5G 時(shí)代，“超級上行”有多行？

提到 5G，大家最直觀的感受可能是相較于 4G 下載速率有明顯的變快，下載速率是下行方向的速率，事實(shí)也正是如此，5G 速率可以達(dá)到 4G 的 10 倍左右。

當(dāng)然，除了下行速率，我們也應(yīng)該關(guān)注上行速率。上行速率可以理解為用戶上傳文件時(shí)的速度，例如上傳照片到各種網(wǎng)盤，甚至通過微信給朋友傳送一個(gè)文件，這種行為的快慢就取決于網(wǎng)絡(luò)的上行速率。

相對于 4G 時(shí)代，如果 5G 的上行速率提升、時(shí)延減小、覆蓋范圍擴(kuò)大到足夠的程度，那么遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧安防、智能工廠、視頻直播等各種各樣的 5G 應(yīng)用都得到有利的支撐，蓬勃的發(fā)展。

那么制約 5G 上行的因素都包括哪些呢？

• 上行帶寬與時(shí)延的挑戰(zhàn)

  5G NR 的雙工模式包括 FDD 和 TDD。中國 5G 頻段 3.5G 和 2.6G，均采用 TDD 模式。

  5G 初期，3.5G 上下行時(shí)隙配比典型采用 7:3 或 8:2，即整體資源 70% 的時(shí)間用于下行，30% 的時(shí)間用于上行，因此下行單用戶速率可以達(dá)到 1.5Gbps，上行只有 280Mbps。而手機(jī)收下行數(shù)據(jù)時(shí)，反饋確認(rèn)應(yīng)答需要等到上行時(shí)隙到來才能發(fā)送，因此造成 7:3 配比下最大時(shí)延約 4.2ms，平均時(shí)延約 2.5ms。

  隨著 5G toB 業(yè)務(wù)發(fā)展，下行體驗(yàn)不變的情況下大幅提升上行體驗(yàn)并縮短時(shí)延，是對網(wǎng)絡(luò)提出的新需求和挑戰(zhàn)。

• 上行覆蓋的挑戰(zhàn)

  無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的短板在上行?；竟β士蛇_(dá) 200W，基站向手機(jī)發(fā)送信號(hào)時(shí)，下行覆蓋距離不用擔(dān)心。但手機(jī)的發(fā)射功率只有 0.2W，手機(jī)向基站發(fā)射信號(hào)時(shí)，上行覆蓋距離有限。

這就好比基站發(fā)射信號(hào)像用高音大喇叭喊話可以傳幾公里，手機(jī)發(fā)射信號(hào)像靠嘴喊只能傳幾百米，雙方通信的距離就只能以手機(jī)發(fā)射信號(hào)的距離為準(zhǔn)。

而且頻段越高，覆蓋距離越短，3.5G 頻段相比 4G 主力頻段 1.8G / 2.1G 頻段覆蓋少 50%。

解決辦法

超級上行技術(shù)

針對以上 5G NR 上行方向傳輸?shù)闹萍s，3GPP 在 R15 版本已經(jīng)有相關(guān)的上行增強(qiáng)技術(shù)，主要包括 SUL (SupplementaryUplink，補(bǔ)充上行)，CA（Carrier Aggregation，載波聚合）和 EN-DC (EUTRA-NR DualConnection，4G-5G 雙連接）三類。

但是，以上三類上行增強(qiáng)技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和不足。

• SUL 主要用于小區(qū)邊緣，用于提升上行覆蓋，無法對上行近點(diǎn)的容量進(jìn)行提升。

• CA 可以提升下行吞吐率。但受限于終端的發(fā)射天線數(shù)量導(dǎo)致無法有效提升上行吞吐量。

• EN-DC 只適用于 NSA 網(wǎng)絡(luò)。

針對 R15 版本的三類技術(shù)，為了進(jìn)一步提升上行方向的效率（包括速率、吞吐率、覆蓋范圍等），3GPP 在 R16 引入了 Uplink Tx Switching 功能，在 SUL、UL CA 和 EN-DC 三種上行增強(qiáng)技術(shù)的基礎(chǔ)上開啟 UplinkTx Switching 功能，即為超級上行技術(shù)。

超級上行技術(shù)在 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中命名為 Uplink Tx Switching（上行發(fā)射機(jī)切換），是 5G Release 16 中引入的新特性。超級上行技術(shù)通過終端發(fā)射機(jī)切換，在上行鏈路以時(shí)分復(fù)用方式使用低頻 FDD 載波和高頻 TDD 載波。從而在時(shí)頻域充分聚合 FDD 上行多時(shí)隙和 TDD 上行大帶寬的優(yōu)勢，最大化利用上行資源。

簡單的講，所謂超級上行，就是將 TDD 和 FDD 協(xié)同、高頻和低頻互補(bǔ)、時(shí)域和頻域聚合，充分發(fā)揮 3.5G 大帶寬能力和 FDD 頻段低、穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，既提升了上行帶寬，又提升了上行覆蓋，同時(shí)縮短網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。它是無線通信首個(gè)時(shí)頻結(jié)合的技術(shù)，是面向 toB / toC 市場的最優(yōu)速率 / 時(shí)延解決方案，是無線通信又一個(gè)里程碑式的創(chuàng)新，具有跨時(shí)代的意義。

提示：超級上行不僅需要在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行部署，也需要終端側(cè)予以配合，需要支持超級上行的系列化終端。

工作模式和工作原理

我們先看一下終端（UE）上 Tx（天線）的工作模式，分為 Case1 和 Case2 兩種，Case1 是指 2Tx 終端在載波 1 和載波 2 上分別以 1Tx 傳輸，Case2 是指 2Tx 終端可以在其中一個(gè)載波上以 2Tx 傳輸。

Case1 根據(jù)是否支持上行數(shù)據(jù)在兩載波并發(fā)又分為 Option1 和 Option2 兩種模式。下表 Option2 中的 1P+1P 表示上行數(shù)據(jù)可以在兩載波并發(fā)傳輸。

下表中的 Case2 意味著 R16 中的 Uplink Tx Switching 功能，就是指 Case1 和 Case2 之間來回切換，用來達(dá)到有效提升上行吞吐量的目的。

下面我們以 2.1G 和 3.5G 組 CA 為例，來了解 Uplink Tx Switching 功能的工作原理。

此處簡略回顧一下 CA：

載波聚合（Carrier Aggregation，CA）是將 2 個(gè)或更多的載波單元（Component Carrier，CC）聚合在一起以支持更大的傳輸帶寬。每個(gè)載波單元對應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的小區(qū)。通常可以將 1 個(gè)載波單元等同于 1 個(gè)小區(qū)。使用載波聚合可以高效地利用零碎的頻譜，支持更大的傳輸帶寬，UE 配置了載波聚合之后，能夠同時(shí)與多個(gè)小區(qū)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)的操作，因此能夠顯著提升單用戶峰值速率。同時(shí)還可以根據(jù)不同載波的無線特性，通過載波聚合技術(shù)，靈活選擇相應(yīng)載波進(jìn)行數(shù)據(jù)的下發(fā)或上傳，可增強(qiáng)上行覆蓋。

現(xiàn)階段大多數(shù)終端：

在單 2.1G 的 FDD 上只能單發(fā)（即使用了 Case1 的 Option1 模式）。

在單 3.5G 的 TDD 上可以進(jìn)行雙發(fā)（即使用了 Case2 模式）。

在 2.1G+3.5G 組合上行 CA 時(shí)即使用了 Case1 的 Option2 模式，其效果得到的是 2.1G 上行單流 + 3.5G 上行單流。

在 2.1G+3.5G 組合上行 CA，同時(shí)開啟了 Uplink Tx Switching 功能（如下圖所示），表示在 3.5G 的下行 Slot 上所對應(yīng)的 2.1G 的 Slot 上使用 Case1 的模式進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，在 3.5G 的上行 Slot 上將天線從 2.1G 切換到 3.5G 上，進(jìn)行 Case2 模式的傳輸。上行 3.5G 的上行 Slot 結(jié)束后，將天線轉(zhuǎn)回到 2.1G 上，再進(jìn)行 2.1G 上的 Case1 的模式上行數(shù)據(jù)傳輸。其效果得到的是 2.1G 上行單流 + 3.5G 上行雙流。此時(shí)上行傳輸速率可以明顯提升（不過在 2.1G 上由于 Switch 時(shí)間的浪費(fèi)會(huì)導(dǎo)致調(diào)度包數(shù)減少速率稍有降低）。

應(yīng)用場景

載波聚合（CA）+Uplink Tx Switching

根據(jù)以上工作原理，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，我們來看看在小區(qū)的近中點(diǎn)、中遠(yuǎn)點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)，Uplink Tx Switching 結(jié)合 CA 是怎樣發(fā)揮作用的。

• 支持 switchedUL 或 dual UL 的 UE，在小區(qū)近中點(diǎn)時(shí)，可以進(jìn)行 FDD 1Tx 和 TDD 2Tx 的時(shí)分傳輸，即在 FDD 的 UL 時(shí)隙切換至 TDD 進(jìn)行 2Tx（UL MIMO）UL 傳輸。

• 支持 dual UL 的 UE，在小區(qū)中遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，可以進(jìn)行 FDD 1Tx 和 TDD 1Tx 的同時(shí)傳輸。

• UE 處于小區(qū)遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，超過 TDD UL 覆蓋范圍，這時(shí)只能進(jìn)行 FDD UL 1 Tx 傳輸。

通過前面的介紹我們知道，在 FDD+TDD 的 UL CA 場景中，UE 的兩根 Tx 天線在 FDD 載波和 TDD 載波上各自以 SISO 的方式工作，可能速率不如在 TDD 載波上用 UL MIMO 傳輸數(shù)據(jù)。而在 3GPP Release 16 中，UL CA 結(jié)合 Uplink Tx Switching，可以在 NR FDD 和 TDD 共同的上行覆蓋區(qū)域內(nèi)，在 NR TDD 載波上，利用 TDD 更大的帶寬以及 UL MIMO 的方式，進(jìn)一步提升上行吞吐率。

4G-5G 雙連接（EN-DC）+Uplink Tx Switching

EN-DC（E-UTRA-NR Dual Connectivity）指 LTE 和 NR 雙連接，可讓 UE 同時(shí)連接到 5G (NR) 和 4G (LTE) 網(wǎng)絡(luò)，使運(yùn)營商能同時(shí)使用兩種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線資源。

EN-DC 工作在 NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）組網(wǎng)下，LTE 和 NR 之間存在雙連接業(yè)務(wù)場景。

EN-DC 主要工作模式是 UE 通過 LTE 接入網(wǎng)絡(luò)，再通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)所下發(fā)的 RRC 重配消息讓 UE 聚合 NR 載波，之后 LTE 載波和 NR 載波均可以承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。

這里以 LTE FDD+NR TDD 為例，如下圖所示。在 LTE 和 NR 的上行共同覆蓋區(qū)域，UE 可以在 LTE 載波和 NR 載波均發(fā)送上行數(shù)據(jù)，而受限于 UE 的發(fā)射功率以及 NR TDD 采用的高頻段，此時(shí) NR 的上行覆蓋會(huì)小于 LTE 的上行覆蓋范圍，因此當(dāng) UE 處于小區(qū)邊緣，雖然仍然可以接收網(wǎng)絡(luò)側(cè)下行的 LTE 以及 NR 數(shù)據(jù)，但是僅能夠通過 LTE 載波發(fā)送上行數(shù)據(jù)，EN-DC 通過這種低頻 LTE + 高頻 NR 的方式，有效地?cái)U(kuò)大了實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

EN-DC 結(jié)合 3GPP Release 16 中引入的 Uplink Tx Switching，在 LTE 和 NR 的共同覆蓋區(qū)域，可以在 NR TDD 的上行時(shí)隙將 UE 切換至 NR TDD 載波進(jìn)行上行調(diào)度，此時(shí) UE 就可以在 NR 載波使用 UL MIMO 進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。由于 NR 相比 LTE 具有更大的帶寬、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(shí)隙和特殊時(shí)隙，則可以使用 LTE FDD 進(jìn)行上行數(shù)據(jù)的傳輸。同樣，當(dāng) UE 移動(dòng)至小區(qū)遠(yuǎn)點(diǎn)，處在 LTE 和 NR 上行共同覆蓋以外的區(qū)域，則通過 LTE 載波發(fā)送上行數(shù)據(jù)，保證 5G 網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)較大的覆蓋范圍。

補(bǔ)充上行（SUL）+Uplink Tx Switching

SUL（Supplementary Uplink，補(bǔ)充上行），是 3GPP 在 5G Release 15 中新增的技術(shù)。我們知道一個(gè)小區(qū)無論是 FDD 還是 TDD，都會(huì)分別包含一個(gè)上行載波和一個(gè)下行載波，并且同屬一個(gè)頻段內(nèi)。在 5G 時(shí)代，限制小區(qū)范圍的往往是 UE 的上行覆蓋。于是業(yè)界就提出了 SUL 技術(shù)，通過在一個(gè) NR 小區(qū)配置一個(gè)低頻段的 SUL 載波來保證實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)中的上行覆蓋范圍。換句話說，在一個(gè)小區(qū)中會(huì)存在兩個(gè)載波，以 N41-N83 為例，既有 N41 的 NUL（Normal Uplink）載波，也有 N83 的 SUL 載波。SUL 頻段組合都是高頻的 TDD+ 低頻的 SUL 載波組合。

當(dāng)一個(gè) NR 小區(qū)配置了 SUL 后，其具體接入所需的信息，包括 SUL 的頻段、PointA、SCS 子載波間隔、帶寬等，則是通過 SIB1 消息廣播給小區(qū)下的 UE。

當(dāng)支持 SUL 的 UE 在一個(gè)配置了 SUL 載波的 NR 小區(qū)發(fā)起初始接入的時(shí)候，該 UE 會(huì)根據(jù)所檢測到的 SSB 的 RSRP 與 rsrp-ThresholdSSBSUL 相比較（該參數(shù)通過 SIB1 下發(fā)給 UE）。如果 SSB 的 RSRP 小于 rsrp-ThresholdSSB-SUL，說明 UE 處于小區(qū)的邊緣，那么 UE 選擇在 SUL 載波發(fā)起接入。而如果 SSB 的 RSRP 大于 rsrp-ThresholdSSB-SUL，說明 UE 處于小區(qū)的中近點(diǎn)，則 UE 選擇在 NUL 載波發(fā)起接入。

需要注意的是，如果 UE 不支持 SUL 或者 NR 小區(qū)所配置的 SUL 頻段時(shí)，則該 UE 選擇在 NUL 載波上發(fā)起接入。

如下圖所示，當(dāng)處在 NR NUL 覆蓋區(qū)域內(nèi)的時(shí)候，UE 在 NUL 載波上進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，而當(dāng) UE 移動(dòng)至小區(qū)遠(yuǎn)點(diǎn)，則動(dòng)態(tài)切換至 SUL（網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過下發(fā) RRC 重配消息指示）來進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，有效擴(kuò)大了 NR 小區(qū)的覆蓋范圍。

但是在配置了 SUL 的小區(qū)中，UE 同一時(shí)刻只能在一個(gè)載波上進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，不能同時(shí)在兩條上行鏈路上發(fā)送上行，這樣就會(huì)造成資源的浪費(fèi)。因?yàn)?NUL 和 SUL 載波是同時(shí)工作的，而 SUL 載波只有在 UE 處于小區(qū)邊緣的時(shí)候才發(fā)揮作用，那么通過 Uplink Tx Switching，讓 UE 通過時(shí)分的方式，復(fù)用 NUL 載波和 SUL 載波，從而能夠有效的提升 UE 位于小區(qū)近點(diǎn)時(shí)的上行傳輸速率。

根據(jù)目前 3GPP Release 17 的 TS 38.214 中的描述，在 UL CA 和 SUL 場景，uplink switching 增加了 2Tx 到 2Tx 的切換，可以進(jìn)一步提升 UE 上行的吞吐率

總結(jié)

應(yīng)用舉例

5G 超級上行技術(shù)的誕生在眾多應(yīng)用領(lǐng)域里面發(fā)揮了優(yōu)勢，通過下面幾個(gè)例子，看看 5G 超級上行技術(shù)究竟是如何幫助我們有效保障移動(dòng)場景下的無縫安全作業(yè)、惡劣環(huán)境下的智能預(yù)警和實(shí)時(shí)監(jiān)控，提升整體企業(yè)生產(chǎn)效率，改善安全健康生產(chǎn)環(huán)境。

• 爆破預(yù)警

  通過 5G 超級上行技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)爆破預(yù)警。5G 超級上行實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)多路 4K 高清視頻回傳，爆破警戒覆蓋范圍從原先 500 米擴(kuò)大到了 2 公里，將原有 2 小時(shí)檢查人力工作量，降低為半小時(shí)，生產(chǎn)效率大幅提升，并提高了爆破的安全性。在水泥倉裂紋等高清視頻 + AI 檢測等場景，5G 超級上行也發(fā)揮了切實(shí)作用。

• 礦車自動(dòng)駕駛

  礦山開采、礦車的自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程操控都需要高性能的 5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸，但礦山地形受開采進(jìn)度影響，處于不斷變化之中，無線網(wǎng)絡(luò)部署難度較大。5G 超級上行技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)礦區(qū)道路和作業(yè)區(qū)域的有效連續(xù)覆蓋及性能提升，保障各類工程機(jī)械的高清視頻回傳及遠(yuǎn)程操控需求。

• 賽事直播

  賽事直播對于上行速率要求較高，在 2021 年的廈門馬拉松賽上，依托電信強(qiáng)大的 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋及與 5G 超級上行技術(shù)，雙方在廈門馬拉松期間通過 5G 8K VR 直播等多種方式呈現(xiàn)這一盛況。

現(xiàn)在，除了生產(chǎn)方面的質(zhì)的提升，5G 超級上行技術(shù)的應(yīng)用使用戶在高清直播、網(wǎng)課等需要大數(shù)據(jù)上傳的場景，都能獲得更好的體驗(yàn)。

未來，超級上行技術(shù)將更多地應(yīng)用到有大上行需求的業(yè)務(wù)場景中去。讓我一起期待超級上行技術(shù)在更多的領(lǐng)域里面大放異彩吧！

本文來自微信公眾號(hào)：微信公眾號(hào)（ID：null），作者：中興文檔

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