0 引言
当前基于5G技术的智慧矿山[1-4]建设从生产、运行和管理等维度提出了“5G+远程控制”、“5G+高清视频”、“5G+无人矿车”和“5G+无人机”等，这些应用场景对网络上行速率提出了新的要求。由于现阶段5G网络主要面向大众业务，所以在时隙配比方面仍然以下行时隙为主，上下行速率差异大，上行速率明显受限。矿山结构复杂，网络覆盖条件差，网络上行速率不足导致基于5G网络的智慧矿山业务严重受阻。因此提高5G网络上行速率是当前的一个研究热点。张立亚等[5]根据射频能量损耗优化模型来降低信号传输损耗，提升了矿用5G通信系统传输速率，但由于能量限制，上行速率提升幅度有限。蒋建峰等[6]通过研究大规模天线技术，将发送信号矢量分组，采用似然检测和干扰消除检测来提升网络上行速率，但由于增加了运算复杂度，上行速率提升幅度也很有限。本文提出一种智慧矿山5G网络上行速率增强算法，将不同频段的频谱资源聚合，通过高低频段协同有效提高网络上行速率。
1 5G网络频谱和速率
1.1 5G频谱
目前5G SA[7](Stand-Alone，独立组网)已成为主流的5G网络架构，其主流的C-Band频段以3.5 GHz高频段为主，带宽资源非常丰富，但覆盖范围较小，且路径损耗和穿透损耗较高。运营商的Sub-3 GHz频段(1.8/2.1 GHz)频率低，穿透性较好，覆盖范围相对较大，且绕射性能好[8-9]。使用单一的3.5 GHz频段部署单层网络难以满足智慧矿山的多元化业务需求，将1.8/2.1 GHz频段纳入5G网络建设，可获得更大的矿山网络覆盖范围和速率。
1.2 上下行速率
当前5G SA网络在3.5 GHz频段主要使用TDD(Time Division Duplex，时分双工)模式组网[10-12]，最大支持8个SSB(Synchronization Signal and PBCH Block，同步信号和PBCH块)，其一般上下行时隙配比为2∶8，3∶7和1∶4，上行时隙所占比例较低。Sub-3 GHz的低频段FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)组网模式虽然只支持4个SSB，但上行时隙所占比例较高，上行能力比3.5 GHz网络好。某矿山区域5G SA网络覆盖边缘的上下行速率如图1所示，下行速率只能保持在70～310 Mbit/s，上行速率更是低到12 Mbit/s以下，上下行速率极不平衡。
(a) 上行速率
(b) 下行速率
图1 矿山区域覆盖边缘上下行速率
Fig.1 Uplink and downlink rate of mine area covering edge
2 5G网络上行速率增强算法
2.1 算法原理
当前运营商网络的1.8/2.1 GHz频段利用率较低，但覆盖能力强，基站低频信号的穿透性较好，通过SUL(Supplementary Upload，上行辅助)技术[13]在C-Band频段上叠加Sub-3 GHz频段来提升上行速率和覆盖范围，如图2所示。
高低频段叠加时，考虑矿山复杂环境对于信号传输的影响，在频域资源分配和时域资源调度时分为中近点区域和远点区域2种情况。在中近点区域，基站进行上行数据调度时，UE(User Equipment，用户设备)在C-Band频段上行时隙使用3.5 GHz频段发送上行数据，在C-Band频段下行时隙使用1.8/2.1 GHz频段发送上行数据；在远点区域，3.5 GHz频段上行受限，UE只使用1.8/2.1 GHz频段发送上行数据。
图2 5G网络上行速率增强算法原理
Fig.2 Principle of uplink rate enhancement algorithm for 5G network
2.2 算法流程
5G网络上行速率增强算法包括以下步骤：
(1) UE接入[14]。当前大部分5G终端都支持5G SA网络，能动态改变UE配置。UE开机时处于空闲模式，UE通过测量SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比)来选择频段。当SINR不小于设定门限值时，说明上行覆盖良好，UE选择接入3.5 GHz频段；当UE处于5G SA网络边缘时，SINR小于设定门限值，网络上行受限，5G网络控制UE接入Sub-3 GHz频段的PUSCH(Physical Uplink Shared Channel，物理上行共享信道)进行数据传送。UE接入如图3所示。
图3 UE接入
Fig.3 UE access
(2) 上行频域资源分配[15]。PUSCH配置2个频段C-Band和Sub-3 GHz，PUCCH(Physical Uplink Control Channel，物理上行链路控制信道)仅配置C-Band频段，如图4所示。根据最新5G R16标准，DCI(Downlink Control Information，下行链路控制信息) formats指示DCI信息为上行还是下行调度信息，占用1 bit，0表示上行，1表示下行。上行DCI主要指示上行PUSCH传输，包括DCI format 0_0和DCI format 0_1这2种字段格式。PUSCH有2种频域资源分配类型：类型0和类型1。类型0为UE分配连续频域资源，类型1为UE可分配非连续频域资源。
图4 频段配置
Fig.4 Frequency band configuration
当字段格式为DCI format 0_0，且频域资源分配类型为1时，如果DCI format 0_0由C-RNTI(Cell-Radio Network Temporary Identifier，小区无线网络临时标志)，CS-RNTI(Configured Scheduling RNTI，配置调度RNTI)或MCS-C-RNTI(Modulcation Coding Scheme Cell RNTI，调制编码方案小区RNTI)加扰，并且不使用PUSCH跳频时，频域资源分配占用比特数为
Nf=log2(BUL,BWPRB(BUL,BWPRB+1)/2)
(1)
式中
为激活UL BWP(Uplink Bandwidth Part，上行部分带宽)的大小。
对于使用PUSCH跳频的情况，频域资源分配占用比特数为
Nf=log2(BUL,BWPRB(BUL,BWPRB+1)/2)-NUL_HOP
(2)
式中NUL_HOP为频偏指示比特数，如果频跳偏移列表包含2个偏移值，则NUL_HOP=1，如果频跳偏移列表包含4个偏移值，则NUL_HOP=2。
如果DCI format 0_0由TC-RNTI(Temporary Cell RNTI，临时小区RNTI)加扰，不使用PUSCH跳频，则利用式(1)计算频域资源分配占用比特数；若使用PUSCH跳频，则利用式(2)计算频域资源分配占用比特数，且为初始UL BWP的大小，若其值小于50，则NUL_HOP=1，否则NUL_HOP=2。
当字段格式为DCI format 0_1，且频域资源分配类型为1时，使能跨载波调度特性，生成Carrier indicator字段用于指示DCI调度是哪个服务小区上的资源。Carrier indicator为0指示当前小区，Carrier indicator为3 bit指示其他小区。SRBG指示UL BWP RBG(Resource Block Group，物理资源块组)总数：
SRBG=(SsizeVRB+Mstartmod Sp)/Sp
(3)
式中：
为载波带宽中VRB(Virtual Resource Blocks，虚拟资源块)总数；Mstart为UL BWP中起始VRB的编号；Sp为标准RBG内VRB数量。
第1个RBG中VRB数量为
(4)
最后一个RBG中VRB数量为
(5)
如果频域资源分配类型0和类型1都被配置，则UL BWP RBG的数量为
SRBG=
maxlog2BUL,BWPRB(BUL,BWPRB+1)2,SRBG +1
(6)
(3) 小区切换。UE在小区间移动切换过程如图5所示。UE通过测量SINR反馈结果，发起小区切换请求，5G基站响应切换请求，通过步骤(2)完成上行频域资源分配。UE完成新的载波发起非竞争接入，完成频段选择。
图5 UE在小区间移动切换过程
Fig.5 Process of UE mobile handover between cells
(4) 上行时域资源调度。基站进行上行数据时域资源调度时，通过时域资源指示字段格式DCI format 1_0和DCI format 1_1中的Time domain resource assignment字段值m确定时域资源分配表中的行索引m+1。PUSCH时域分配通过式(7)计算。
ks=n2tPUSCH2tPDCCH+k0
(7)
式中：ks为PUSCH时隙分配位置；n为调度DCI的时隙号；tPUSCH，tPDCCH分别为PUSCH，PDCCH(Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道)配置的子载波间隔；k0为PUSCH时隙分配位置偏移值。
起始和长度指示值ESLIV确定PUSCH分配的时域起始位置和数量。
(8)
式中：s为起始符号数量；L为PUSCH上占用的符号长度(0<L≤14-s)。
基站通过DCI进行时域调度，中近点区域和远点区域的时域调度如图6所示。
(a) 中近点区域
(b) 远点区域
图6 中近点区域和远点区域时域调度
Fig.6 Time domain scheduling in middle near-point area and far-point area
3 测试验证
测试场景选择某矿区。基站扇区的主要覆盖方向为矿山，基站距离地面高度为144 m，支持3.5 GHz频段和2.1 GHz频段，基站功率为64 W，终端使用5G无线终端接入设备CPE PRO。3.5 GHz基站天线为64R，终端天线为2T4R，上下行时隙配比为7∶3，上行带宽为100 MHz，频率范围为3 400～3 500 MHz；2.1 GHz基站天线为4R，终端天线为1T，时隙全部配给上行，上行带宽为20 MHz，频率范围为1 920～1 940 MHz。
为验证上行速率增强算法的有效性，分别测试3.5 GHz网络和经过上行速率增强算法优化后3.5 GHz+2.1 GHz网络的上行速率。测试区域如图7所示。测试区域1(近点区域)：领导办公室，距离基站水平距离为289.4 m；测试区域2(中点区域)：职工办公室，距离基站水平距离为575.6 m；测试区域3(远点区域)：地下室工作间，距离基站水平距离为614.2 m。
图7 测试区域
Fig.7 Test area
3.1 定点测试
在测试区域1—3选取16个定点(P1—P16)，测试结果见表1。可看出采用上行速率增强算法后，在矿区近点区域平均上行速率提升17%，在矿区中点区域平均上行速率提升41%，在矿区远点区域平均上行速率提升213%。
表1 定点测试结果
Table 1 Fixed-point test results
测试区域测试位置参考信号接收功率/(dBm)3.5 GHz网络上行速率/(Mbit·s-1)3.5 GHz+2.1 GHz网络上行速率/(Mbit·s-1)P1-67.83232.77272.05P2-70.01230.92270.30区域1P3-70.07232.63272.42P4-74.03236.40276.61P5-87.9383.36108.03P6-90.1875.2599.66P7-91.1360.4982.49区域2P8-92.5947.6669.18P9-96.1157.1078.61P10-98.5241.3767.58P11-98.0819.8836.12P12-99.4119.7038.57P13-103.2611.6831.46区域3P14-103.9011.0929.10P15-107.042.3812.45P16-109.433.0013.29
3.2 多用户定点测试
通过选取不同业务场景(车间工作状态监控、员工工作状态监控、非法闯入监控、无人机监控等)，实施多用户定点测试，结果见表2。可看出经上行速率增强算法优化后的网络上行速率提升幅度最高达360%，平均上行速率提升了113%。
在3.5 GHz网络下，各业务场景的视频出现严重卡顿现象；而经上行速率增强算法优化后的3.5 GHz+2.1 GHz网络可保障4K高清摄像头正常工作，4K监控视频回传空口速率约为20 Mbit/s，视频画面流畅。
表2 多用户定点测试结果
Table 2 Multi-user fixed-point test results
用户位置参考信号接收功率/(dBm)3.5 GHz网络上行速率/(Mbit·s-1)3.5 GHz+2.1 GHz网络上行速率/(Mbit·s-1)职工办公室-87.4781.66100.54无人机监控点-97.6823.2638.52电力调度室1-96.7930.3547.02电力调度室2-98.0029.9443.19地下传送车间1-98.5817.2228.87地下传送车间2-101.009.6925.30地下传送车间3-102.8912.9729.81地下传送车间4-108.542.6312.07
3.3 拉网测试
绕矿山主要路线1圈拉网形成闭环路线，如图8所示。
图8 拉网路线
Fig.8 Route of network pulling
拉网测试结果如图9所示，可看出采用上行速率增强算法的3.5 GHz+2.1 GHz网络平均上行速率提升31%。
图9 拉网测试结果
Fig.9 Network pulling test results
4 结语
智慧矿山5G网络上行速率增强算法将C-Band频段与Sub-3 GHz频段叠加，增加了上行频谱资源利用率，提高了上行容量和速率。测试结果表明，该算法能提升矿区近点区域上行速率17%、中点区域上行速率41%、远点区域上行速率213%，网络平均上行速率得到明显提升。
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