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5G Release Uplink switching 超級上行
背景介紹
Uplink switching，在通信業(yè)界有個更為廣泛的名稱：超級上行，這是3GPP在5G Release 16中引入的新特性。其主要原理是UE在兩個載波（通常是低頻+高頻）進行上行傳輸?shù)臅r候，通過時分的方式復用低頻載波和高頻載波，從而可以兼具低頻穿透性好、全時隙可進行上行傳輸，以及高頻大帶寬的優(yōu)勢，進而可以更加充分的利用上行資源，提升上行覆蓋和吞吐率。
1. Uplink switching介紹
在介紹uplink switching之前，我們先來看一組上行吞吐率的對比。這里以5G SA（獨立組網(wǎng)）的FDD和TDD為例，其中FDD載波帶寬20M，TDD載波帶寬100M，并且TDD時隙配比采用的是目前運營商主流的5ms單周期DDDDDDDSUU以及2.5ms雙周期DDDSUDDSUU。
通過吞吐率的對比可以看出，雖然UE在FDD載波上每個時隙（slot）都可以傳輸上行數(shù)據(jù)，但是TDD載波憑借大帶寬的優(yōu)勢，且支持UL MIMO（并不是每個FDD載波都支持UL MIMO），上行吞吐率要大大好于在FDD上的表現(xiàn)，通過改變上行占空比（2.5ms雙周期對比5ms單周期），則可以進一步提升上行吞吐率。
以SA的UL CA組合FDD+TDD（其中TDD時隙配比為2.5ms雙周期）為例，目前主流的UE最多只支持上行2Tx的傳輸，因此UE在FDD和TDD就只能分別以1Tx也就是UL SISO的方式傳輸數(shù)據(jù)，那么上行速率為307Mbps（120+187），要小于在TDD做UL MIMO時的375Mbps。
雖然通過在TDD進行UL MIMO的方式能夠明顯的提升上行吞吐率，但是由于TDD載波普遍處于高頻段，比如N78為3.5GHz、N79為4.9GHz，根據(jù)信號衰減公式FSPL=32.45+20lgF+20lgD，其中FSPL=自由空間損耗(dB)，D=距離（km），F(xiàn)=頻率(MHz），由公式可以知道，相同距離下，頻率越高則衰減得越厲害，會導致5G小區(qū)覆蓋受限。
此外，當前主流UE的最大發(fā)射功率為23dBm（0.2瓦）甚至是26dbm（0.4瓦，即power class 2的HPUE），遠低于現(xiàn)網(wǎng)基站幾百瓦的發(fā)射功率，因此決定最終實際5G小區(qū)覆蓋范圍的還是上行覆蓋。
受限于發(fā)熱、功耗以及電池續(xù)航，UE的發(fā)射功率會受到限制。如果既能采用低頻載波（比如FDD）保證上行覆蓋，又能在大帶寬的TDD載波使用UL MIMO的方式提升吞吐率，就可以滿足越來越多應用對上行傳輸?shù)男枨?，包括隨時隨地上傳錄制的視頻到各視頻網(wǎng)站，或者是與家人朋友進行在線高清視頻通話等。
那么3GPP Release 16所提出的uplink switching技術就可以很好的兼顧以上對覆蓋和速率的需求。
這里假定UE支持使用2根Tx天線并且可以在兩個不同的載波進行上行傳輸。還是以UL CA FDD+TDD為例，上圖左邊表示的是UE在FDD和TDD各以1Tx的方式傳輸數(shù)據(jù)，而通過uplink switching，UE可以在TDD的上行時隙切換至TDD載波使用2Tx也就是UL MIMO的方式傳輸數(shù)據(jù)，從而可以提升上行的吞吐率。根據(jù)TS 38.214的定義，uplink switching可以分為兩種工作模式：switchedUL和dualUL，其中switchedUL指的是UE只能在兩個載波通過時分的方式傳輸數(shù)據(jù)（比如在TDD的下行時隙通過FDD載波發(fā)送上行數(shù)據(jù)，在TDD的上行時隙則使用TDD載波發(fā)送上行數(shù)據(jù)），而dualUL則指的是UE不僅可以在兩個載波通過時分的方式傳輸數(shù)據(jù)，也可以在兩個載波各自用1Tx同時傳輸數(shù)據(jù)。
支持uplink switching的UE通過RRC層的信令UE Capability Information上報其相關的能力信息，這里需要注意的是，uplink switching能力是對應到某些特定的頻段組合的，以UL CA為例，可能UE支持N28+N41的uplink switching，但是不支持N1+N78的uplink switching。
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uplinkTxSwitching-OptionSupport，只有當UE上報所支持的uplink switching能力后，網(wǎng)絡側(cè)才能對UE進行相應的調(diào)度，目前協(xié)議定義了switchedUL和dualUL兩種調(diào)度方式，這里需要注意的是，UE可以在UL CA和SUL場景下同時支持switchedUL和dualUL，但是在EN-DC場景下要么支持switchedUL，要么只支持dualUL，而dualUL不適用于SUL，因為SUL和NUL載波不能同時進行上行傳輸，具體各場景的工作模式會在后續(xù)章節(jié)做具體的介紹。
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uplinkTxSwitchingPowerBoosting，指的是在UL CA場景的uplink switching，UE的總功率一定的前提下（目前只支持UE為power class 3，也就是最大總功率為23dBm），UE可以在切換至支持UL MIMO的載波（一般是高頻的TDD）后，提升3dB的發(fā)射功率，以此來增強覆蓋能力。
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uplinkTxSwitchingPeriod，因為uplink switching是一種時分的工作方式，因此3GPP協(xié)議定義了UE的Tx天線在兩個不同載波進行切換的時間間隔。其中EN-DC場景下，UE可以支持35μs和140μs的切換時間間隔，而在UL CA和SUL場景下，UE則可以支持35μs、140μs和210μs的切換時間間隔。為了留出switching period的時間，網(wǎng)絡側(cè)需要在調(diào)度的時候根據(jù)UE支持的能力適當空出部分上行symbol用作切換間隔。
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uplinkTxSwitching-DL-Interruption，在uplink switching中還引入了DL interruption的概念，也就是進行uplink switching時會對某些頻段組合的下行傳輸造成影響，相應的描述來自TS 38.133:
When dynamic switching between two uplink carriers is conducted, UE is allowed to cause DL interruption of X OFDM symbols in NR downlink carrier(s) as indicated by uplinkTxSwitching-DL-Interruption. The DL interruption starts from the first OFDM symbol which fully or partially overlaps with the UL switching period located in either NR carrier 1 or carrier 2 as indicated in RRC signalling. The DL interruption lengths of X are defined in Table 8.2.2.2.10-1.
而在SUL+NR TDD、TDD+TDD的UL CA、TDD+TDD的EN-DC這三種場景則沒有DL interruption，這是因為：
1.
SUL載波只有上行，而沒有下行；
2.
TDD+TDD的UL CA和TDD+TDD的EN-DC場景下，兩個TDD在進行上行切換的時候，此時下行是不工作的，因此也就沒有DL interruption。
之后網(wǎng)絡側(cè)通過RRC重配消息將uplink switching相關的配置下發(fā)給UE，并通過DCI持續(xù)的對UE進行調(diào)度。
Uplink switching可以和EN-DC、UL CA以及SUL相結(jié)合，進一步提升5G UE的上行吞吐率，下面將對這三種不同的場景分別進行介紹。
1.1 基于EN-DC的uplink switching
EN-DC，也就是NSA（非獨立組網(wǎng)），其主要工作模式是UE通過LTE接入網(wǎng)絡，再通過網(wǎng)絡側(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NR的上行覆蓋會小于LTE的上行覆蓋范圍，因此當UE處于小區(qū)邊緣，雖然仍然可以接收網(wǎng)絡側(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，有效地擴大了實際的網(wǎng)絡覆蓋范圍。
EN-DC結(jié)合3GPP Release 16中引入的uplink switching，在LTE和NR的共同覆蓋區(qū)域，可以在NR TDD的上行時隙將UE切換至NR TDD載波進行上行調(diào)度，此時UE就可以在NR載波使用UL MIMO進行數(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載波的下行時隙和特殊時隙，則可以使用LTE FDD進行上行數(shù)據(jù)的傳輸，同樣，當UE移動至小區(qū)遠點，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)絡有一個較大的覆蓋范圍。
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