5G 时代，“超级上行”有多行？

提到 5G，大家最直观的感受可能是相较于 4G 下载速率有明显的变快，下载速率是下行方向的速率，事实也正是如此，5G 速率可以达到 4G 的 10 倍左右。

当然，除了下行速率，我们也应该关注上行速率。上行速率可以理解为用户上传文件时的速度，例如上传照片到各种网盘，甚至通过微信给朋友传送一个文件，这种行为的快慢就取决于网络的上行速率。

相对于 4G 时代，如果 5G 的上行速率提升、时延减小、覆盖范围扩大到足够的程度，那么远程控制、远程医疗、智慧安防、智能工厂、视频直播等各种各样的 5G 应用都得到有利的支撑，蓬勃的发展。

那么制约 5G 上行的因素都包括哪些呢？

• 上行带宽与时延的挑战

  5G NR 的双工模式包括 FDD 和 TDD。中国 5G 频段 3.5G 和 2.6G，均采用 TDD 模式。

  5G 初期，3.5G 上下行时隙配比典型采用 7:3 或 8:2，即整体资源 70% 的时间用于下行，30% 的时间用于上行，因此下行单用户速率可以达到 1.5Gbps，上行只有 280Mbps。而手机收下行数据时，反馈确认应答需要等到上行时隙到来才能发送，因此造成 7:3 配比下最大时延约 4.2ms，平均时延约 2.5ms。

  随着 5G toB 业务发展，下行体验不变的情况下大幅提升上行体验并缩短时延，是对网络提出的新需求和挑战。

• 上行覆盖的挑战

  无线网络覆盖的短板在上行。基站功率可达 200W，基站向手机发送信号时，下行覆盖距离不用担心。但手机的发射功率只有 0.2W，手机向基站发射信号时，上行覆盖距离有限。

这就好比基站发射信号像用高音大喇叭喊话可以传几公里，手机发射信号像靠嘴喊只能传几百米，双方通信的距离就只能以手机发射信号的距离为准。

而且频段越高，覆盖距离越短，3.5G 频段相比 4G 主力频段 1.8G / 2.1G 频段覆盖少 50%。

解决办法

超级上行技术

针对以上 5G NR 上行方向传输的制约，3GPP 在 R15 版本已经有相关的上行增强技术，主要包括 SUL (SupplementaryUplink，补充上行)，CA（Carrier Aggregation，载波聚合）和 EN-DC (EUTRA-NR DualConnection，4G-5G 双连接）三类。

但是，以上三类上行增强技术都有其优点和不足。

• SUL 主要用于小区边缘，用于提升上行覆盖，无法对上行近点的容量进行提升。

• CA 可以提升下行吞吐率。但受限于终端的发射天线数量导致无法有效提升上行吞吐量。

• EN-DC 只适用于 NSA 网络。

针对 R15 版本的三类技术，为了进一步提升上行方向的效率（包括速率、吞吐率、覆盖范围等），3GPP 在 R16 引入了 Uplink Tx Switching 功能，在 SUL、UL CA 和 EN-DC 三种上行增强技术的基础上开启 UplinkTx Switching 功能，即为超级上行技术。

超级上行技术在 3GPP 标准中命名为 Uplink Tx Switching（上行发射机切换），是 5G Release 16 中引入的新特性。超级上行技术通过终端发射机切换，在上行链路以时分复用方式使用低频 FDD 载波和高频 TDD 载波。从而在时频域充分聚合 FDD 上行多时隙和 TDD 上行大带宽的优势，最大化利用上行资源。

简单的讲，所谓超级上行，就是将 TDD 和 FDD 协同、高频和低频互补、时域和频域聚合，充分发挥 3.5G 大带宽能力和 FDD 频段低、穿透能力强的特点，既提升了上行带宽，又提升了上行覆盖，同时缩短网络时延。它是无线通信首个时频结合的技术，是面向 toB / toC 市场的最优速率 / 时延解决方案，是无线通信又一个里程碑式的创新，具有跨时代的意义。

提示：超级上行不仅需要在网络侧进行部署，也需要终端侧予以配合，需要支持超级上行的系列化终端。

工作模式和工作原理

我们先看一下终端（UE）上 Tx（天线）的工作模式，分为 Case1 和 Case2 两种，Case1 是指 2Tx 终端在载波 1 和载波 2 上分别以 1Tx 传输，Case2 是指 2Tx 终端可以在其中一个载波上以 2Tx 传输。

Case1 根据是否支持上行数据在两载波并发又分为 Option1 和 Option2 两种模式。下表 Option2 中的 1P+1P 表示上行数据可以在两载波并发传输。

下表中的 Case2 意味着 R16 中的 Uplink Tx Switching 功能，就是指 Case1 和 Case2 之间来回切换，用来达到有效提升上行吞吐量的目的。

下面我们以 2.1G 和 3.5G 组 CA 为例，来了解 Uplink Tx Switching 功能的工作原理。

此处简略回顾一下 CA：

载波聚合（Carrier Aggregation，CA）是将 2 个或更多的载波单元（Component Carrier，CC）聚合在一起以支持更大的传输带宽。每个载波单元对应一个独立的小区。通常可以将 1 个载波单元等同于 1 个小区。使用载波聚合可以高效地利用零碎的频谱，支持更大的传输带宽，UE 配置了载波聚合之后，能够同时与多个小区进行收发数据的操作，因此能够显著提升单用户峰值速率。同时还可以根据不同载波的无线特性，通过载波聚合技术，灵活选择相应载波进行数据的下发或上传，可增强上行覆盖。

现阶段大多数终端：

在单 2.1G 的 FDD 上只能单发（即使用了 Case1 的 Option1 模式）。

在单 3.5G 的 TDD 上可以进行双发（即使用了 Case2 模式）。

在 2.1G+3.5G 组合上行 CA 时即使用了 Case1 的 Option2 模式，其效果得到的是 2.1G 上行单流 + 3.5G 上行单流。

在 2.1G+3.5G 组合上行 CA，同时开启了 Uplink Tx Switching 功能（如下图所示），表示在 3.5G 的下行 Slot 上所对应的 2.1G 的 Slot 上使用 Case1 的模式进行上行数据传输，在 3.5G 的上行 Slot 上将天线从 2.1G 切换到 3.5G 上，进行 Case2 模式的传输。上行 3.5G 的上行 Slot 结束后，将天线转回到 2.1G 上，再进行 2.1G 上的 Case1 的模式上行数据传输。其效果得到的是 2.1G 上行单流 + 3.5G 上行双流。此时上行传输速率可以明显提升（不过在 2.1G 上由于 Switch 时间的浪费会导致调度包数减少速率稍有降低）。

应用场景

载波聚合（CA）+Uplink Tx Switching

根据以上工作原理，结合实际应用，我们来看看在小区的近中点、中远点、远点，Uplink Tx Switching 结合 CA 是怎样发挥作用的。

• 支持 switchedUL 或 dual UL 的 UE，在小区近中点时，可以进行 FDD 1Tx 和 TDD 2Tx 的时分传输，即在 FDD 的 UL 时隙切换至 TDD 进行 2Tx（UL MIMO）UL 传输。

• 支持 dual UL 的 UE，在小区中远点时，可以进行 FDD 1Tx 和 TDD 1Tx 的同时传输。

• UE 处于小区远点时，超过 TDD UL 覆盖范围，这时只能进行 FDD UL 1 Tx 传输。

通过前面的介绍我们知道，在 FDD+TDD 的 UL CA 场景中，UE 的两根 Tx 天线在 FDD 载波和 TDD 载波上各自以 SISO 的方式工作，可能速率不如在 TDD 载波上用 UL MIMO 传输数据。而在 3GPP Release 16 中，UL CA 结合 Uplink Tx Switching，可以在 NR FDD 和 TDD 共同的上行覆盖区域内，在 NR TDD 载波上，利用 TDD 更大的带宽以及 UL MIMO 的方式，进一步提升上行吞吐率。

4G-5G 双连接（EN-DC）+Uplink Tx Switching

EN-DC（E-UTRA-NR Dual Connectivity）指 LTE 和 NR 双连接，可让 UE 同时连接到 5G (NR) 和 4G (LTE) 网络，使运营商能同时使用两种网络技术的无线资源。

EN-DC 工作在 NSA（非独立组网）组网下，LTE 和 NR 之间存在双连接业务场景。

EN-DC 主要工作模式是 UE 通过 LTE 接入网络，再通过网络侧所下发的 RRC 重配消息让 UE 聚合 NR 载波，之后 LTE 载波和 NR 载波均可以承载数据业务的传输。

这里以 LTE FDD+NR TDD 为例，如下图所示。在 LTE 和 NR 的上行共同覆盖区域，UE 可以在 LTE 载波和 NR 载波均发送上行数据，而受限于 UE 的发射功率以及 NR TDD 采用的高频段，此时 NR 的上行覆盖会小于 LTE 的上行覆盖范围，因此当 UE 处于小区边缘，虽然仍然可以接收网络侧下行的 LTE 以及 NR 数据，但是仅能够通过 LTE 载波发送上行数据，EN-DC 通过这种低频 LTE + 高频 NR 的方式，有效地扩大了实际的网络覆盖范围。

EN-DC 结合 3GPP Release 16 中引入的 Uplink Tx Switching，在 LTE 和 NR 的共同覆盖区域，可以在 NR TDD 的上行时隙将 UE 切换至 NR TDD 载波进行上行调度，此时 UE 就可以在 NR 载波使用 UL MIMO 进行数据的传输。由于 NR 相比 LTE 具有更大的带宽、更高的频谱效率，因此可以提高上行传输速率。而在 NR TDD 载波的下行时隙和特殊时隙，则可以使用 LTE FDD 进行上行数据的传输。同样，当 UE 移动至小区远点，处在 LTE 和 NR 上行共同覆盖以外的区域，则通过 LTE 载波发送上行数据，保证 5G 网络有一个较大的覆盖范围。

补充上行（SUL）+Uplink Tx Switching

SUL（Supplementary Uplink，补充上行），是 3GPP 在 5G Release 15 中新增的技术。我们知道一个小区无论是 FDD 还是 TDD，都会分别包含一个上行载波和一个下行载波，并且同属一个频段内。在 5G 时代，限制小区范围的往往是 UE 的上行覆盖。于是业界就提出了 SUL 技术，通过在一个 NR 小区配置一个低频段的 SUL 载波来保证实际现网中的上行覆盖范围。换句话说，在一个小区中会存在两个载波，以 N41-N83 为例，既有 N41 的 NUL（Normal Uplink）载波，也有 N83 的 SUL 载波。SUL 频段组合都是高频的 TDD+ 低频的 SUL 载波组合。

当一个 NR 小区配置了 SUL 后，其具体接入所需的信息，包括 SUL 的频段、PointA、SCS 子载波间隔、带宽等，则是通过 SIB1 消息广播给小区下的 UE。

当支持 SUL 的 UE 在一个配置了 SUL 载波的 NR 小区发起初始接入的时候，该 UE 会根据所检测到的 SSB 的 RSRP 与 rsrp-ThresholdSSBSUL 相比较（该参数通过 SIB1 下发给 UE）。如果 SSB 的 RSRP 小于 rsrp-ThresholdSSB-SUL，说明 UE 处于小区的边缘，那么 UE 选择在 SUL 载波发起接入。而如果 SSB 的 RSRP 大于 rsrp-ThresholdSSB-SUL，说明 UE 处于小区的中近点，则 UE 选择在 NUL 载波发起接入。

需要注意的是，如果 UE 不支持 SUL 或者 NR 小区所配置的 SUL 频段时，则该 UE 选择在 NUL 载波上发起接入。

如下图所示，当处在 NR NUL 覆盖区域内的时候，UE 在 NUL 载波上进行上行数据传输，而当 UE 移动至小区远点，则动态切换至 SUL（网络侧通过下发 RRC 重配消息指示）来进行数据发送，有效扩大了 NR 小区的覆盖范围。

但是在配置了 SUL 的小区中，UE 同一时刻只能在一个载波上进行上行数据传输，不能同时在两条上行链路上发送上行，这样就会造成资源的浪费。因为 NUL 和 SUL 载波是同时工作的，而 SUL 载波只有在 UE 处于小区边缘的时候才发挥作用，那么通过 Uplink Tx Switching，让 UE 通过时分的方式，复用 NUL 载波和 SUL 载波，从而能够有效的提升 UE 位于小区近点时的上行传输速率。

根据目前 3GPP Release 17 的 TS 38.214 中的描述，在 UL CA 和 SUL 场景，uplink switching 增加了 2Tx 到 2Tx 的切换，可以进一步提升 UE 上行的吞吐率

总结

应用举例

5G 超级上行技术的诞生在众多应用领域里面发挥了优势，通过下面几个例子，看看 5G 超级上行技术究竟是如何帮助我们有效保障移动场景下的无缝安全作业、恶劣环境下的智能预警和实时监控，提升整体企业生产效率，改善安全健康生产环境。

• 爆破预警

  通过 5G 超级上行技术，可以实现爆破预警。5G 超级上行实现了无人机多路 4K 高清视频回传，爆破警戒覆盖范围从原先 500 米扩大到了 2 公里，将原有 2 小时检查人力工作量，降低为半小时，生产效率大幅提升，并提高了爆破的安全性。在水泥仓裂纹等高清视频 + AI 检测等场景，5G 超级上行也发挥了切实作用。

• 矿车自动驾驶

  矿山开采、矿车的自动驾驶、远程操控都需要高性能的 5G 网络传输，但矿山地形受开采进度影响，处于不断变化之中，无线网络部署难度较大。5G 超级上行技术能够实现矿区道路和作业区域的有效连续覆盖及性能提升，保障各类工程机械的高清视频回传及远程操控需求。

• 赛事直播

  赛事直播对于上行速率要求较高，在 2021 年的厦门马拉松赛上，依托电信强大的 5G 网络覆盖及与 5G 超级上行技术，双方在厦门马拉松期间通过 5G 8K VR 直播等多种方式呈现这一盛况。

现在，除了生产方面的质的提升，5G 超级上行技术的应用使用户在高清直播、网课等需要大数据上传的场景，都能获得更好的体验。

未来，超级上行技术将更多地应用到有大上行需求的业务场景中去。让我一起期待超级上行技术在更多的领域里面大放异彩吧！

本文来自微信公众号：微信公众号（ID：null），作者：中兴文档

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