S^2: 3GPP 5G射频功率域增强总结

溯溪而上

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引言

5G室外宏站的发送功率可达53dBm，但是手持终端的最大发送功率不会超过30dBm，再加上网络设备和移动终端之间巨大的天线阵列数量差别，导致5G网络的上下行覆盖能力和范围一直存在严重的不匹配问题。针对这一缺陷，3GPP从5G伊始就想尽办法提高终端发送功率，同时定义相应的功率回退和管理机制以满足节能和人体辐射量的要求。那么今天笔者主要为大家梳理一下近三个版本（Rel-17/18/19）中，3GPP在提升终端发送功率上做出的努力以及相应的“补救措施”。

R17：引入“高功率载波聚合”终端以及相应的SAR solution

高功率载波聚合

将频段间载波聚合中，终端在2个频段的发射功率之和由最大23dBm提升至最大为27.8dBm。

通过高功率CA方案，可以获得3~4.8dB的发送功率增益，但是可能会导致终端发射功率超过电磁波人体吸收比率（SAR）法规要求。为了解决该问题，3GPP还在Rel-17引入了基于时间占比（Duty cycle）的SAR方案。

基于Dutycycle的SAR解决方案

该方案的核心思想是：通过对原有协议规定的功率控制方案引入功率等级参数ΔPPowerClass,CA，使得高功率终端在超过SAR的限制时，通过调整ΔPPowerClass,CA的取值，能够降低发射功率等级，保证有效的发射时间占比，即终端需要在发送功率和发送时间上做出抉择。

R18：引入ΔPPowerclass的上报机制；基于频域赋型技术降低MPR

ΔPPowerclass的上报机制

为了进一步完善基于dutycycle的SAR解决方案，3GPP决定在R18引入FR1的ΔPPowerclass上报机制。目的是及时通知网络侧UE基于dutycycle方案的功率等级变化情况，使得终端侧的因受到SAR而发生的最大发送功率调整情况对网络侧透明，保障上行功率控制和资源调度。

上报载体：MAC-CE PHR

新增字段：DPC（FR1终端在单小区上的给定功率等级的最大发送功率的调整量，对应ΔPPowerclass）；DPCBC（FR1终端在频带组合上的给定功率等级的最大发送功率的调整量，对应ΔPPowerClass, CA/ΔPPowerClass, EN-DC/ΔPPowerClass, NR-DC）

触发条件：dpc-Reporting-FR1已配置；且UE上行占空比超过预设门限，或在超过预设门限后返回

Single Entry PHR MAC CE上报格式：

DPC字段：该字段共2bits，如果dpc-Reporting-FR1已配置，且UE的服务小区工作在FR1，则该字段指示ΔPPowerclass，对应表6.1.3.8-4中DPC level的测量值。如果该字段为0表示DPC上报没有被触发。

Multiple Entry PHR MAC CE上报格式：

DPC字段同上。

DPCBC字段：该字段共1bits，如果dpc-Reporting-FR1已配置，则指示ΔPPowerClass, CA/ΔPPowerClass, EN-DC/ΔPPowerClass, NR-DC，为0表示ΔPPowerClass, CA/ΔPPowerClass, EN-DC/ΔPPowerClass, NR-DC=0，为1表示ΔPPowerClass, CA/ΔPPowerClass, EN-DC/ΔPPowerClass, NR-DC≥3dB。

MPR Reduction

MPR（最大功率回退）存在的意义是保证终端天线的PA工作在线性放大区，牺牲一定的直流功耗以降低邻道干扰。3GPP也一直在研究如何降低MPR以提升发送功率保障上行覆盖，主要围绕基于DFT-s-OFDM波形的频域赋型技术（FDSS）展开。

在先前的版本中，3GPP已经支持了pi/2 BPSK调制模式下的FDSS。Rel-18中RAN4的讨论主要集中在评估加入频谱扩展的频域赋型（FDSS with SE）的性能，并且针对高阶调制下的FDSS增益展开研究。考虑到FDSS对UE带宽的要求以及实现复杂度，最终R18新增了QPSK下、基于不带频谱扩展的FDSS的MPR降低方案，新引入了参数ΔPPowerBoost，并且对于PC2和PC3均适用。 ΔPPowerBoost在功率等级为3时取1dB，功率等级为2时取0.5dB，且必须满足以下条件：

• UE支持能力[powerBoostRel18] or [powerBoostTSRel18]，且IE [powerBoostPi2BPSKRel18] or [powerBoostQPSKRel18]取值为1，且PEMAX,c至少增加了ΔPPowerBoost
• UE支持TDD下的PC2或PC3
• ΔPPowerClass =0
• 上行波形为DFT-s-OFDM，且调制解调阶数为PI/2 BPSK或QPSK
• RB分配方式为内部RB分配
• 如果UE工作在PC3，那么在指定评估周期下的上行符号占比最多为80%
• 如果UE工作在PC2，且不支持能力maxUplinkDutyCycle-PC2-FR1和maxUplinkDutyCycle-PC1dot5-MPE-FR1，那么在指定评估周期下的上行符号占比不得超过0.9*50%；或者，如果UE支持maxUplinkDutyCycle-PC2-FR1能力，且在指定评估周期下的上行符号占比小于0.9* maxUplinkDutyCycle-PC2-FR1；或者，如果UE支持maxUplinkDutyCycle-PC1dot5-MPE-FR1能力，且在指定评估周期下的上行符号占比小于0.9* maxUplinkDutyCycle-PC1dot5-MPE-FR1。（指定评估周期不得小于一个无线帧的长度）
  
  

R19：传统功率增强指标的进一步扩展；6Rx SRS IL Imbalance的解决方案

在Rel-19中，3GPP决定引入PC1.5 CA/EN-DC with 2Tx/3Tx的相关规范，并且设计进行针对PC1.5 CA/EN-DC的功率增强方案。因此前文介绍过的high Power limit feature、SAR解决方案等都需要进一步扩展；MPR Reduction也需要按照Rel-18的Way Forward结论进一步研究更高的调制解调阶数、外部RB分配下的增强方案；同时，6Rx终端也被纳入了进来，困扰广大厂商许久的多天线UE的SRS IL imbalance问题重新进入大家视野，也希望在Rel-19可以获得合适的解决方案。

因此，笔者将简略为大家汇报一下上述问题截止至发稿在RAN4的讨论进展。

高功率终端的扩展

• 复用Rel-17的UE能力higherPowerLimit-R17/higherPowerLimtMRDC-R17，即不再做高层信令的改动；
• 不再引入新的功率等级，CA的功率等级依然围绕PC3/PC2/PC1.5展开讨论，且handheld UEs仅考虑MOP低于29dBm的场景；
• 可能的候选新增场景如下（注意只是候选，未形成agreement）：
  
  

SAR解决方案的扩展

对于所有的PC1.5 CA/EN-DC场景（PC2/1.5、inter/intra band、CA/EN-DC），都使用P-MPR作为默认的SAR解决方案，随后再针对每个场景（i.e. PC1.5 CA、PC1.5 EN-DC with LTE TDD+NR FDD、PC1.5 EN-DC with LTE FDD+NR FDD）考虑是否应用、如何应用dutycycle方案。（注：P-MPR也是SAR解决方案的一种，核心思想是终端通过自行功率回退来满足SAR法规要求，不受基站约束，因此可能会存在不同种类终端高功率能力不同的弊端。）

MPR Reduction的进一步研究

研究outer RB allocation的MPR降低方案，初步结论是进行UE CBW extension（假设UE带宽处于一个较大的基站带宽内），通过扩展将outer allocation转化为inner allocation，再进行分析。但是会带来以下问题：

• extended UE CBW是否可以超出BS CBW的范围；
• IBE的应用范围是UE CBW和BS CBW之间，还是UE CBW和extended UE CBW之间；
• ACLR/SEM的应用起点是extended UE CBW边缘还是BS CBW 边缘；
• OOBE的计算区域和边界是基于extended UE CBW还是UE CBW；
• 
  

目前的讨论也主要围绕以上4方面的问题展开，后续IBE、OOBE、ACLR/SEM等指标的定义和MPR值的改动将基于以上问题的结论。

6Rx UE SRS IL Imbalance

随着终端天线数量的增加（6Rx、8Rx...）,需要进行信道探测的通道数就会增多，进而导致SRS端口的工作更加繁重，SRS天线轮发的开关切换频率直线上升。然而一个闭环电路中每新增一个元器件会产生插入损耗，更高的开关切换频率意味着更大的单刀多掷开关，也意味着更高的插入损耗，那么在开关末尾顺位的SRS端口的插损，将远远大于开关第一顺位的SRS端口的插损，进而导致各SRS端口间的功率不平衡，极大影响接收端还原CSI信息的精度。

目前处理这一问题的方法主要有两个：UE自补偿和SRS IL上报。

UE自补偿，顾名思义，在UE端对各端口的插损进行计算并补偿，尽可能填平各SRS端口间的功率差值，但是受限于UE的功率余量不一定有足够的补偿空间；SRS IL上报，就是计算出各端口插损，并将插损值上报给基站，让基站在计算CSI的时候再基于每个端口的插损值进行补偿。目前关于SRS IL imbalance的讨论正在如火如荼的进行，各公司的观点也莫衷一是，存在较大分歧，截至发稿还没有形成有任何指导性的结论。