51学通信

深度解析 3GPP TR 21.917：11 NR physical layer enhancements (Part 2 - 频谱、速率与覆盖的“极限压榨”)

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深度解析 3GPP TR 21.917：11 NR physical layer enhancements (Part 2 - 频谱、速率与覆盖的“极限压榨”)

本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.917 V17.0.1 (2023-01) Release 17规范中，关于“11 New Radio (NR) physical layer enhancements (NR物理层增强)”的核心章节。本文作为该系列解读的Part 2，将聚焦于Rel-17如何通过引入中继器、更高阶的调制、更灵活的频谱共享和更强的终端发射功率，从频谱利用、峰值速率和覆盖范围等维度，对5G网络的性能进行了一次全面的“极限压榨”。

1. “三叉戟”之后的新“愿望清单”：周总工的性能攻坚战

在上一篇章中，5G RAN研发总工程师周毅，带领他的团队，通过Rel-17的MIMO、IAB和覆盖增强“三板斧”，成功破解了运营商客户提出的“容量、部署、覆盖”三大核心挑战。然而，庆功的香槟尚未开启，一份来自市场、产品和网络规划部门的、更具挑战性的“性能愿望清单”已经摆在了他的案头。

周毅站在他的作战室白板前，上面罗列着这些看似“得寸进尺”的新需求：

  1. 网络规划部：“周总，市中心新建的‘星光购物中心’和地下三层的‘未来车库’，信号盲区太多，但物业不允许我们拉光纤进去。有没有一种比IAB更轻量、更‘傻瓜式’的覆盖延伸方案？”

  2. 市场部：“我们需要一个能上头条的‘爆点’！有没有什么技术，能让我们的5G网络在峰值速率上，再次把友商甩开一个身位？我们需要一个能写进广告里的‘F1引擎’！”

  3. 产品部：“我们的新一代旗舰手机，硬件上已经支持5个下行载波的聚合（5CC），但Rel-16的规范组合还不够丰富。而且，越来越多的主播用户抱怨，上行带宽依然是瓶颈，能否支持更多的上行载波聚合？”

  4. 频谱战略部：“DSS（动态频谱共享）很好，但我们在一些超高话务区域发现，承载DSS的那个载波，其控制信令开销依然很大，限制了5G用户的调度容量。有没有办法给DSS‘减负’？”

  5. 终端RF团队：“周总，我们设计了一款新的UE，它在Band A上是PC2（26dBm），在Band B上是PC3（23dBm）。理论上，它的双载波聚合总功率可以超过26dBm，但受限于规范，我们只能‘降级’使用。能否为我们这匹‘宝马’松绑，释放它的全部上行潜能？”

周毅看着这张清单，露出了微笑。他知道，这些看似苛刻的要求，恰恰是驱动技术不断前进的引擎。而Rel-17，早已为这些问题，准备好了答案。

“先生们，”周毅转身对他的团队说，“市场已经为我们指明了下一阶段的战场。现在，让我们再次回到3GPP的‘军火库’——TR 21.917的第11章，为我们的产品，领装新一批的‘尖端武器’。”

2. 11.5 “毛细血管”的延伸：NR中继器 (NR Repeaters)

第一个难题，来自网络规划部的“覆盖补盲”。周毅指向了清单的第一项。

“对于‘星光购物中心’这种场景，部署IAB节点有些‘杀鸡用牛刀’。我们需要的是一种更轻、更便宜的‘毛细血管’。Rel-17为此正式引入了——NR中继器。”

11.5 RF requirements for NR Repeaters

This work item defines RF requirements for NR repeaters. These repeaters are network nodes designed to supplement/extend the coverage provided by base stations by simply amplifying and forwarding the signals from the input port without performing any other signal processing.

【深度解读】

这段话点明了中继器（Repeater）与IAB的本质区别：

  • IAB：是一个功能完备的“小基站”，它有自己的基带处理能力，会解码、再编码信号。它更像是网络的“主动脉”或“主干道”。

  • Repeater：是一个“傻瓜式”的信号放大器。它工作在射频（RF）层面，对接收到的信号进行“原样”放大和转发，不涉及任何基带处理。它更像是网络的“毛细血管”。

场景还原：“星光购物中心”外有一个5G宏基站信号很好。运维人员只需要在购物中心内部，找一个能接收到宏站信号的窗边，安装一台NR中继器的“接收端”，再在信号不好的中庭或地下车库，安装“转发端”，接上电源即可。整个部署过程，无需光纤，无需复杂的网络配置，实现了真正的“即插即用”。

Rel-17为这些“毛细血管”定义了清晰的分类，以便于运营商根据不同场景进行选择。

Repeater types: RF requirements for repeater types 1-C and 2-O are defined. Repeater type 1-C covers the conducted requirements for FR1 while type 2-O covers the radiated requirements for FR2.

Repeater classes: Different repeater classes were introduced to cover different deployment scenarios and are differentiated for DL and UL as follows:

  • Wide Area repeaters…
  • Medium Range repeaters…
  • Local Area repeaters…

【深度解读】

  • 类型（Types）：Type 1-C 指的是FR1频段、通过线缆连接天线的“有线接口”式中继器。Type 2-O 指的是FR2（毫米波）频段、天线与设备集成的“空中接口”式中继器。

  • 级别（Classes）：从广域（Wide Area） 到本地（Local Area），定义了不同功率等级和部署场景的中继器。对于“星光购物中心”和“未来车库”，周毅的团队会推荐运营商选用“Local Area”级别的中繼器，它覆盖范围小，但部署极其灵活。

TDD Operation: NR repeaters specifications also cover operation in the TDD bands. In these bands, the repeaters are assumed to be synchronized to the base station in whose coverage they are deployed follow the UL/DL frame configuration that the base station is using.

【深度解读】

这是一个关键的技术细节。对于TDD网络，中继器不能“随心所欲”地放大信号，否则会发生上下行干扰。它必须与它所中继的那个基站，保持严格的时隙同步，在基站发送下行信号时，它也放大转发下行；在基站接收上行信号时，它也放大转发上行。这确保了中继器的引入，不会破坏整个TDD网络的时分双工秩序。

3. 11.6 “F1引擎”的轰鸣：下行1024QAM (DL 1024QAM)

“市场部要的‘爆点’来了。”周毅的笔，指向了清单的第二项，“Rel-17为我们准备了5G的‘F1引擎’——1024QAM。”

11.6 Introduction of DL 1024QAM for NR FR1

This work item specifies downlink 1024QAM for NR PDSCH operation in FR1, which provides higher downlink peak rate compared with Release-15 NR, with the high downlink SINR and better channel condition (e.g., LOS or LOS-like channel), and with no mobility or very low mobility environment.

【深度解读】

QAM（正交幅度调制）是数字通信中将比特“搬运”到无线电波上的核心技术。可以把它想象成一辆“货车”：

  • QPSK (4QAM)：一次能拉2个比特的货物。

  • 16QAM：一次能拉4个比特。

  • 64QAM：一次能拉6个比特。

  • 256QAM (Rel-15/16 NR)：一次能拉8个比特。

  • 1024QAM (Rel-17 NR)：一次能拉10个比特！

相比于256QAM，1024QAM一次能多拉25%的“货物”，这意味着，在相同的频谱带宽下，峰值速率可以提升25%！这正是市场部梦寐以求的、可以写入广告的“飞跃”。

但天下没有免费的午餐。要驾驭这台“F1引擎”，需要一条“F1赛道”：

…with the high downlink SINR and better channel condition (e.g., LOS or LOS-like channel)…

【深度解读】

1024QAM的星座图极其密集，对信号质量（SINR，信噪比）的要求极高，哪怕一丁点的干扰，都可能导致“货物”的识别错误。因此，它只适用于信道条件极好的场景，比如你离基站很近，且中间没有任何遮挡（LOS，视距传输）。

为了支持这台“F1引擎”，Rel-17对协议栈进行了相应的“升级”：

…the WI also defines the corresponding MCS/CQI tables and RRC signalling, as well as the corresponding BS/UE RF requirements…

【深度解读】

  • 新的“档位”表：网络需要知道何时该挂上“10档”（1024QAM）。为此，Rel-17扩展了MCS（调制与编码策略）表和CQI（信道质量指示）表。UE在测量到极好的信道质量后，会上报一个新的、更高的CQI值。网络收到后，就会查询新的MCS表，选择1024QAM这个“档位”，来为UE调度数据。

    以下是规范中新增的1024QAM MCS条目示例，周毅将其展示在白板上：

    | MCS index | Modulation | Target code rate R x | Spectrum efficiency |

    | :--- | :--- | :--- | :--- |

    | 23 | 10 | 805.5 | 7.8662 |

    | 24 | 10 | 853 | 8.3301 |

    | 25 | 10 | 900.5 | 8.7939 |

    | 26 | 10 | 948 | 9.2578 |

  • 新的“出厂标准”：为了确保基站发出的1024QAM信号“足够纯净”，Rel-17还收紧了对基站射频的指标要求，例如BS Tx EVM（发射机误差矢量幅度） 的要求，从256QAM的3.5%进一步降低到了2.5%/2.8%。

“告诉市场部，”周毅对产品经理说，“我们的新基站，加上支持Rel-17的新手机，可以在热点区域，为用户提供超越Gbps的、提升25%的‘巅峰体验’。这就是我们的头条！”

4. 11.7/11.9 “超级航母”与“涡轮增压”：CA与高功率UE

产品部的“愿望清单”，直指网络的容量和上行能力。

4.1 载波聚合（CA）增强：打造“带宽航母战斗群”

11.7 NR Carrier Aggregation

11.7.1 NR intra band Carrier Aggregation

11.7.2 NR inter band Carrier Aggregation

【深度解读】

Rel-17在CA（载波聚合）方面的工作，是持续的“添砖加瓦”。它在TS 38.101系列规范中，定义了海量的、新的频带组合，以满足全球不同运营商、不同频谱资源的组合需求。

周毅举了两个例子，来解释这些看似枯燥的表格背后的价值：

  • 更多的下行航母（如5CC DL）：Rel-17增加了对更多下行载波（如5个20MHz载波聚合为100MHz）的支持。这意味着运营商可以将自己手中零散的频谱“捆绑”起来，为用户提供更大的总带宽。

  • 更强的上行火力（如3BDL_2BUL）：Rel-17特别增强了非对称CA组合的支持，例如NR_CADC_R17_3BDL_2BUL，它代表着“3个下行载波 + 2个上行载波”的聚合。对于需要频繁上传高清视频的主播用户，这第二个上行载波，就如同为他的“上传通道”增加了一条全新的跑道，上行体验将得到质的提升。

4.2 解锁潜能：提升CA/DC下的UE发射功率

终端RF团队的“委屈”，在Rel-17中也得到了“伸张”。

11.9 Increasing UE power high limit for CA and DC

This work item enables a UE to indicate a capability to transmit a maximum output power higher than what the power class for a UL CA or DC configuration would have previously allowed.

【深度解读】

  • 过去的“束缚”：在Rel-16中，当一个支持PC2（26dBm，如n78）和一个支持PC3（23dBm，如n1）的频段进行上行CA时，整个组合的总发射功率，受限于较高的那个功率等级，即26dBm。但实际上，手机的两路PA（功率放大器）可以同时工作，其物理上的总发射功率可以达到 10*log10(10^(26/10) + 10^(23/10)) 约 27.8dBm。中间有1.8dB的功率被“浪费”了。

  • Rel-17的“松绑”：Rel-17引入了一个新的UE能力信令——HigherPowerLimitCADC。支持这个能力的UE，可以在进行这类CA时，向网络宣告：“我能突破26dBm的限制，达到更高的发射功率！”

  • 效果：这被“解锁”的1.8dB功率，对于小区边缘的用户来说，是极其宝贵的。它意味着更远的上行覆盖、更高的上行速率、更稳定的连接。

5. 11.8 频谱“魔术师”：DSS的再进化

最后，是频谱战略部的“DSS减负”难题。DSS（动态频谱共享）是4G向5G平滑演进的“神器”，它允许4G和5G在同一个频段上“分时复用”，如同共享一条“潮汐车道”。

11.8 NR Dynamic Spectrum Sharing (DSS)

This is addressed by this WI, which introduces the support for cross-carrier scheduling from SCell to PCell/PSCell.

【深度解读】

  • Rel-15 DSS的“开销”：在传统的DSS中，5G的控制信道（PDCCH）和数据信道（PDSCH）都必须“见缝插针”地部署在为4G信号（特别是CRS，小区参考信号）预留的“空隙”中。这不仅限制了5G的性能，而且PDCCH自身的开销也很大。

  • Rel-17的“跨载波减负”：Rel-17引入了跨载波调度来优化DSS。

    • 场景：运营商除了部署一个4G/5G共享的DSS载波（例如，在2.1GHz上），通常还会部署一个5G的专用大带宽载波（例如，在3.5GHz上），并将两者进行CA。

    • 解决方案：Rel-17允许，将DSS载波上的PDCCH功能，“搬家” 到那个5G专用载波上去。

    • 效果：现在，当网络需要调度DSS载波上的数据时，它会在3.5GHz的载波上发送PDCCH指令，告诉UE：“去2.1GHz的共享载波上接收你的数据”。

    • 好处：

      1. DSS载波上不再需要承载5G的PDCCH，开销大大降低，所有“空隙”都可以用来传数据，容量得到提升。

      2. 5G专用载波的PDCCH设计更优，调度效率和可靠性更高。

这个看似简单的“搬家”，如同将“指挥部”从拥挤的前线，搬到了后方开阔、安全的指挥中心，极大地提升了整个DSS战场的作战效率。

6. 总结：性能的“极限压榨”，为5G-Advanced积蓄势能

周毅在白板的最后，画下了一个巨大的总结。Rel-17在物理层的第二波增强，是一场围绕性能的、不留死角的“极限压榨”行动。

  • NR中继器（11.5），用最低的成本，实现了覆盖的“最后一米”延伸。

  • 1024QAM（11.6），在最好的信道上，压榨出了“最后1%”的峰值速率。

  • CA增强（11.7），将运营商手中“最后一滴”零散频谱，汇聚成了滔滔江海。

  • DSS增强（11.8），在“最后一寸”共享频谱的缝隙中，腾出了宝贵的容量空间。

  • 高功率UE（11.9），为终端解锁了“最后一份”被束缚的上行潜能。

这一系列的“极限压榨”，不仅让Rel-17时代的5G网络变得更快、更广、更强，更重要的是，它为即将到来的、以AI和智能化为核心的5G-Advanced时代，构建了一个性能更加卓越、潜力更加深厚的物理层“超级底座”。周毅和他的团队，已经为下一场更宏大的技术革命，备足了“弹药”。

FAQ

Q1：NR中继器（Repeater）和IAB（集成接入与回传）有什么区别，我应该如何选择？

A1：核心区别在于复杂度和应用场景。Repeater是工作在射频层的“信号放大器”，即插即用，成本极低，但它只是简单地放大信号，不会带来容量增益，适用于小范围、低密度的覆盖补盲，如地下车库、电梯、小型商铺。而IAB是一个完整的gNB，工作在基带层，拥有调度和处理能力，能够带来容量增益，但成本和部署复杂度更高，适用于较大范围的区域覆盖延伸，如新兴社区、大型场馆、高速公路沿线等光纤难以到达的区域。

Q2：我的手机什么时候才能用上1024QAM？

A2：需要满足三个条件：1）你的手机芯片必须支持Rel-17定义的1024QAM功能。2）你所在的运营商网络（基站）已经升级支持1024QAM。3）你所处的无线环境必须极好，通常是你离基站非常近，且中间没有遮挡（LOS）。当这三个条件都满足时，你的手机就会自动协商并使用1024QAM，获得更高的下载速度。

Q3：DSS的跨载波调度增强，对我的使用体验有什么实际好处？

A3：有实际好处。通过将控制信令（PDCCH）从拥挤的4G/5G共享载波上“移走”，1）共享载波本身可以承载更多的5G数据，你的上网速度可能会更快。2）控制信令跑在更稳定、更高效的5G专用载波上，网络调度的可靠性更高，你遇到网络“指令”丢失导致卡顿的概率会降低。

Q4：UE的发射功率提高了，是不是意味着手机辐射更大了，也更耗电了？

A4：需要客观看待。1）辐射：所有手机在上市前，都必须通过严格的SAR（比吸收率）测试，确保其电磁辐射值远低于国家安全标准。提高发射功率的上限，并不意味着它在日常使用中会一直以最大功率发射，并且其最大值也一定会在安全标准之内。2）功耗：更高的发射功率确实意味着瞬时功耗的增加。但这项技术主要用于上行受限的小区边缘。在这些地方，更高的发射功率可以让你以更快的速度、更少的重传完成数据上传，从而更快地结束传输并回到低功耗状态。在很多情况下，这种“短痛”式的传输，其总能耗反而可能低于长时间、低功率、反复重传的模式。

Q5：这些物理层增强（1024QAM、CA增强、高功率UE等），是网络升级就行，还是必须换新手机？

A5：绝大部分都必须更换新手机。这些功能都深度依赖于手机基带芯片（Modem） 和射频前端的硬件能力。例如，1024QAM需要接收机有更强的解调能力；更多的载波聚合需要射频支持相应的频带组合；更高的发射功率则需要功率放大器（PA）等硬件的支持。这些都无法通过给老手机进行系统软件更新（OTA）来实现。

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