上行选择发射原理和实现分析

（中国电信股份有限公司研究院，广东 广州 510630）

0 引言

4G 时代的移动业务需求以下行为主，因此网络能力主要为下行大带宽，上行大带宽需求较少。而随着移动互联网蓬勃发展，5G 超高速率、超大连接、超低时延的特性进一步推动万物互联构建的智能世界进入各行各业千家万户，如AR/VR、4K/8K 高清直播、短视频等上行高速率需求的业务逐渐增多并占据重要位置，对移动网络提出了上行大带宽和低时延等需求。

国内运营商主流的5G 频段一般在中高频，以中国电信和中国联通的3.5 GHz TDD 网络为例，使用2.5 ms 双周期的帧结构，下行时隙占比远高于上行时隙，网络的上行利用率较低。提升网络的上行利用率是网络发展需要解决的问题，在这种背景下，利用多频协同的上行选择发射技术被提出以用于提升5G 的上行利用率和容量。

1 上行选择发射技术原理

在上行选择发射技术提出之前，3GPP 在R15 版本已经有相关的上行增强技术，主要包括SUL（Supplementary Uplink，补充上行）、CA（Carrier Aggregation，载波聚合）和EN-DC（EUTRA-NR Dual Connection，4G-5G 双连接）三类[1]。SUL 主要用于小区边缘，用于提升上行覆盖；CA 可以提升下行吞吐率，但受限于终端的发射天线数量无法有效提升上行吞吐量；EN-DC 主要用于NSA 网络。

2019 年9 月，上行选择发射技术正式纳入3GPP Rel-16 立项[2]，并分别于2019 年11 月和2020 年2 月由RAN4 联络函出发RAN1 和RAN2 工作组讨论。3GPP 定义了2Tx 终端的两种工作情形[3]，如表1 所示。

表1 2Tx终端的工作模式

Case1 指的是2Tx 终端在两个载波1 和载波2 上分别以1Tx 传输，Case2 指的是2Tx 终端在其中一个载波上以2Tx 传输。其中，Case1 根据是否支持上行数据在两载波并发又分为option1 和option2 两种模式，如表2 所示。

表2 Case1两种工作模式

以载波1 为2.1 GHz FDD 载波和载波2 为3.5 GHz TDD 载波为例，现阶段的终端大多在2.1 GHz FDD 上行只能单发，在3.5 G 上行可以双发。为方便描述，在本文中Case1 option1 模式默认在2.1 GHz 上工作，Case1 option2 模式默认在2.1 GHz 和3.5 GHz 上同时工作，Case2 模式默认在3.5 GHz 上工作。若可以实现Case2 和Case1 工作模式的切换，在3.5 GHz TDD 下行时隙时终端切换到另一FDD 载波上工作进行上行发送，则可以有效提升上行的容量。

Case1 和Case2 两种工作模式的切换的本质是上行发射天线的切换，所以3GPP 在Rel-16 引入了Uplink Tx Switching 功能，并同时定义了35/140/210 μs 三档切换容忍时延，明确SUL 和UL CA 场景下切换时延选择区间为{35 μs,140 μs,210 μs}，EN-DC 场景下切换时延选择区间为{35μs,140 μs}[4]。Uplink Tx Switching功能需要终端支持，终端所支持的切换时延等级将在接入网络时包含在终端能力中进行上报，同时，终端能力上报中引入上行切换所带来的下行中断上报，并且针对SUL+TDD、TDD+TDD CA、TDD+TDD EN-DC 三种场景下不引入下行接收中断。

在SUL、UL CA 和EN-DC 三种上行增强技术的基础上开启Uplink Tx Switching 功能，即为上行选择发射技术，也称为超级上行技术。上行选择发射技术可以使终端通过类似TDM（Time Division Multiplexing，时分复用）的方式在两个载波上进行上行时分发射，工作模式如图1 所示。对于上行选择发射的Switching period 位置由基站调度器决定，无须经过RRC 消息配置，一般位于FDD 载波上。

需要明确的是，在终端开启Uplink Tx Switching功能后，终端不可配置两个载波1Tx+2Tx 同时发送，1Tx+2Tx 只适于TDM 模式。

2 基于SUL的上行选择发射实现

不同能力的终端在基于SUL 上行选择发射的网络中工作模式不同，基于SUL 的上行选择发射其主要的工作流程如下：

（1）小区的SUL 载波频段配置

小区的SUL 载波的配置信息由小区的系统消息SIB1 中servingCellConfigcommon 字段里supplementaryUplink中的frequencyInfoUL 参数提供，包含了小区中的所有SUL 载波信息。如果该参数缺失或缺省，则表明终端接入的小区未配置SUL 载波，终端直接在Non-SUL 载波上进行接入。

（2）终端随机接入流程

当终端支持SUL 且小区配置了SUL 载波时，终端将根据在SIB1 消息中的字段RACH-ConfigCommon中rsrp-ThresholdSSB-SUL 参数的值和测量得到的小区SSB-RSRP 值进行判断。如果SSB-RSRP 值大于SIB1 设置的门限值，终端将在Non-SUL 载波上进行随机接入。如果SSB-RSRP 值小于设置的门限值，则终端将直接在SUL 载波上进行随机接入[5]。

图1 2Tx终端上行选择发射工作状态

当终端不支持SUL 或不支持小区配置的SUL 频段时，终端将无视SIB1 消息中的SSB-RSRP 判断字段，直接在Non-SUL 载波上进行随机接入。

（3）基于SUL 的上行选择发射生效流程

当终端在SUL 载波上进行随机接入时，网络默认开启SUL 功能，配置终端工作模式为Case1 option1，终端在SUL 载波上进行上行传输。此过程非3GPP 标准定义，具体策略由基站调度器决定，可以进行优化。例如可以将基站测量得到的SRS-RSRP 值作为第二道判决依据，当终端在SUL 载波上进行接入后，若SRS-RSRP 值大于某一门限，说明信道质量尚可，基站将使基于SUL 的上行选择发射生效；而SRS-RSRP 值小于门限时，基站仅使SUL 生效，上行选择发射不生效。

当终端在Non-SUL 载波上进行随机接入时，在随机接入MSG5 RRCSetupcomplete 消息发送完成后，网络将要求终端上报终端能力，根据终端能力的不同有以下不同的流程：

1）终端不支持SUL 或不支持小区配置的SUL 频段时，网络将配置终端的工作模式为Case2，终端在Non-SUL 载波上进行上行传输。终端是否支持SUL 具体可检索UE capability information element 消息中BandCombinationList字段中的频段组合。

2）终端支持SUL，但不支持上行选择发射。基站会根据终端上报的多载波能力和单载波能力进行比较，从而确定终端的工作模式将。例如，终端Non-SUL 的能力为T2R4 SRS，但SUL 的能力为T1R4 SRS，那么终端处在小区近中点信道环境较好时，将不会使SUL 生效，因为SUL 生效会导致终端上行传输只能为单流，极大减小了终端的上行容量。但如果终端Non-SUL 的能力为T2R4 SRS，SUL 的能力也为T2R4 SRS，则基站调度器会根据SUL 载波和Non-SUL 载波上的容量决定在哪个载波上进行上行传输。

3）终端支持上行选择发射，终端开启上行选择发射。终端是否支持上行选择发射具体可检索UE capability information element 消息中BandCombination-UplinkTxSwitch-r16 字段，若该参数缺失或缺省，则表明不支持上行选择发射。

基于SUL 的上行选择发射，其工作流程示意图如图2所示。

对于 基于SUL 的上行选择发射，终端在近中点和远点的工作模式如图3 所示。

3 基于UL CA的上行选择发射实现

图2 基于SUL的上行选择发射工作流程示意图

图3 基于SUL的上行选择发射工作模式

与基于SUL 的上行选择发射可以在SUL 载波上发起随机接入不同，基于UL CA 的上行选择发射一般在主载波上发起随机接入，所以在整体生效的流程上会更加单一。基于UL CA 的上行选择发射其主要的工作流程如下：

（1）小区的辅载波配置

小区的辅载波配置信息不在小区的系统消息中广播，而是在发起随机接入后，由RRC 重配置消息配置，辅小区频段或小区的添加和删除分别由CellGroupConfig 字段的sCellToAddModList 参数和sCellToReleaseList 参数提供，辅小区的参数配置由相同字段的SCellConfig 参数提供。辅小区添加和删除的触发机制分别为通过基于测量添加或盲添加辅载波，通过基于测量删除辅载波。

（2）终端随机接入流程

终端根据驻留策略，优先在高优先级的小区中驻留并发起随机接入。

（3）基于上行CA 的上行选择发射生效流程

3GPP 未定义辅小区的激活方式，可基于不同的策略实现，如默认激活或基于终端buffer 的缓存大小激活。在满足辅小区的激活条件后，基站通过在主载波上发送MAC CE 激活辅载波，MAC CE 中对应辅载波的bitmap比特信息为1 则表示激活对应的辅载波。

根据终端能力的不同有以下不同的考虑：

1）终端支持UL CA，但不支持上行选择发射。基站是否激活辅小区还可以考虑终端在辅小区的上行容量。因为对于2Tx 的终端，激活上行CA 时终端的工作模式为Case1 option2，终端在主小区和辅小区各1T 并发有可能会导致上行的容量降低。

2）终端支持上行选择发射，可以默认激活或基于终端buffer 的缓存大小激活辅小区开启上行选择发射。

基于UL CA 的上行选择发射流程图如图4 所示。

对于基于UL CA 的上行选择发射，终端在近点、中远点的和在边缘点的工作模式如图5 所示。

4 上行选择发射不同实现技术的比较

图4 基于UL CA的上行选择发射流程图

上行选择发射可以通过SUL 和UL CA 实现，基于这两种技术实现的上行选择发射具有不同的特点，以3.5 GHz和2.1 GHz 的双频组合为例，两种技术的具体对比情况如下：

（1）配置与激活方式：对于UL CA 方案，辅小区添加可采用基于测量的添加和盲添加两种方式，通过MAC CE 激活，激活方式可根据业务量或者默认激活等。对于SUL 方案，SUL 频段由SIB1 配置，SUL 参数由RRC 消息配置，激活方式一般为默认配置后立即激活，根据业务量激活由于需要RRC 重配置消息下发SUL 参数配置会有较大时延，较不灵活。

（2）控制信道资源：对于UL CA 方案，下行控制信道PDCCH 资源可配置位于主载波或辅载波或同时位于主载波和辅载波，上行控制信道PUCCH 资源位置与PDCCH 相同。对于SUL 方案，下行控制信道PDCCH 资源只能配置在Non-SUL 载波，上行控制信道PUCCH 资源可位于Non-SUL 载波或SUL 载波。

图5 基于UL CA的上行选择发射工作模式

（3）UE 上行近点速率：UE 上行近点速率和终端的发射天线数以及第二载波的带宽相关。在2Tx 终端和3.5 G 100 M/2.1 G 20 M 的配置下，UL CA 方案和SUL 方案两者可达的上行速率基本一致。

（4）UE 上行中远点速率：对于UL CA 方案，可以上行并发，在2.1 G 单载波速率高于3.5 G 双流速率一半的区域上行容量更大。对于SUL 方案，无法上行并发，中远点部分区域上行容量可能劣于基于上行CA 的上行选择发射。

（5）UE 上行边缘速率：NR 3.5 G 和2.1 G 二者取优。对于UL CA 方案，NR 3.5 G 做CA 主载波时PDCCH 资源充足，边缘有保障。对于SUL 方案，因SUL 无对应的下行信道测量，因此性能难以保障。

（6）移动性能：对于UL CA 方案，移动性能较好，比较成熟，上行和下行可以走不同载波，二者可非同步。对于SUL 方案，移动性能较差，NR 3.5 G 和SUL 必须同扇区，SUL 无对应的下行导频测量，跟随NR 3.5 G 下行切换会存在较大误差。

（7）组网灵活性：对于UL CA 方案，组网灵活性较好，TDD 和FDD 载波相互解耦，可用于小区间、站间，组网灵活。对于SUL 方案，组网灵活性较差，R15 和R16 版本的SUL都是基于共站组网，TDD 与FDD 相互耦合，组网灵活性低。

（8）网络改造量：对于UL CA 方案，对于2.1 G 和3.5 G小区方向没有较高要求，改造量可能较小。对于SUL 方案，需保证2.1 G 小区和3.5 G 小区方向基本一致，可能需要将现有的2.1 G 基站天面进行改造。

5 结束语

上行选择发射技术利用多频协同的方法，提升了网络上行的容量，同时也因为基于SUL 和上行CA 的技术基础，同样可以提升小区的覆盖。基于SUL 和基于UL CA 的上行选择发射具有不同的特点，各有优劣，在实际部署中应该根据需求选择合适的技术部署，也可以制定相关的策略，实现两种上行选择发射技术的自适应，以最大化发挥网络的性能。