5G新空口與LTE載波共享技術的研究*

陳曉冬，林衡華

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

5G新空口與LTE載波共享技術的研究*

陳曉冬，林衡華

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

結合目前5G新空口頻率分配現狀，針對5G NR頻段無線傳播能力不足的問題，提出NR與LTE上行載波共享方案，同時深入分析方案中涉及的NR頻域子載波配置、時域時間偏移和路徑損耗估算等關鍵技術問題，以及對NR與LTE組網性能的影響，并結合技術分析提出載波共享技術的配置建議、局限性與發展前景。

5G NR LTE 載波共享

1 引言

5G作為新一代移動通信系統，在系統速率、時延和可靠性上都提出了更高的設計目標，相應地在空口頻率帶寬上也提出了更高的需求[1]。目前3 GHz以下低頻段基本已分配給現有3G/4G移動通信系統，難以騰出足夠的空閑頻譜供5G使用。因此，世界無線電通信會議（WRC）所確定的5G候選頻率大多數集中在3 GHz甚至6 GHz以上的中高頻段[2]。

我國在2017年也將3.3 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5 GHz兩個頻段確定為國內5G頻段[3]，3.5 GHz和5 GHz頻段相比國內運營商已商用的移動通信頻率而言，無線傳播能力明顯不足，根據業界市區環境通用的COST.231-HATA無線傳播模型[4]計算，3.5 GHz相比1.8 GHz（中國電信4G頻段）在鏈路預算上相差近10 dB。若5G基站在目前LTE站址基礎上采用1：1共站組網，難免出現覆蓋空洞。

對目前的3G/4G系統頻譜進行重耕，是從根本上解決5G系統中高頻覆蓋劣勢的有效方法。但是3G/4G系統頻譜短期內無法騰挪出足夠的固定帶寬用于5G系統，因此通過5G新空口（NR）和4G（LTE）間的協作實現LTE載波的共享，成為提升5G無線覆蓋的熱點研究方向之一。

2 NR與LTE載波共享技術原理

NR與LTE載波共享技術是指在不影響原有LTE協議的基礎上，NR與LTE通過時分或頻分等方式，共用LTE載波頻率。從NR與LTE共享載波的鏈路方向上劃分，可以分為下行載波共享和上行載波共享[5]，如圖1所示：

圖1 NR與LTE載波共享空口時頻資源分配示意圖

NR與LTE載波共享技術中，業務信道（PDSCH/PUSCH）可以通過空口時頻資源塊（RB）的靈活調度以避免干擾，而對于LTE中位置相對固定的信號和信道的干擾規避，如同步信號（PSS/SSS）、下行廣播信道（PBCH）、控制信道（PDCCH/PUCCH）、參考信號（CRS/DMRS/CSI RS/SRS）等，則是該技術標準制定中的重點和難點。

從NR與LTE載波共享的站址位置上劃分，可以分為共站場景和非共站場景[6]，如圖2所示：

圖2 NR與LTE載波共享應用場景

對于NR與LTE共站場景，載波共享的關鍵是空口時頻資源的多系統復用機制，典型的復用方案如圖2所示。而對于NR與LTE非共站場景，載波共享的關鍵是同頻異系統的鄰區干擾協調機制，理論上可以沿用LTE鄰區干擾協調方法。因此，共站場景是NR與LTE載波共享技術的優先研究場景。

3 NR與LTE上行載波共享技術方案與關鍵問題

3.1 NR與LTE上行共享載波技術方案

針對5G新空口技術特點和LTE網絡發展現狀，目前NR與LTE載波共享技術研究熱點集中在對上行載波共享技術方案的性能評估和標準推進上，具體源于以下兩方面考慮：

（1）5G引入Massive MIMO技術后，針對下行將會產生更大的波束賦形覆蓋增益，但上行仍是覆蓋受限因素，因此改善5G上行是提升5G覆蓋的最直接方法；

（2）國內外絕大多數的LTE網絡采用FDD成對頻率，以下行業務量為主的用戶模型決定其LTE下行網絡負荷遠高于上行，因此LTE相對空閑的上行載波將最有可能用于NR共享。

NR與LTE上行載波共享技術方案[7]如圖3所示，假設NR與LTE共站部署，LTE采用成對頻率F1（上行）和F2（下行），NR采用非成對頻率F3，其中NR與LTE共享頻率F1。由于F3位于中高頻，無線覆蓋能力遠低于F1/F2，因此在F3的覆蓋范圍內，NR終端上下行都使用F3作為工作頻率，而從F3進入F1覆蓋范圍后，NR終端上行與LTE共享F1上行載波。

圖3 NR與LTE上行載波共享技術方案

3.2 NR與LTE上行載波共享關鍵問題

（1）NR與LTE頻域子載波配置問題

在同一時隙內，共享上行載波的NR與LTE，必須通過合理的空口子載波資源調度機制，實現兩系統所使用的子載波資源位于共享載波的不同頻域位置，如圖4所示。由于NR與LTE的子載波結構設計不同，因此為避免NR對LTE無線性能的影響，共享載波方案可能會對NR的子載波配置提出了一定的限制。目前，LTE的子載波間隔固定為15 kHz，且中心子載波相對直流子載波（DC）存在7.5 kHz的偏移；而NR子載波至少可配置為15 kHz/30 kHz/60 kHz等多種間隔，NR中心子載波是否需要進行同樣的7.5 kHz的偏移也尚無定論。

圖4 NR與LTE頻域共享示意圖

對于NR與LTE上行載波共享的頻域子載波配置，目前主要歸納為兩類方案[8]：

1）方案1：NR中心子載波不進行7.5 kHz的偏移；

2）方案2：NR中心子載波進行7.5 kHz的偏移。

如圖5所示，對以上兩類方案的仿真評估表明[9]，如果采用方案1，NR與LTE間必須預留頻率保護帶（GP=1 PRB），否則LTE性能會由于NR干擾而出現明顯的惡化，此時LTE性能惡化在采用高階調制時會更為明顯，因此方案2為優選方案。

圖5 NR與LTE上行載波共享對LTE網絡性能影響仿真結果

（2）NR與LTE時域時間偏移問題

NR與LTE上行載波共享技術方案中，若NR采用TDD雙工方式，則不同的NR基站/小區間需保持嚴格的時間同步；若LTE采用FDD雙工方式，則不同的LTE基站/小區間無需進行嚴格的時間同步。因此，可能出現共享上行載波的NR與LTE間存在時間偏移的情況，如圖6所示：

圖6 NR與LTE上行載波共享中時間偏移示意圖

目前對于NR與LTE上行載波共享中的時間偏移解決方案，主要歸納為網絡側方案與終端側方案兩類：

1）網絡側解決方案：LTE基站/小區側通過連接GPS或其他同步源，以實現站間/小區間的嚴格時間同步；

2）終端側解決方案：NR基站通過空口消息將NR基站/小區與LTE基站/小區間的時間偏移值告知NR終端，以實現NR側的時間對齊。

兩方案各有利弊，網絡側方案無需對NR空口協議提出改動需求，但需要對LTE基站/小區進行工程改造；終端側解決方案則反之。

（3）NR與LTE路徑損耗估計問題

NR和LTE的上行功率控制機制類似，都包括開環功率控制與閉環功率控制，其中開環功率控制機制中一個關鍵因素是上行路徑損耗的估計，NR和LTE的上行路徑損耗估算都采用對下行鏈路的參考信號的測量來實現。

但是在NR與LTE上行鏈路共享技術中，NR的載波F3往往位于中高頻，NR與LTE的上行共享載波F1往往位于低頻，通過F3載波上的下行參考信號估算出來的F1載波上行路徑損耗，往往會遠遠大于F1載波的實際損耗。上行路徑損耗的偏差則會直接影響上行功率控制的準確性，從而降低NR上行鏈路性能。

如表1所示，仿真結果表明[10]，若直接使用NR載波F3進行F1共享載波的上行路徑損耗估計，會明顯降低NR上行速率，特別是邊緣速率。而在F3與F1的路徑損耗差固定的情況下，NR通過某種方式獲取F3與F1的路徑損耗差，并加入到上行路徑損耗的估計中，則將大大減少由于上行功控不準確所導致的NR上行鏈路速率損失。

表1 不同上行鏈路損耗估計方案下NR上行鏈路性能仿真結果

注：方案1：NR終端通過LTE F2載波下行參考信號直接進行路徑損耗估計；方案2：NR終端通過NR F3載波下行參考信號，并考慮F3和LTE上行載波F1間路徑損耗差來進行路徑損耗估計；方案3：NR終端通過NR F3載波下行參考信號直接進行路徑損耗估計，不考慮F3與F1間路徑損耗差。

因此，目前上行路徑損耗估算的最基本解決方案是NR基站通過空口消息，告知NR終端F1載波上行路徑損耗與F3載波路徑損耗的固定差異。但這種解決方案僅適用于在小區的不同位置，F3載波與F1載波路徑損耗的差值基本固定的情況。

4 結束語

5G NR在中高頻率上無線傳播能力的不足，是制約5G部署的關鍵因素之一。上文結合國內運營商4G和5G頻率使用現狀，所提出的NR與LTE上行載波共享技術，將LTE FDD上行載波用于NR上行鏈路，可以有效地提升5G上行覆蓋，是目前5G領域重點研究的覆蓋增強技術之一。而針對NR與LTE上行載波共享技術方案在實現中涉及頻域子載波配置、時域時間偏移和路徑損耗估算等難題，文中也給出了可行的解決方案。但由于該技術對NR與LTE間的耦合性要求很高，必然造成在應用場景上的諸多局限，比如4G/5G同廠家部署、4G/5G共站部署等，因此NR與LTE載波共享技術距離全面組網應用尚有一定的差距。

[1] 3GPP TR 38.913. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[S]. 2017.

[2] ITU. World Radiocommunication Conference 2015 Temporary Final File[R]. 2015.

[3] 工業和信息化部. 工業和信息化部關于第五代國際移動通信系統（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段相關事宜的通知（征求意見稿）[EB/OL]. (2017-06-05)[2017-08-25]. http：//www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057735/n3057748/c5672371/content.html.

[4] COST 231 TD(90) 119 Rev2. Urban transmission loss models for mobile radio in the 900 and 1800 MHz bands(recision 2)[R]. 1991.

[5] R1-1611681. Coexistence between NR and LTE[R]. 2016.

[6] R1-1613034. LTE-NR Coexistence[R]. 2016.

[7] R1-1701668. Considerations of NR UL operation[R].2017.

[8] R1-1704815. On uplink half-tone shift and LTE/NR co-existence[R]. 2017.

[9] R1-1709560. LTE performance in NR-LTE UL sharing[R]. 2017.

[10] R1-1706905. Overview of NR UL for LTE-NR coexistence[R]. 2017. ★

Research on 5G New Air Interface and LTE Carrier Sharing

CHEN Xiaodong, LIN Henghua
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

According to the status of existing 5G new air interface frequency allocation and the de fi ciency of 5G NR frequency band in RF propagation capability, the sharing scheme of NR and LTE uplink carrier was proposed. The key technical problems in the scheme such as subcarrier con fi guration in NR frequency domain, time offset in time domain and path loss estimation were analyzed in depth. Besides, the impact of NR and LTE sharing performance was addressed. Finally, the suggested con fi guration, limitation and developmental perspective of carrier sharing were presented based on technical analysis.

5G NR LTE carrier sharing

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.002

TN92

A

1006-1010(2017)17-0008-04

陳曉冬,林衡華. 5G新空口與LTE載波共享技術的研究[J]. 移動通信, 2017,41(17)： 8-11.

國家重大科技專項：5G高速連續廣域覆蓋技術方案與試驗系統研發（2016ZX03001009）；增強移動寬帶5G系統概念樣機研發（2017ZX03001001）

2017-08-25

責任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn

陳曉冬：高級工程師，碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事移動通信新技術研究與試驗工作。

林衡華：工程師，碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事移動通信射頻技術研究與試驗工作。