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5G Release Uplink switching 超級上行

發表時間₪▩₪│•:2022-04-10  |  點選率₪▩₪│•:295

背景介紹


Uplink switching◕✘☁•,在通訊業界有個更為廣泛的名稱₪▩₪│•:超級上行◕✘☁•,這是3GPP在5G Release 16中引入的新特性↟╃│▩。其主要原理是UE在兩個載波(通常是低頻+高頻)進行上行傳輸的時候◕✘☁•,透過時分的方式複用低頻載波和高頻載波◕✘☁•,從而可以兼具低頻穿透性好↟│·、全時隙可進行上行傳輸◕✘☁•,以及高頻大頻寬的優勢◕✘☁•,進而可以更加充分的利用上行資源◕✘☁•,提升上行覆蓋和吞吐率↟╃│▩。


1. Uplink switching介紹


在介紹uplink switching之前◕✘☁•,我們先來看一組上行吞吐率的對比↟╃│▩。這裡以5G SA(獨立組網)的FDD和TDD為例◕✘☁•,其中FDD載波頻寬20M◕✘☁•,TDD載波頻寬100M◕✘☁•,並且TDD時隙配比採用的是目前運營商主流的5ms單週期DDDDDDDSUU以及2.5ms雙週期DDDSUDDSUU↟╃│▩。

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透過吞吐率的對比可以看出◕✘☁•,雖然UE在FDD載波上每個時隙(slot)都可以傳輸上行資料◕✘☁•,但是TDD載波憑藉大頻寬的優勢◕✘☁•,且支援UL MIMO(並不是每個FDD載波都支援UL MIMO)◕✘☁•,上行吞吐率要大大好於在FDD上的表現◕✘☁•,透過改變上行佔空比(2.5ms雙週期對比5ms單週期)◕✘☁•,則可以進一步提升上行吞吐率↟╃│▩。

以SA的UL CA組合FDD+TDD(其中TDD時隙配比為2.5ms雙週期)為例◕✘☁•,目前主流的UE最多隻支援上行2Tx的傳輸◕✘☁•,因此UE在FDD和TDD就只能分別以1Tx也就是UL SISO的方式傳輸資料◕✘☁•,那麼上行速率為307Mbps(120+187)◕✘☁•,要小於在TDD做UL MIMO時的375Mbps↟╃│▩。

雖然透過在TDD進行UL MIMO的方式能夠明顯的提升上行吞吐率◕✘☁•,但是由於TDD載波普遍處於高頻段◕✘☁•,比如N78為3.5GHz↟│·、N79為4.9GHz◕✘☁•,根據訊號衰減公式FSPL=32.45+20lgF+20lgD◕✘☁•,其中FSPL=自由空間損耗(dB)◕✘☁•,D=距離(km)◕✘☁•,F=頻率(MHz)◕✘☁•,由公式可以知道◕✘☁•,相同距離下◕✘☁•,頻率越高則衰減得越厲害◕✘☁•,會導致5G小區覆蓋受限↟╃│▩。

此外◕✘☁•,當前主流UE的最大發射功率為23dBm(0.2瓦)甚至是26dbm(0.4瓦◕✘☁•,即power class 2的HPUE)◕✘☁•,遠低於現網基站幾百瓦的發射功率◕✘☁•,因此決定最終實際5G小區覆蓋範圍的還是上行覆蓋↟╃│▩。

受限於發熱↟│·、功耗以及電池續航◕✘☁•,UE的發射功率會受到限制↟╃│▩。如果既能採用低頻載波(比如FDD)保證上行覆蓋◕✘☁•,又能在大頻寬的TDD載波使用UL MIMO的方式提升吞吐率◕✘☁•,就可以滿足越來越多應用對上行傳輸的需求◕✘☁•,包括隨時隨地上傳錄製的影片到各影片網站◕✘☁•,或者是與家人朋友進行線上高畫質視訊通話等↟╃│▩。

那麼3GPP Release 16所提出的uplink switching技術就可以很好的兼顧以上對覆蓋和速率的需求↟╃│▩。

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這裡假定UE支援使用2根Tx天線並且可以在兩個不同的載波進行上行傳輸↟╃│▩。還是以UL CA FDD+TDD為例◕✘☁•,上圖左邊表示的是UE在FDD和TDD各以1Tx的方式傳輸資料◕✘☁•,而透過uplink switching◕✘☁•,UE可以在TDD的上行時隙切換至TDD載波使用2Tx也就是UL MIMO的方式傳輸資料◕✘☁•,從而可以提升上行的吞吐率↟╃│▩。根據TS 38.214的定義◕✘☁•,uplink switching可以分為兩種工作模式₪▩₪│•:switchedUL和dualUL◕✘☁•,其中switchedUL指的是UE只能在兩個載波透過時分的方式傳輸資料(比如在TDD的下行時隙透過FDD載波傳送上行資料◕✘☁•,在TDD的上行時隙則使用TDD載波傳送上行資料)◕✘☁•,而dualUL則指的是UE不僅可以在兩個載波透過時分的方式傳輸資料◕✘☁•,也可以在兩個載波各自用1Tx同時傳輸資料↟╃│▩。

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支援uplink switching的UE透過RRC層的信令UE Capability Information上報其相關的能力資訊◕✘☁•,這裡需要注意的是◕✘☁•,uplink switching能力是對應到某些特定的頻段組合的◕✘☁•,以UL CA為例◕✘☁•,可能UE支援N28+N41的uplink switching◕✘☁•,但是不支援N1+N78的uplink switching↟╃│▩。


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uplinkTxSwitching-OptionSupport◕✘☁•,只有當UE上報所支援的uplink switching能力後◕✘☁•,網路側才能對UE進行相應的排程◕✘☁•,目前協議定義了switchedUL和dualUL兩種排程方式◕✘☁•,這裡需要注意的是◕✘☁•,UE可以在UL CA和SUL場景下同時支援switchedUL和dualUL◕✘☁•,但是在EN-DC場景下要麼支援switchedUL◕✘☁•,要麼只支援dualUL◕✘☁•,而dualUL不適用於SUL◕✘☁•,因為SUL和NUL載波不能同時進行上行傳輸◕✘☁•,具體各場景的工作模式會在後續章節做具體的介紹↟╃│▩。

uplinkTxSwitchingPowerBoosting◕✘☁•,指的是在UL CA場景的uplink switching◕✘☁•,UE的總功率一定的前提下(目前只支援UE為power class 3◕✘☁•,也就是最大總功率為23dBm)◕✘☁•,UE可以在切換至支援UL MIMO的載波(一般是高頻的TDD)後◕✘☁•,提升3dB的發射功率◕✘☁•,以此來增強覆蓋能力↟╃│▩。

uplinkTxSwitchingPeriod◕✘☁•,因為uplink switching是一種時分的工作方式◕✘☁•,因此3GPP協議定義了UE的Tx天線在兩個不同載波進行切換的時間間隔↟╃│▩。其中EN-DC場景下◕✘☁•,UE可以支援35μs和140μs的切換時間間隔◕✘☁•,而在UL CA和SUL場景下◕✘☁•,UE則可以支援35μs↟│·、140μs和210μs的切換時間間隔↟╃│▩。為了留出switching period的時間◕✘☁•,網路側需要在排程的時候根據UE支援的能力適當空出部分上行symbol用作切換間隔↟╃│▩。

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uplinkTxSwitching-DL-Interruption◕✘☁•,在uplink switching中還引入了DL interruption的概念◕✘☁•,也就是進行uplink switching時會對某些頻段組合的下行傳輸造成影響◕✘☁•,相應的描述來自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這三種場景則沒有DL interruption◕✘☁•,這是因為₪▩₪│•:

1.

SUL載波只有上行◕✘☁•,而沒有下行;

2.

TDD+TDD的UL CA和TDD+TDD的EN-DC場景下◕✘☁•,兩個TDD在進行上行切換的時候◕✘☁•,此時下行是不工作的◕✘☁•,因此也就沒有DL interruption↟╃│▩。

之後網路側透過RRC重配訊息將uplink switching相關的配置下發給UE◕✘☁•,並透過DCI持續的對UE進行排程↟╃│▩。

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Uplink switching可以和EN-DC↟│·、UL CA以及SUL相結合◕✘☁•,進一步提升5G UE的上行吞吐率◕✘☁•,下面將對這三種不同的場景分別進行介紹↟╃│▩。



1.1 基於EN-DC的uplink switching

EN-DC◕✘☁•,也就是NSA(非獨立組網)◕✘☁•,其主要工作模式是UE透過LTE接入網路◕✘☁•,再透過網路側所下發的RRC重配訊息讓UE聚合NR載波◕✘☁•,之後LTE載波和NR載波均可以承載資料業務的傳輸↟╃│▩。

這裡以LTE FDD+NR TDD為例◕✘☁•,如下圖所示◕✘☁•,在LTE和NR的上行共同覆蓋區域◕✘☁•,UE可以在LTE載波和NR載波均傳送上行資料◕✘☁•,而受限於UE的發射功率以及NR TDD採用的高頻段◕✘☁•,此時NR的上行覆蓋會小於LTE的上行覆蓋範圍◕✘☁•,因此當UE處於小區邊緣◕✘☁•,雖然仍然可以接收網路側下行的LTE以及NR資料◕✘☁•,但是僅能夠透過LTE載波傳送上行資料◕✘☁•,EN-DC透過這種低頻LTE+高頻NR的方式◕✘☁•,有效地擴大了實際的網路覆蓋範圍↟╃│▩。

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EN-DC結合3GPP Release 16中引入的uplink switching◕✘☁•,在LTE和NR的共同覆蓋區域◕✘☁•,可以在NR TDD的上行時隙將UE切換至NR TDD載波進行上行排程◕✘☁•,此時UE就可以在NR載波使用UL MIMO進行資料的傳輸◕✘☁•,由於NR相比LTE具有更大的頻寬↟│·、更高的頻譜效率◕✘☁•,因此可以提高上行傳輸速率◕✘☁•,而在NR TDD載波的下行時隙和特殊時隙◕✘☁•,則可以使用LTE FDD進行上行資料的傳輸◕✘☁•,同樣◕✘☁•,當UE移動至小區遠點◕✘☁•,處在LTE和NR上行共同覆蓋以外的區域◕✘☁•,則透過LTE載波傳送上行資料◕✘☁•,保證5G網路有一個較大的覆蓋範圍↟╃│▩。

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