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5G超密集异构网络的上行性能提升方案
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黄劲安梁广智陆俊超蔡子华
【摘要】超密集异构网络是5G大幅提升单位面积的频谱效率、成倍增加网络容量的重要途径。由于网络的异构化以及5G工作频段向更高频带拓展,上行受限问题凸显,亟需制定切实可行的上行性能提升方案。通过对辅助上行、双连接以及上下行解耦方案的分析,提出了在5G超密集异构网络不同建设阶段的上行增强解决方案。
异构网络;辅助上行;双连接;上下行解耦
1引言
随着先进的调制编码技术逐步逼近香农极限,基于链路级的网络性能优化已难以继续支撑现网指数级的数据流量增长以及泛在的高质量通信需求。为了有效解决有限的无线带宽资源与泛在高速连接需求的矛盾,5G网络将通过加密部署的方式,在传统宏站(MBS)组成的单层同构网络的基础上,大规模部署低功耗微站(SBS),形成超密集的多层异构网络,借此大幅提升单位面积的频谱效率,成倍增加网络的容量。但是,由于网络的异构化,5G超密集组网的方式也引入了诸如负载不均衡、切换频繁、网络配置开销大等问题,而形成这些问题的主要原因是网络异构化和工作频段提高而造成的上行受限。因此,如何制定可行的上行性能提升方案,对发挥超密集组网的优势和满足更高质量的通信需求有极大意义。
2HetNets上行受限
以一个由宏站以及Picocell、Femtocell等多種形态微站组成的NR双层异构网络(NR2-tierHetNets)为研究模型,如图1所示。其中,宏站(MBS层)的分布满足传统的蜂窝结构,微站(SBS层)则根据实际业务需求随机分布,一般可用泊松点过程(PPP)进行模拟。
首先考虑MBS层。在实际部署中,考虑到网络建设成本以及新站址的最优位置难以获取等因素,一般倾向于利用现网站址。假设采用NR3.5GHz与LTE1.8GHz以1:1共站建网,由于C-Band的频谱特性,NR上下行覆盖能力失衡(UL弱于DL约13dB,如图2所示),上行受限问题将导致网络存在覆盖空洞。如果盲目采用宏站进行补点,则有破坏网络拓扑,造成越区覆盖的风险;如大量采用微站补盲,考虑到原有宏小区边缘一般选在低值或低业务需求的区域,整体性价比也不高;更为合理的方案是,通过提升上行链路的覆盖能力,适当拓展宏站的覆盖面积。
再考虑SBS层。一方面,由于功率受限及高低频覆盖差异,微站的覆盖区域通常较小,UE在快速穿越微站覆盖区域时将面临频繁的越区切换,且切换必须在极短时间内完成,否则将导致切换失败、掉话。另一方面,在宏微重叠覆盖区域,由于宏站的发射功率远高于微站,且UE会基于DLRSRP选择接入的服务小区,可能导致大量实际地理位置距离微站较近的用户接入宏站服务区,这不仅导致微站的频率资源无法得到有效利用,即网络负载不均衡,而且微站处的用户也会受到极强的上行干扰。
综上所述,由于上行受限问题凸显,NRUd-HetNets存在极大的性能不足,必须从Intra-Site和Inter-Site层面对NR上行进行性能优化,以充分发挥超密集组网的优势。
3上行性能提升方案
提升NR上行性能的途径主要有:提高UE发射功率,增强UE处理性能,改善上行链路。考虑到电磁辐射对人体的危害,UE发射功率不应超过26dBm。此外,受制于工艺的发展,4Rx和TM9等高性能处理模式暂时无法在UE应用。因而当前主要从改善链路传输方式入手,以提升NR上行性能。
3.1辅助上行
考虑NR在不同工作频段f1(如1.8GHz20M带宽)和f2(3.5GHz100M带宽)条件下的上行覆盖能力。由于上行数据传输受限于UE最大发射功率而非上行信道带宽,尽管在f2频段下为用户分配的PRB更多,但每PRB的功率密度却远小于f1频段下的功率密度,因此,NRf1的上行覆盖优于NRf2。此外,由于f2频段高于f1,其上行方向的路径损耗也更大,同理也印证了上述结论。综上所述,为了增强NR上行能力,可考虑为NRUL引入辅助链路,NR与LTE通过TDM或FDM的方式共用LTE载波频率。这里的LTE载波即为辅助频段(SupplementaryBands)。
通过辅助上行(SupplementaryUplink,SUL)可以拓展NR覆盖范围。当UE处于3.5GHz覆盖能力范围内,上行基于3.5GHz进行数据传输;当UE移动到3.5GHz覆盖边缘,上行调度至1.8GHz传输,如图3所示。因此,采用SUL方案,理论上NR3.5GHz可基本达到LTE1.8GHz的覆盖能力(在NR下行方向通过MassiveMIMO等技术提升性能的前提下)。
需要特别指出的是,LTE载波可用于NR上行共享的基本判断是,当前LTE承载的多为上下行不对称业务,尤其是FDD模式下,上行存在空闲频率资源(据统计,现网
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