE聚合傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分流是該方案的關鍵技術，轉發(fā)層次在L2或者L1進行，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效安全轉發(fā)。如圖10所示，負責加密和完整性保護的協(xié)議層次位于PDCP層，CUE雖然從SUE獲取了數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)是RLC層對于PDCP層的分割，CUE并沒有該數(shù)據(jù)包的加密密鑰，無法解析該數(shù)據(jù)的內(nèi)容，從而從根本上保障了數(shù)據(jù)的轉發(fā)安全。

圖10 多用戶聚合傳輸協(xié)議層設計

4.2 用戶聚合傳輸性能評估

本節(jié)針對室內(nèi)工廠場景，給出了典型高清視頻回傳業(yè)務模型下的性能評估結果，仿真中采用的業(yè)務幀率為30幀/s，每個幀的大小為10 Mbit，具體的仿真參數(shù)與3.2的表3相同。特別的，在原有54個SUE的前提下，按1∶1部署另外54個CUE，所有UE都均勻地撒點在18個TRP所覆蓋的廠區(qū)內(nèi)?；€方案下，僅54個SUE在廠區(qū)內(nèi)部署，每個UE獨立傳輸自身的上行數(shù)據(jù)；而用戶聚合方案下，每個SUE除了自身可以上傳數(shù)據(jù)外，還可以根據(jù)信道質(zhì)量選取一個最佳CUE協(xié)助傳輸上行數(shù)據(jù)，兩個UE的數(shù)據(jù)在PDCP層聚合。

表3 DMRS擴容增強仿真假設

我們用邊緣體驗速率(User Perceived Throughput，UPT)和用戶平均UPT來衡量用戶聚合傳輸技術對室內(nèi)工廠用戶體驗速率的性能影響。邊緣用戶UPT是指室內(nèi)所有用戶的UPT速率在累積分布曲線5%處所對應的UPT速率，即在該系統(tǒng)中5%的數(shù)量的UE低于該處UPT速率。用戶平均UPT性能指室內(nèi)所有UE的UPT速率的算術平均值。如圖11所示，用戶聚合傳輸方案的邊緣用戶UPT相比于基線增益約19%，用戶平均UPT相比于基線增益約120%。用戶平均UPT增益明顯，主要受益于工廠場景下協(xié)作用戶大幅提升了服務用戶的總的并發(fā)流數(shù)。

圖11 用戶聚合傳輸性能評估

5 結束語

本文提出從4個維度全方位提升上行用戶體驗和系統(tǒng)容量的方法，并且在室外大上行場景、室內(nèi)工廠大上行場景等均進行了系統(tǒng)的性能評估。結果顯示，時域通過異配比干擾消除增強，使得室內(nèi)可以配置更多的TDD上行時隙，可提升上行系統(tǒng)容量40%以上；頻域上通過更多頻譜的部署，以及多頻段靈活頻譜接入技術的使用，可大幅提升用戶體驗速率30%以上；空域關鍵是并發(fā)更多的MIMO流，通過DMRS擴容解決導頻干擾問題，提升信道估計的精度，可獲得68%左右的上行容量提升，上行用戶體驗速率提升73%；在功率域上，通過用戶聚合傳輸，室內(nèi)用戶受益于功率、流數(shù)、處理能力的提升，平均可獲得120%的用戶體驗速率增益。

5G-Advanced上行能力的增強，將成為區(qū)別于5G的重要網(wǎng)絡能力特征，在本文多維度性能挖掘的基礎上，下一步還可以繼續(xù)進行增強，如多站聯(lián)合接收的相干處理，多用戶聚合時進行相干發(fā)送獲取多天線增益，多站之間上下行的時頻域配合等，進一步打開上行的大帶寬傳輸能力。