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5G Release Uplink switching 超級上行

發表時間╃••╃╃:2022-04-10  |  點選率╃••╃╃:292

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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