5G時代，“超級上行”有多行？

提到5G，大家最直觀的感受可能是相較于4G下載速率有明顯的變快，下載速率是下行方向的速率，事實也正是如此，5G速率可以達到4G的10倍左右。

當然，除了下行速率，我們也應該關注上行速率。上行速率可以理解為用戶上傳文件時的速度，例如上傳照片到各種網盤，甚至通過微信給朋友傳送一個文件，這種行為的快慢就取決于網絡的上行速率。

相對于4G時代，如果5G的上行速率提升、時延減小、覆蓋范圍擴大到足夠的程度，那么遠程控制、遠程醫(yī)療、智慧安防、智能工廠、視頻直播等各種各樣的5G應用都得到有利的支撐，蓬勃的發(fā)展。

那么制約5G上行的因素都包括哪些呢？

上行帶寬與時延的挑戰(zhàn)

5G NR的雙工模式包括FDD和TDD。中國5G頻段3.5G和2.6G，均采用TDD模式。

5G初期，3.5G上下行時隙配比典型采用7:3或8:2，即整體資源70%的時間用于下行，30%的時間用于上行，因此下行單用戶速率可以達到1.5Gbps，上行只有280Mbps。而手機收下行數據時，反饋確認應答需要等到上行時隙到來才能發(fā)送，因此造成7:3配比下最大時延約4.2ms，平均時延約2.5ms。

隨著5G toB業(yè)務發(fā)展，下行體驗不變的情況下大幅提升上行體驗并縮短時延，是對網絡提出的新需求和挑戰(zhàn)。

上行覆蓋的挑戰(zhàn)

無線網絡覆蓋的短板在上行。基站功率可達200W，基站向手機發(fā)送信號時，下行覆蓋距離不用擔心。但手機的發(fā)射功率只有0.2W，手機向基站發(fā)射信號時，上行覆蓋距離有限。

這就好比基站發(fā)射信號像用高音大喇叭喊話可以傳幾公里，手機發(fā)射信號像靠嘴喊只能傳幾百米，雙方通信的距離就只能以手機發(fā)射信號的距離為準。

而且頻段越高，覆蓋距離越短，3.5G頻段相比4G主力頻段1.8G/2.1G頻段覆蓋少50%。

解決辦法

超級上行技術

針對以上5G NR上行方向傳輸的制約，3GPP在R15版本已經有相關的上行增強技術，主要包括SUL(SupplementaryUplink，補充上行)，CA（Carrier Aggregation，載波聚合）和EN-DC (EUTRA-NR DualConnection，4G-5G雙連接）三類。

但是，以上三類上行增強技術都有其優(yōu)點和不足。

SUL主要用于小區(qū)邊緣，用于提升上行覆蓋，無法對上行近點的容量進行提升。

CA可以提升下行吞吐率。但受限于終端的發(fā)射天線數量導致無法有效提升上行吞吐量。

EN-DC只適用于NSA網絡。

針對R15版本的三類技術，為了進一步提升上行方向的效率（包括速率、吞吐率、覆蓋范圍等），3GPP在R16引入了Uplink Tx Switching功能，在SUL、UL CA和EN-DC三種上行增強技術的基礎上開啟UplinkTx Switching功能，即為超級上行技術。

超級上行技術在3GPP標準中命名為Uplink Tx Switching（上行發(fā)射機切換），是5G Release 16中引入的新特性。超級上行技術通過終端發(fā)射機切換，在上行鏈路以時分復用方式使用低頻FDD載波和高頻TDD載波。從而在時頻域充分聚合FDD上行多時隙和TDD上行大帶寬的優(yōu)勢，最大化利用上行資源。

簡單的講，所謂超級上行，就是將TDD和FDD協同、高頻和低頻互補、時域和頻域聚合，充分發(fā)揮3.5G大帶寬能力和FDD頻段低、穿透能力強的特點，既提升了上行帶寬，又提升了上行覆蓋，同時縮短網絡時延。它是無線通信首個時頻結合的技術，是面向toB/toC市場的最優(yōu)速率/時延解決方案，是無線通信又一個里程碑式的創(chuàng)新，具有跨時代的意義。

提示：超級上行不僅需要在網絡側進行部署，也需要終端側予以配合，需要支持超級上行的系列化終端。

工作模式和工作原理

我們先看一下終端（UE）上Tx（天線）的工作模式，分為Case1和Case2兩種，Case1是指2Tx終端在載波1和載波2上分別以1Tx傳輸，Case2是指2Tx終端可以在其中一個載波上以2Tx傳輸。

Case1根據是否支持上行數據在兩載波并發(fā)又分為Option1和Option2兩種模式。下表Option2中的1P+1P表示上行數據可以在兩載波并發(fā)傳輸。

下表中的Case2意味著R16中的Uplink Tx Switching功能，就是指Case1和Case2之間來回切換，用來達到有效提升上行吞吐量的目的。

下面我們以2.1G和3.5G組CA為例，來了解Uplink Tx Switching功能的工作原理。

此處簡略回顧一下CA：

載波聚合（Carrier Aggregation，CA）是將2個或更多的載波單元（Component Carrier， CC）聚合在一起以支持更大的傳輸帶寬。每個載波單元對應一個獨立的小區(qū)。通?？梢詫?個載波單元等同于1個小區(qū)。使用載波聚合可以高效地利用零碎的頻譜，支持更大的傳輸帶寬，UE配置了載波聚合之后，能夠同時與多個小區(qū)進行收發(fā)數據的操作，因此能夠顯著提升單用戶峰值速率。同時還可以根據不同載波的無線特性，通過載波聚合技術，靈活選擇相應載波進行數據的下發(fā)或上傳，可增強上行覆蓋。

現階段大多數終端：

在單2.1G的FDD上只能單發(fā)（即使用了Case1的Option1模式）。

在單3.5G的TDD上可以進行雙發(fā)（即使用了Case2模式）。

在2.1G+3.5G組合上行CA時即使用了Case1的Option2模式，其效果得到的是2.1G上行單流+3.5G上行單流。

在2.1G+3.5G組合上行CA，同時開啟了Uplink Tx Switching功能（如下圖所示），表示在3.5G的下行Slot上所對應的2.1G的Slot上使用Case1的模式進行上行數據傳輸，在3.5G的上行Slot上將天線從2.1G切換到3.5G上，進行Case2模式的傳輸。上行3.5G的上行Slot結束后，將天線轉回到2.1G上，再進行2.1G上的Case1的模式上行數據傳輸。其效果得到的是2.1G上行單流+3.5G上行雙流。此時上行傳輸速率可以明顯提升（不過在2.1G上由于Switch時間的浪費會導致調度包數減少速率稍有降低）。

應用場景

載波聚合（CA）+Uplink Tx Switching

根據以上工作原理，結合實際應用，我們來看看在小區(qū)的近中點、中遠點、遠點，Uplink Tx Switching結合CA是怎樣發(fā)揮作用的。

支持switchedUL或dual UL的UE，在小區(qū)近中點時，可以進行FDD 1Tx和TDD 2Tx的時分傳輸，即在FDD的UL時隙切換至TDD進行2Tx（UL MIMO）UL傳輸。

支持dual UL的UE，在小區(qū)中遠點時，可以進行FDD 1Tx和TDD 1Tx的同時傳輸。

UE處于小區(qū)遠點時，超過TDD UL覆蓋范圍，這時只能進行FDD UL 1 Tx傳輸。

通過前面的介紹我們知道，在FDD+TDD的 UL CA場景中，UE的兩根Tx天線在FDD載波和TDD載波上各自以 SISO的方式工作，可能速率不如在TDD載波上用 UL MIMO 傳輸數據。而在3GPP Release 16 中，UL CA結合Uplink Tx Switching，可以在NR FDD和TDD共同的上行覆蓋區(qū)域內，在NR TDD載波上，利用TDD更大的帶寬以及UL MIMO的方式，進一步提升上行吞吐率。

4G-5G雙連接（EN-DC）+Uplink Tx Switching

EN-DC（E-UTRA-NR Dual Connectivity）指LTE和NR雙連接，可讓UE同時連接到5G(NR)和4G(LTE)網絡，使運營商能同時使用兩種網絡技術的無線資源。

EN-DC工作在NSA（非獨立組網）組網下，LTE和NR之間存在雙連接業(yè)務場景。

EN-DC主要工作模式是UE通過LTE接入網絡，再通過網絡側所下發(fā)的RRC重配消息讓UE聚合NR載波，之后LTE載波和NR載波均可以承載數據業(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)送上行數據，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絡側下行的LTE以及NR數據，但是僅能夠通過LTE載波發(fā)送上行數據，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絡覆蓋范圍。

EN-DC結合3GPP Release 16中引入的Uplink Tx 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載波進行上行調度，此時UE就可以在NR載波使用UL MIMO進行數據的傳輸。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進行上行數據的傳輸。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)送上行數據，保證5G網絡有一個較大的覆蓋范圍。

補充上行（SUL）+Uplink Tx Switching

SUL（Supplementary Uplink，補充上行），是3GPP 在5G Release 15 中新增的技術。我們知道一個小區(qū)無論是FDD 還是TDD，都會分別包含一個上行載波和一個下行載波，并且同屬一個頻段內。在5G 時代，限制小區(qū)范圍的往往是UE 的上行覆蓋。于是業(yè)界就提出了SUL 技術，通過在一個NR 小區(qū)配置一個低頻段的SUL 載波來保證實際現網中的上行覆蓋范圍。換句話說，在一個小區(qū)中會存在兩個載波，以N41-N83 為例，既有N41 的NUL（Normal Uplink）載波，也有N83 的SUL 載波。SUL 頻段組合都是高頻的TDD+ 低頻的SUL 載波組合。

當一個NR小區(qū)配置了SUL后，其具體接入所需的信息，包括SUL的頻段、PointA、SCS 子載波間隔、帶寬等，則是通過SIB1 消息廣播給小區(qū)下的UE。

當支持SUL 的UE 在一個配置了SUL載波的NR小區(qū)發(fā)起初始接入的時候，該UE 會根據所檢測到的SSB的RSRP與rsrp-ThresholdSSBSUL相比較（該參數通過SIB1 下發(fā)給UE）。如果SSB 的RSRP 小于rsrp-ThresholdSSB-SUL，說明UE 處于小區(qū)的邊緣，那么UE 選擇在SUL載波發(fā)起接入。而如果SSB的RSRP大于rsrp-ThresholdSSB-SUL，說明UE處于小區(qū)的中近點，則UE選擇在NUL載波發(fā)起接入。

需要注意的是，如果UE不支持SUL或者NR小區(qū)所配置的SUL頻段時，則該UE 選擇在NUL 載波上發(fā)起接入。

如下圖所示，當處在NR NUL覆蓋區(qū)域內的時候，UE 在NUL載波上進行上行數據傳輸，而當UE移動至小區(qū)遠點，則動態(tài)切換至SUL（網絡側通過下發(fā)RRC重配消息指示）來進行數據發(fā)送，有效擴大了NR小區(qū)的覆蓋范圍。

但是在配置了SUL的小區(qū)中，UE同一時刻只能在一個載波上進行上行數據傳輸，不能同時在兩條上行鏈路上發(fā)送上行，這樣就會造成資源的浪費。因為NUL和SUL載波是同時工作的，而SUL載波只有在UE處于小區(qū)邊緣的時候才發(fā)揮作用，那么通過Uplink Tx Switching，讓UE通過時分的方式，復用NUL載波和SUL載波，從而能夠有效的提升UE位于小區(qū)近點時的上行傳輸速率。

根據目前3GPP Release 17的TS 38.214中的描述，在UL CA和SUL 場景，uplink switching增加了2Tx到2Tx的切換，可以進一步提升UE上行的吞吐率

總結

應用舉例

5G超級上行技術的誕生在眾多應用領域里面發(fā)揮了優(yōu)勢，通過下面幾個例子，看看5G超級上行技術究竟是如何幫助我們有效保障移動場景下的無縫安全作業(yè)、惡劣環(huán)境下的智能預警和實時監(jiān)控，提升整體企業(yè)生產效率，改善安全健康生產環(huán)境。

爆破預警

通過5G超級上行技術，可以實現爆破預警。5G超級上行實現了無人機多路4K高清視頻回傳，爆破警戒覆蓋范圍從原先500米擴大到了2公里，將原有2小時檢查人力工作量，降低為半小時，生產效率大幅提升，并提高了爆破的安全性。在水泥倉裂紋等高清視頻+AI檢測等場景，5G超級上行也發(fā)揮了切實作用。

礦車自動駕駛

礦山開采、礦車的自動駕駛、遠程操控都需要高性能的5G網絡傳輸，但礦山地形受開采進度影響，處于不斷變化之中，無線網絡部署難度較大。5G超級上行技術能夠實現礦區(qū)道路和作業(yè)區(qū)域的有效連續(xù)覆蓋及性能提升，保障各類工程機械的高清視頻回傳及遠程操控需求。

賽事直播

賽事直播對于上行速率要求較高，在2021年的廈門馬拉松賽上，依托電信強大的5G網絡覆蓋及與5G超級上行技術，雙方在廈門馬拉松期間通過5G 8K VR直播等多種方式呈現這一盛況。

現在，除了生產方面的質的提升，5G超級上行技術的應用使用戶在高清直播、網課等需要大數據上傳的場景，都能獲得更好的體驗。

未來，超級上行技術將更多地應用到有大上行需求的業(yè)務場景中去。讓我一起期待超級上行技術在更多的領域里面大放異彩吧！