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。基站功率可達(dá)200W，基站向手機(jī)發(fā)送信號時(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)射信號時(shí)，上行覆蓋距離有限。

這就好比基站發(fā)射信號像用高音大喇叭喊話可以傳幾公里，手機(jī)發(fā)射信號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。每個載波單元對應(yīng)一個獨(dú)立的小區(qū)。通?？梢詫?個載波單元等同于1個小區(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)。我們知道一個小區(qū)無論是FDD 還是TDD，都會分別包含一個上行載波和一個下行載波，并且同屬一個頻段內(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NR 小區(qū)配置一個低頻段的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，在一個小區(qū)中會存在兩個載波，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移動至小區(qū)遠(yuǎn)點(diǎn)，則動態(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，這樣就會造成資源的浪費(fèi)。因?yàn)镹UL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。

礦車自動駕駛

礦山開采、礦車的自動駕駛、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！