摘要：随着智慧城市、车联网、工业互联网等应用的深入，移动通信网络业务发展呈现出明显的上行趋势。大上行宽带通信成为5G-Advanced重要的演进方向。通过时域、频域、空域和功率域4个维度，大幅提升5G-Advanced网络的上行能力，满足产业互联网的业务需求；时域上通过创新的干扰消除方法，使能TDD网络更多的上行传输机会；频域上通过创新的全频谱的灵活接入机制，引入更多上行的频率资源；在空域，通过上行MIMO多流增强，提升上行多用户并发的流数；在功率域，提出多个终端聚合传输机制，有效功率倍增的同时，充分利用信道状态的分集效果，保障用户稳定的上行高体验。
0 引言
随着5G网络的广泛部署，蜂窝无线网络的带宽和能力相比4G有了显著提升，应用和业务的创新很快进入爆发期。远程驾驶、4K/8K高清直播、虚拟现实、增强现实等高交互特性的实时超宽带业务将成为可能，进而成为5G相比于以前网络最具差异化的普遍业务。远程驾驶、远程操控目前已经在行业应用中得到广泛使用，如智慧港口、智慧钢铁等行业项目中，上行容量高达1 Gbit/s、用户体验速率100~150 Mbit/s、端到端时延要求30 ms的传输能力被广泛提出[1-2]。
5G NR系统定义了TDD灵活的帧结构[3]，由于现网业务流量仍以下行为主，主流5G TDD网络时隙配比一般采用8下行2上行，或者4下行1上行，上行时隙资源明显偏少，再加上终端发射功率受限，导致用户特别是边缘用户的上行体验速率受到抑制；同时，随着to B业务的普及，上行容量也成为5G网络演进的方向。因此，面向2025的5G-Advanced网络，需要在上行容量和上行体验方面达到10 倍的提升来满足业务的大上行带宽需求[4-6]。
本文从上行能力提升的4 个维度，分别提出创新方案：第1章节描述了时域上创新的干扰消除方法，使能TDD网络更多的上行传输机会；第2章节描述了频域的全频谱的灵活接入机制，引入更多上行的频率资源；第3章节描述了在空域通过上行MIMO多流增强，提升上行多用户并发的流数；第4章节描述了在功率域，提出多个终端聚合传输机制，保障用户稳定的上行高体验；最后，在第5章节进行了总结与展望。
1 时域：双工演进使能TDD网络更多上行传输时隙
1.1 网络拓扑模型
典型的，大上行的业务一般是局域的，如室内工厂的高清工业摄像头回传，这类业务一般可以通过提高室内工厂上行可用时隙来提高上行的容量。然而，由于可用频谱的稀缺，一般工厂内部署的频域与室外公网的频谱是同频的，而室外公网的宏站业务以toC下行业务为主，下行时隙占比约80%。在这种场景下，会出现宏站和微站为异配比的情况，如图1所示。此时，存在室外宏站下行对室内微站上行的干扰，这种干扰可称为基站—基站交叉链路干扰（BS-BS Cross Link Interference，BS-BS CLI）；同时，还存在室内微站上行对于室外宏站下行的干扰，这种干扰可称为用户终端—用户终端交叉链路干扰（UE-UE Cross Link Interference，UE-UE CLI）。在这种TDD宏微异配比组网场景中，BS-BS CLI和UE-UE CLI这两种干扰都是产生于室内和室外设备之间，因此存在穿透损耗。
图1 双工异配比网络拓扑和干扰示意图
1.2 宏微异配比的干扰分析
对于室内微站的上行，由于室外宏站BS到室内微站BS的干扰源宏基站功率较高且路损较小，导致BS-BS干扰强于邻区UE-BS干扰和本小区UE间干扰，导致微站上行性能严重下降，BS-BS干扰是提升上行性能需要克服的主要挑战。对于下行UE接收，由于UE功率远小于BS，一般情况下 UE-UE干扰弱于BS-UE干扰。在该宏微异配比组网场景下，室内小站UE和室外宏站UE之间距离不会很近，并且有一定的穿透损耗，因此下行UE性能影响不大。考虑到BS-BS干扰是该宏微异配比组网场景的主要矛盾，因此，微站上行接收需要重点考虑如何更好地消除来自室外宏基站的干扰。一般的，基站侧采用干扰抑制合并（Interference Rejection Combining，IRC）算法，通过利用多天线空间自由度和干扰空间有色特性来抑制同频干扰，可获得额外的干扰消除增益,微站上行接收信号为：
Y=HkSk+∑n≠kHnSn+∑HgSg+∑HCLI,mWmSm+N （1）
其中，Hk为微站与目标用户间的信道，Sk为目标用户上行的有用信号；Hn为微站与同小区其他用户间的信道，Sn为同小区其他用户上行的干扰信号；Hg为微站与邻小区用户间的信道，Sg为邻小区用户上行的干扰信号；HCLI,m为第m个宏站与微站之间的下行干扰信道，WmSm为宏站下行交叉链路干扰的预编码和信号；N为噪声。由之前干扰分析可知，其中∑HCLI,mWmSm即宏站到微站的下行干扰是主要矛盾，在使用IRC接收机进行上行接收时，不同的干扰协方差相关矩阵估计方法会造成上行多用户接收和抗邻区干扰/抗异配比干扰的性能差异，为提升上行性能，可以增强协方差相关矩阵的获得方法。
1.3 增强的干扰消除机制及性能评估
基于上述考虑，提出一种解调参考信号（DeModulation Reference Signal，DMRS）和静默资源（Muting Resource Element，Muting RE）联合设计的导频图案，在微站上行传输时预留部分资源不发任何上行信号，仅用于测量来自宏站的干扰，并且可在不同的OFDM符号分别测量来自宏站控制信道和数据信道的干扰。另外，为了保持每个符号上发送功率的一致性，在存在Muting RE的符号上，需要对发数据的RE进行相应的功率提升（Power Boosting）。微站可以利用Muting RE较为精准地测量出干扰协方差矩阵，然后利用MMSE-IRC接收机对干扰进行抑制。
S^k=HH(HHH+RDL+RUL+I)-1Y （2）
其中，H为上行有用信号的信道估计值，RDL为宏站到微站的下行干扰协方差矩阵估计值，RUL为上行干扰协方差矩阵估计值，Y为天线接收信号。通过Muting RE资源的干扰测量，更好地获取了干扰信道的特征，可以辅助精准的干扰估计和消除。本文给出了基于该方案的评估结果，仿真假设如表1所示。
表1 双工异配比仿真假设仿真参数参数设置
在本文的仿真中，在相同的宏微异配比部署场景下，基线方案由于无法准确获取干扰信号的信道信息，使用传统IRC算法进行干扰规避；而增强的干扰消除方案采用基于静默资源的干扰测量方法获取干扰的信道估计，从而更好地对干扰信号进行消除。仿真结果如图2所示，通过利用宏微干扰的干扰协方差矩阵信息，带来了明显的性能提升。相比于基线方案，增强方案的小区平均吞吐量有42%的增益。相比于无宏微干扰的理想场景，增强方案的小区平均吞吐量可以达到无宏微干扰时的80%，可以满足室内宏站可配置更多上行时隙的要求。
图2 基于静默资源干扰测量的微小区性能评估
2 频域：全频谱的灵活频谱接入
2.1 频谱分析
全球超过90%的国家和运营商均选择中低频段作为5G应用的主力覆盖，在5G网络的建设中，我国正在以700 MHz、2.6 GHz和3.5 GHz为基础快速建设覆盖全国的5G网络，韩国运营商目前的5G网络以3.5 GHz中频段为主，日本侧重发展4.5~4.9 GHz[7]。5G中频段带宽大，基站发射功率大幅增加，但终端发射功率增加有限，因此上行性能明显弱于下行。未来将有更多的低频频谱向5G迁移，满足日益增加的上行体验和容量需求，并辅助Sub-100 GHz的更高频段新频谱在5G-Advanced阶段的高质量覆盖和成熟商用。
以中国移动频谱情况为例，中国移动频率以TDD频段为主，如表2所示，中国移动除了2.6 GHz和4.9 GHz具备大于等于100 MHz的连续频谱以外，F频段（n39，30 MHz）、A频段（n34，15 MHz）、E频段（n40，50 MHz）频谱零碎，单频段连续频谱数量均低于50 MHz，远低于最大100 MHz带宽，从而无法实现5G单载波大带宽技术优势。通过在Sub-100 GHz全频谱灵活接入的统一机制下，创新采用以上行为主的方案，可以提高频谱利用率和最大化价值。
表2 中国移动TDD频谱频段号频率范围/MHz
除此之外，运营商还普遍拥有Sub-3 GHz的FDD频谱，如700 MHz、1.8 GHz等，用户完全可以在这些频段上负载不高的情况下进行资源接入，大幅提升上行发送时隙，实现大上行的体验。然而，现有的载波配置和接入机制，在多个上行可用载波资源共存，并且需要动态灵活接入的场景下，存在明显的困难和挑战。目前，5G智能手持终端一般支持两个射频链路（2Tx RF Chains），难以支持更多的同时传输的上行射频链路，从而导致在Sub-100 GHz全频谱更多上行载波配置下，大量的上行载波资源无法被高效利用。
2.2 Sub-100 GHz灵活频谱接入机制
在4G LTE和5G NR的载波聚合技术中，上行载波的配置和载波的激活是独立的过程，并且与上行载波的并发传输能力是耦合的，只有终端具备同时上行并发传输2个载波时，才可以配置或者激活2个上行载波[8-10]。这样一来，在本文所述的全频谱、多载波接入的场景下，无法使得有限的终端能力尽可能灵活使用更多的上行载波资源。
本文设计了灵活频谱接入的创新方案，将终端的上行载波配置激活与终端的上行载波并发传输能力解耦，用户向基站分别上报三种用户能力。以载波配置为例，用户能够同时配置的最大上行载波个数为M1，同时激活的上行载波个数为M2，同时传输的上行载波个数为M3，M1、M2、M3为正整数，M1≥M2≥M3。并且，用户能够“同时配置的上行载波集合”包含“同时激活的上行载波集合”，用户能够“同时激活的上行载波集合”包含“同时传输的上行载波集合”。出于终端节能的考量，M1个上行载波不一定都被激活；当用户有大量上行业务时。基站可以通过L1信令快速地调度M2个上行载波中任意M3个进行并行传输，以有限的上行并行传输能力获得了更多载波的接入能力。因此，如图3所示，灵活频谱接入技术提供了一种动态利用频谱资源的机制，基站可以根据每个频段的流量、TDD 上下行配置、带宽和信道条件为用户动态的选择配置载波的子集，并相应地切换发送链路Tx用于传输，从而支持在大于两个频段上进行灵活的Tx切换。
图3 终端上行Tx在更多可用载波中灵活切换
灵活频谱接入技术能够从以下角度给系统带来增益。
第 一，通过灵活的上行频谱接入机制，用户能够获得更多的频谱资源，以较小的成本代价，大幅提升用户的上行体验速率。
第二，基站可以在信道条件较好的频段上调度用户。与传统机制相比，系统有更多的上行频段可供选择，可以更好地实现信道自适应，获得更大的频率选择性增益。
第三，相对于现有的上行载波聚合与补充上行（Supplementary Uplink，SUL）技术，基站拥有更多的调度自由，进行更加快速的负载均衡，提升用户的上行体验速率，具有突发性业务的用户能够获得更好的上行体验速率。
2.3 灵活频谱接入性能评估
本次评估给出了多用户突发业务（Burst Traffic）仿真假设下的方案性能，仿真假设与1.3节中表1相同，另外仿真中新增频段为2.6 GHz（带宽160 MHz）、2.3 GHz（带宽50 MHz）和700 MHz（带宽30 MHz），仿真方案如下。
基线方案：如图4(a)所示，基线采用载波聚合CA，支持UE最大配置2个band，因此将所有UE按照两组载波的实际带宽之和进行了分配，即4.9G TDD+700M FDD驻留40% UE，2.6G TDD+2.3G FDD驻留60% UE，每个UE最多2个发送链路在一个载波上传输。
图4 灵活频谱接入仿真方案示意图
增强方案：如图4(b)所示，增强的灵活频谱接入技术支持UE最大配置4个 band，因此所有UE都被配置在4个band上，每个UE最多2个发送链路在一个载波上传输。
灵活频谱接入的系统仿真结果如图5所示，当网络负载较低时（20% 资源利用率RU），灵活频谱接入相比基线方案可提升33%的用户感知速率，增益主要来源于毫秒级的负载均衡和频选增益；当网络负载增高时（由20% RU增加到60% RU），灵活频谱接入方案的增益先变大再略微减小，因为毫秒级负载均衡的增益主要体现在中负载场景下，负载过大或者过小的场景，负载均衡的增益都无法充分体现，但终端可接入更多载波所带来的更多传输机会的增益仍然存在。
图5 灵活频谱接入性能仿真结果
3 空域：MIMO增强
上行MIMO技术的演进和增强，是提升上行容量和用户体验的重要方向。在5G以前，受限于基站和终端的天线端口数，空域的并发流数有限。在5G引入Massive MIMO，特别是5G-Advanced引入更大阵面更多阵子，以及演进的多站联合接收等特性后，进一步打开了空域增强对上行性能提升的新空间。在这样的背景下，本文提出准正交DMRS扩容方案，通过上行DMRS的2倍扩容，大幅增加上行并发流数，提升系统容量。
3.1 DMRS扩容方案介绍
随着5G的普及，上行业务对速率的要求也越来越高，提升上行MIMO流数是提升上行容量的有效手段。在多流的场景下，DMRS信道估计的准确性是决定上行接收性能的关键因素。然而随着流数的提升，小区间干扰也随之提升，导致DMRS信道估计性能下降，进而导致上行吞吐率下降。同时流数的增加也会带来DMRS的开销增加，影响上行的吞吐率。
考虑到DMRS的干扰和开销两个方面的折中，本文尝试通过扩展正交覆盖码的方法来支持更多的正交DMRS端口，并将更多的正交DMRS端口分配给相邻的小区，以抑制邻小区的强干扰流。结合DMRS干扰消除算法，信道估计可以进一步地提升信道估计性能。另外，在DMRS扩容的同时，还需要考虑兼容存量老终端的原有DMRS图案，综合考虑的DMRS扩容方案如图6所示，以2符号DMRS和其中的CDM group 0（第0号码分多址组）为例，传统红色框内的8列中的后4列是前4列的重复，对应一个相同DMRS端口的OCC码；而扩展DMRS方案在绿色方框中的前4列和后4列是不同的OCC码，为新增DMRS端口所对应的OCC码，新增一倍DMRS端口。采用相同的方法，可以对其它CDM group进行扩容，则3 个CDM group总共可支持24 个DMRS端口。
图6 DMRS扩容方案CDM组
3.2 MIMO增强DMRS扩容性能评估
本节针对室内工厂场景，给出了OCC扩展DMRS扩容的系统级性能评估结果，具体的仿真参数如下。
基线方案：12层，实际信道估计。
DMRS扩容方案：24层，OCC扩展DMRS扩容，实际信道估计。
表3 DMRS扩容增强仿真假设
从图7的仿真结果可以看出，与基线的12流相比，经OCC扩展DMRS正交扩容后，在室内工厂场景下，DMRS流间干扰显著降低，从而可以有效提升系统上行吞吐率，小区上行平均吞吐率增益68%，小区上行边缘吞吐率增益73%。
图7 DMRS扩容性能评估
4 功率域：用户聚合传输
网络和单用户的通讯受限于单个终端的处理能力、发送功率、发送接收能力和分集增益。如果系统能够支持多个用户聚合传输，把多个用户组成虚拟终端，传输用户就能够获得整个虚拟终端的传输能力，虚拟终端能够提供更大的发送功率，更强的发送接收天线能力，和更大的发送接收分集增益。而在虚拟终端中，用户之间通过侧行链路进行传输协作，或者出厂时即通过有线聚合在一起。由于用户一般间隔比较近，这种传输具有大带宽、高速率、低干扰、高复用率的特性。最基本的2个用户聚合传输的示意图如图8所示。
图8 多用户聚合传输示意图
4.1 用户聚合传输方案
上行用户协作主要利用协作用户（Collaborative UE，CUE）的天线能力和功率帮助业务用户（Serving UE，SUE）传输上行数据。如图9所示，SUE把自己的数据先通过侧行链路发送给CUE，然后CUE将接收到的数据转发给基站，并且同时SUE也将自己的数据发送给基站。当SUE发送到CUE的数据包没有被CUE正确解码时,该状态需要通知到基站，用于基站重新切分SUE和CUE之间的数据包。在物理链路的传输上，SUE和CUE可以按MU-MIMO或形成虚拟MIMO共同传输SUE的数据。这样相当于在SUE和基站之间建立了多条路径，数据包可以在多条路径上同时发送，从而提高了传输效率。
图9 多用户聚合传输处理流程图
与传统的Relay方案相比，UE聚合传输的创新在于充分利用了SUE到网络的直接连路和CUE到网络的转发链路这两条传输链路，可以根据这两条链路的无线信道快速变化，通过实时调整每条链路的数据分割，实现最 佳的协同传输效果。UE聚合传输的数据分流是该方案的关键技术，转发层次在L2或者L1进行，可实现数据的高效安全转发。如图10所示，负责加密和完整性保护的协议层次位于PDCP层，CUE虽然从SUE获取了数据，但该数据是RLC层对于PDCP层的分割，CUE并没有该数据包的加密密钥，无法解析该数据的内容，从而从根本上保障了数据的转发安全。
图10 多用户聚合传输协议层设计
4.2 用户聚合传输性能评估
本节针对室内工厂场景，给出了典型高清视频回传业务模型下的性能评估结果，仿真中采用的业务帧率为30帧/s，每个帧的大小为10 Mbit，具体的仿真参数与3.2的表3相同。特别的，在原有54个SUE的前提下，按1∶1部署另外54个CUE，所有UE都均匀地撒点在18个TRP所覆盖的厂区内。基线方案下，仅54个SUE在厂区内部署，每个UE独立传输自身的上行数据；而用户聚合方案下，每个SUE除了自身可以上传数据外，还可以根据信道质量选取一个最 佳CUE协助传输上行数据，两个UE的数据在PDCP层聚合。
我们用边缘体验速率（User Perceived Throughput，UPT）和用户平均UPT来衡量用户聚合传输技术对室内工厂用户体验速率的性能影响。边缘用户UPT是指室内所有用户的UPT速率在累积分布曲线5%处所对应的UPT速率，即在该系统中5%的数量的UE低于该处UPT速率。用户平均UPT性能指室内所有UE的UPT速率的算术平均值。如图11所示，用户聚合传输方案的边缘用户UPT相比于基线增益约19%，用户平均UPT相比于基线增益约120%。用户平均UPT增益明显，主要受益于工厂场景下协作用户大幅提升了服务用户的总的并发流数。
图11 用户聚合传输性能评估
5 结束语
本文提出从4个维度全方位提升上行用户体验和系统容量的方法，并且在室外大上行场景、室内工厂大上行场景等均进行了系统的性能评估。结果显示，时域通过异配比干扰消除增强,使得室内可以配置更多的TDD上行时隙，可提升上行系统容量40%以上；频域上通过更多频谱的部署，以及多频段灵活频谱接入技术的使用，可大幅提升用户体验速率30%以上；空域关键是并发更多的MIMO流，通过DMRS扩容解决导频干扰问题，提升信道估计的精度，可获得68%左右的上行容量提升，上行用户体验速率提升73%；在功率域上，通过用户聚合传输，室内用户受益于功率、流数、处理能力的提升，平均可获得120%的用户体验速率增益。
5G-Advanced上行能力的增强，将成为区别于5G的重要网络能力特征，在本文多维度性能挖掘的基础上，下一步还可以继续进行增强，如多站联合接收的相干处理，多用户聚合时进行相干发送获取多天线增益，多站之间上下行的时频域配合等，进一步打开上行的大带宽传输能力。
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The uplink centric broadcast communication in 5G-Advanced networks
WANG Fei1, YANG Tuo1, XU Xiaodong1, ZHOU Guohua2, GUO Zhiheng2, XU Hua2
(1.China Mobile Research Institute, Beijing 100032, China; 2. Wireless Research Development of Huawei Technologies Co.,Ltd., Shanghai 201206, China)
Abstract: With the development of smart cities, Internet of Vehicles (IoV), and Industrial Internet, mobile communications network services have an obvious upward trend. Large uplink broadband communication has become an important evolution direction of 5G-Advanced. This document greatly improves the uplink capability of 5G-Advanced networks in the time domain, frequency domain, space domain, and power domain, meeting the service requirements of the Industrial Internet. Innovative interference cancellation methods in the time domain enable more uplink transmission opportunities for TDD networks. In the frequency domain, the innovative full-spectrum flexible access mechanism introduces more uplink frequency resources. In the space domain, uplink multi-layer MIMO enhancement increases the number of concurrent uplink multi-user flows. In the power domain, a transmission mechanism for multiple terminals is proposed. This mechanism maximizes the effective power and makes full use of the diversity effect of the channel state to ensure stable uplink user experience.
Keywords: 5G-Advanced; flexible duplex; full uplink; flexible spectrum access; UE aggregation
