5G高低频协同组网方案研究

王 伟，张 涛，李福昌（中国联通研究院，北京 100176）

1 概述

3.5 GHz 频段是目前全球5G 部署的主流频段，也是国内两大运营商的主要部署频段，它具有带宽大、传播损耗高、穿透性能差等特点，这样的特点带来了3.5 GHz 频段5G 系统的容量优势和覆盖劣势。虽然5G 系统的多天线技术的高增益，波束赋形和多用户MIMO 算法可进一步扩展其容量优势，也可一定程度上弥补其传播特性方面的不足。但是要想使得5G 上行覆盖能匹配4G上行覆盖，则需要依靠低频段的良好传播特性。而2.1 GHz频段是国内最早重耕为5G系统的低频段。它是传统的3G（WCDMA）和4G（LTE）频段，是运营商4G 的容量频段。2.1 GHz 频段的加入会改善3.5 GHz 频段5G 系统的覆盖弱点。而2.1 GHz 和3.5 GHz 频段的协同组网则是打造覆盖容量双优势5G网络的重要手段。

2 2.1 GHz大带宽标准进展

2.1 GHz频段虽然具有良好的传播特性，但如果带宽不能进一步扩展，则会限制2.1 GHz 频段的使用场景，其利用价值也会受到影响。2.1 GHz 频段在3GPP定义为5G 的n1 band，共有2×60 MHz。在国内该频段已经将低端的2×20 MHz和2×25 MHz分别分配给中国电信和中国联通，除去2×5 MHz 保护带之外，还有2×10 MHz 未分配。随着中国联通和中国电信无线网络共建共享，在2.1 GHz 频段实现大带宽的FDD 低频5G网络成为可能。因此在2019 年第4 季度，国内运营商联合设备厂家和终端厂家在3GPP 共同推进n1 band对25 MHz、30 MHz、40 MHz、50 MHz信道带宽的支持。其中，25 MHz、30 MHz、40 MHz 信道带宽已经在2020年3 月份3GPP 小组会完成标准化工作，50 MHz 带宽在2020 年6 月份完成标准化工作，主设备和终端在2020年年底支持上述信道带宽能力。

3 2.1 GHz与3.5 GHz网络能力对比

3.1 2.1 GHz与3.5 GHz覆盖能力对比

本节通过链路预算来分析2.1 GHz 频段FDD 5G系统和3.5 GHz频段TDD 5G系统的覆盖能力。这2个系统对应的主要链路预算参数如表1和表2所示。

表1 2.1 GHz NR和3.5 GHz NR上行链路预算参数

表2 2.1 GHz NR和3.5 GHz NR下行链路预算参数

根据以上链路预算参数，计算可得在3.5 GHz NR上行边缘用户速率为1 Mbit/s 的位置点对应的3.5 GHz NR 下行速率和2.1 GHz NR 上下行速率，具体结果如表3所示。

由于网络上行覆盖主要是终端发射功率受限，终端会压缩可用PRB 提升功率谱密度，从而增强上行覆盖能力。因此信道带宽的宽窄对于上行覆盖没有影响。

从表3 可可以看出，带宽为20 MHz 和50 MHz 的2.1 GHz NR 上行速率是3.5 GHz NR 上行速率的1.6倍，但20 MHz 2.1 GHz NR 的下行速率只有100 MHz 3.5 GHz NR 的1/3。如果将2.1 GHz NR 带宽从20 MHz扩展到50 MHz，可明显提高边缘用户下行速率体验。

3.2 2.1 GHz与3.5 GHz吞吐量能力对比

本节通过仿真的方法来分析2.1 GHz 频段FDD 5G 系统和3.5 GHz 频段TDD 5G 系统的单用户吞吐量和小区吞吐量。这2 个系统对应的仿真参数如表4 所示。

表4 2.1 GHz NR和3.5 GHz NR系统仿真参数

仿真结果如表5和表6所示。从表5可以看出，单用户在远点时，2.1 GHz NR 上行速率比3.5 GHz 上行速率稍高。当2.1 GHz 频段带宽扩展到50 MHz 时，其上行速率在近、中点与3.5 GHz 上行速率相当，其下行速率于3.5 GHz 相比差距较大，在1 倍以上。从表6 可以看出，不管是20 MHz 带宽还是50 MHz 带宽的2.1 GHz NR 小区上下行容量较3.5 GHz NR 小区上下行容量差距都较大。

3.3 小结

表5 2.1GHz NR和3.5GHz NR单用户吞吐量对比（单位：Mbit/s）

表6 2.1 GHz NR和3.5 GHz NR小区吞吐量对比（单位：Mbit/s）

通过对2.1 GHz NR 和3.5 GHz NR 的容量和覆盖能力的比较，可以看出2.1 GHz NR 在上行覆盖上面有优势，但是下行覆盖能力弱于3.5 GHz NR，扩展带宽是增强2.1 GHz NR 下行覆盖能力的有效方式。2.1 GHz NR 在容量方面存在短板与3.5 GHz NR 差距较大。因此，要综合2个频段各自的优点，打造高低频协同的5G网络。

4 2.1 GHz和3.5 GHz 协同组网方案

4.1 2.1 GHz 和3.5 GHz 下行载波聚合

载波聚合方案就是将离散的多个载波聚合起来，当作一个较宽的频带使用，通过统一的基带处理实现离散频带的同时传输。按照频段聚合的场景可以分为带内连续载波聚合，带内非连续载波聚合以及带间载波聚合。

当终端配置载波聚合后，终端与网络只有一个RRC 连接。其中一个服务小区在RRC 连接建立/重新建立/切换时，提供非接入层移动性信息和安全输入。这个小区被称为主小区（PCell）。根据终端的能力，一个或多个辅小区（SCell）可以与主小区（PCell）一起形成服务小区组。可以通过RRC 执行辅小区的重新配置、添加和删除。在NR 内切换时，RRC 还可以添加、删除或重新配置辅小区给目标主小区。此时在添加新的辅小区可以用专用的RRC 信令来传递系统消息，无需获取广播系统信息。

每个服务小区都有自己独立的HARQ MAC 实体，可以根据各自不同的MIMO 配置选择不同的传送等级，使用独立的链路自适应技术，根据实际链路状况使用不同的调制编码方案。为了节约终端电池消耗，3GPP还定义了激活和去激活机制。在去激活状态下，UE 不需要接收对应的PDCCH 或PDSCH，不需要在对应的上行链路中发送，也不需要执行CQI 测量。新配置的辅小区或在切换过程中的辅小区默认为去激活状态。

根据第3章的分析，2.1 GHz和3.5 GHz这2个频段的系统能力有较强的互补性，但终端对于TDD 作为主小区的支持度并不高，这2个频段载波聚合的驻留、切换和主小区选择策略会稍微复杂。需要针对不同的终端能力制定不同的策略。

a）对于不支持载波聚合的终端，优先驻留3.5 GHz 频段，在3.5 GHz 频段发起业务；终端移动到小区边缘，根据信号强度重选或切换到2.1 GHz 频段；终端移动回小区中心，依据频率优先级重选或切换回3.5 GHz频段。

b）对于仅支持FDD主小区的载波聚合终端，优先驻留3.5 GHz 频段，在3.5 GHz 频段发起业务；终端移动到小区边缘，根据信号强度重选或切换到2.1 GHz，将其作为主小区，并根据测量结果配置和激活3.5 GHz辅小区；终端移动回小区中心，依据频率优先级重选或切换回3.5 GHz频段单小区。

c）对于支持TDD 主小区的载波聚合终端，优先驻留3.5 GHz 频段，在3.5 GHz 频段发起业务，将其作为主小区，并根据测量结果配置和激活2.1 GHz 辅小区；终端移动到小区边缘，根据信号强度，将主小区重选或切换到2.1 GHz；终端移动回小区中心，依据频率优先级，将主小区重选或切换回3.5 GHz频段。

4.2 2.1 GHz 和3.5 GHz 补充上行方案

补充上行方案是利用FDD 低频段的上行频段来弥补TDD 高频段上行覆盖受限的不足。它与下行载波聚合和上行载波聚合不同之处在于其不需要重耕成对的FDD 下行频段，而只需重耕上行频段的一部分。由于只有上行频段的特殊性，3GPP为补充上行频段专门制定了频段编号，2.1 GHz 的补充上行编号为n84。该方案的实现在逻辑上属于一个小区，只是在物理层面终端可以选择在2.1 GHz 频段发射或在3.5 GHz 频段发射，但不能在2 个频段上同时发射。终端可以通过信号强度进行UL 和SUL 的选择，也可以在SUL上直接发起初始接入。基站指示终端上行载波信息和上行载波选择门限，终端通过测量并选择合适上行载波用于初始接入。该方案是5G标准中的新功能，产业链还不够成熟。

4.3 终端发射天线切换方案

终端发射天线切换是指终端在EN-DC、SUL 和上行载波聚合模式下通过时分切换2个物理天线在低频实现单天线发射，在高频实现双天线发射的功能。如图1 所示，终端在2.1 GHz 频段发射时切换到2.1 GHz天线端；终端在3.5 GHz 频段发射时，终端将原本2.1 GHz的射频前端和数模转化切换到3.5 GHz天线端，从而实现3.5 GHz 双天线发射。该功能配合EN-DC、SUL 和上行载波聚合的时分发射模式实现在近、中点大幅提升用户上行吞吐量。在上行业务需求比较大的2B场景有非常大的应用价值。

图1 终端天线切换方案

5 结束语

2.1 GHz NR 在上行覆盖方面比较有优势，但是下行覆盖能力弱于3.5 GHz NR，扩展带宽是增强2.1 GHz NR 下行覆盖能力的有效方式。2.1 GHz NR 在容量方面存在短板，与3.5 GHz NR 差距比较大。下行载波聚合可以将2 个频段协同起来。用户可体验到2.1 GHz NR 下行和3.5 GHz NR 下行的合并速率。对于支持主载波切换的载波聚合终端可在近、中点使用3.5 GHz频段作为主载波，远点切换到2.1 GHz频段作为主载波以扩展网络上行覆盖。对于不支持主载波切换的载波聚合终端可考虑只在远点激活载波聚合，以免影响用户在近、中点的上行速率体验。同时推动补充上行和终端发射天线切换等上行增强方案终端产业链的成熟，提升用户近、中点的上行速率体验。