4G/5G LNR動態(tài)頻譜共享技術(shù)

李暉暉

（中國移動通信集團(tuán)廣東有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

5G 新制式的引入，為運營商的頻譜分配帶來新的挑戰(zhàn)，如何進(jìn)一步盤活現(xiàn)有頻譜資源，推動新老制式之間高效快速更迭，是未來移動通信技術(shù)發(fā)展必須解決的難題。頻譜共享方案，是應(yīng)對不同制式網(wǎng)絡(luò)的頻譜演進(jìn)過程中頻譜利用率不足而提出的頻譜云化概念。目前國際以及國內(nèi)頻譜共享技術(shù)主要包括如下幾大類：多運營商頻譜共享、集中式同等級頻譜共享（co-primary sharing）、分布式共享、運營商內(nèi)部頻譜共享[1-2]。其中運營商內(nèi)部頻譜共享在2G/3G/4G 時代已經(jīng)提出，使用效果也最為明顯，其他幾項受跨運營商配合問題、跨設(shè)備改造困難問題、終端成熟度問題等，實際落地較為困難。本文重點研究運營商內(nèi)部頻譜4G/5G 頻譜共享技術(shù)，實現(xiàn)5G 演進(jìn)快速部署、4G 高負(fù)荷問題有效緩解的目的。工信部2018 年給中國移動頒布2.6 G 160 M 頻譜資源，當(dāng)前移動LTE頻段已經(jīng)占用60 M。LNR（LTE and NR 4G 網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)）頻譜共享技術(shù)，改變傳統(tǒng)的“Refarming”模式，實現(xiàn)了制式和頻譜的解耦。同一段頻譜可以同時被多個制式調(diào)度，提升頻譜使用效率[3]。LTE 與5G 網(wǎng)絡(luò)間的動態(tài)頻譜共享，提高現(xiàn)有頻譜資源的利用率，降低5G 大帶寬建設(shè)前期LTE 移頻帶來的風(fēng)險[4]。本文對傳統(tǒng)多頻多制式組網(wǎng)頻譜使用方式進(jìn)行研究，提出了LNR 頻譜共享技術(shù)，對全球5G 網(wǎng)絡(luò)及垂直行業(yè)快速發(fā)展具有一定的參考價值。

1 LNR動態(tài)頻譜共享技術(shù)原理

1.1 LNR動態(tài)頻譜共享技術(shù)原理

NR 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，分為兩個階段。第一個階段是NR 網(wǎng)絡(luò)的部署初期，5G 用戶群體小、數(shù)量少，NR 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低，同期LTE 用戶群體大、數(shù)量多，LTE 網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載，LTE網(wǎng)絡(luò)預(yù)計更多的占用共享頻譜。第二階段是NR 網(wǎng)絡(luò)的部署成熟期，5G 用戶群體激增，NR（New Radio，新空口技術(shù)，代指5G 網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載，LTE 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載持續(xù)下降，NR 網(wǎng)絡(luò)預(yù)計更多的占用共享頻譜[5]。

在2.6 G 頻段（2 515 —2 675 MHz）內(nèi)，LTE 和NR動態(tài)共享基本配置如圖1 所示，當(dāng)NR 話務(wù)量低于門限值時，NR 可以向LTE 小區(qū)共享出頻譜資源，當(dāng)LTE 話務(wù)量低于門限值時，LTE 可以向NR 小區(qū)共享出頻譜資源（載波級資源共享）。同一時間內(nèi)共享載波只給一個制式使用[6]。

典型160 MHz 場景下，NR 配置100 M 的系統(tǒng)帶寬，LTE 最大配置5CC，其中LNR 共享頻譜為40 MHz（LTE CC3、LTE CC4）；LTE 和NR 之間的載波級共享，通過NR 的BWP（Bandwidth Part 部分帶寬）重配，以及LTE 的載波級快速靜默/激活實現(xiàn)。

目前，LNR 動態(tài)頻譜共享，主要依據(jù)制式間的負(fù)載來進(jìn)行自動判定判定。共享信道在網(wǎng)絡(luò)側(cè)按照20 M 粒度分為兩個單元，每個單元按照LTE 和NR 負(fù)載狀態(tài)自動進(jìn)行制式間的切換與話務(wù)遷移算法，兼顧NR 網(wǎng)絡(luò)的競爭力與LTE 網(wǎng)絡(luò)的容量問題[7]。

圖1 LNR動態(tài)頻譜共享原理

LNR 動態(tài)頻譜共享關(guān)鍵技術(shù)要點如表1 所示：

表1 LNR動態(tài)頻譜共享關(guān)鍵技術(shù)要點

1.2 LNR動態(tài)頻譜共享消息流程

LNR 動態(tài)頻譜共享流程如圖2 所示，LTE 與NR 網(wǎng)絡(luò)周期上報各自負(fù)載（PRB 利用率、用戶數(shù)等）情況，LTE 和NR 側(cè)LNR 協(xié)同調(diào)度器每秒鐘分別計算濾波值并更新LNR 當(dāng)前頻譜共享狀態(tài)[8]，并依據(jù)設(shè)置的判決保護(hù)時間（為避免LNR 發(fā)生頻繁帶寬轉(zhuǎn)變，故加入保護(hù)時間機(jī)制）進(jìn)行判定是否進(jìn)入頻譜共享或頻譜遷移等。

圖2 LNR動態(tài)頻譜共享消息流程

為方便讀者理解LNR 動態(tài)頻譜共享實現(xiàn)過程中的核心要點，對流程細(xì)節(jié)不再贅述。核心內(nèi)容是以下五項功能的實現(xiàn)，組成了完整的LNR 頻譜制式切換。

1）LTE/NR 負(fù)載上報周期

LTE 和NR 每秒鐘上報各自負(fù)載信息：

◆1 秒鐘平均PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）利用率；

◆1 秒鐘平均RRC 連接用戶數(shù)。

2）阿爾法濾波值計算/頻譜狀態(tài)更新

LTE 和NR 側(cè)LNR 協(xié)同調(diào)度器每秒鐘分別計算濾波值并更新LNR 當(dāng)前頻譜共享狀態(tài)。

3）NR 頻譜共享狀態(tài)為以下四種：

◆頻譜共享出；

◆頻譜共享入；

◆頻率低使用率；

◆不共享。

4）LTE 頻譜共享狀態(tài)為以下四種：

◆頻譜共享出；

◆頻譜共享入；

◆頻率低使用率；

◆不共享。

5）判決保護(hù)時間

每次LNR 共享頻譜使用狀態(tài)發(fā)生變化時，啟動判決保護(hù)定時器[9]（5～30 分鐘自由選擇配置）：

◆定時器到時：啟動LNR 頻譜共享流程；

◆定時器不到時：不啟動LNR 頻譜共享流程。

2 LNR動態(tài)頻譜共享增益影響分析

開啟TDD LNR 頻譜共享后，由于不同小區(qū)共享狀態(tài)不同，會引入TDD LNR 同頻干擾。同頻干擾強(qiáng)度和話務(wù)模型，話務(wù)忙閑時以及干擾源功率配置相關(guān)。根據(jù)實驗室環(huán)境及預(yù)估工具分析NR/LTE 增益變化如表2 所示。

LTE 共享載波擴(kuò)容場景下，本特性開啟后，增加了同覆蓋共享載波個數(shù)，類似于LTE 擴(kuò)容場景。若特性開通前后，用戶數(shù)以及容量保持不變，由于共享載波的加入，分流了部分用戶，可觀測到原LTE 小區(qū)上下行平均吞吐率下降[10]，用戶體驗速率持平或者抬升，其余KPI 指標(biāo)保持平穩(wěn)。

3 LNR動態(tài)頻譜共享同頻異制式干擾問題分析

3.1 LNR頻譜共享產(chǎn)生同頻干擾原因

部署TDD LNR 頻譜共享后，LTE 和NR 均為OFDM符號，LTE 子載波間隔15 kHz，NR 子載波間隔常規(guī)配置為30 kHz，且?guī)L、時隙配比4G/5G 保持一致，即時域和頻域均對齊。LTE 和NR 產(chǎn)生同頻干擾主要在三個方面：

（1）PBCH/SSS/PSS 廣播：LTE 持續(xù)在一個寬波束進(jìn)行發(fā)送；而NR 最大支持8 個窄波束進(jìn)行輪詢發(fā)送，將干擾隨機(jī)化。故產(chǎn)生同頻干擾時，4G 對5G 干擾較大，5G 對4G 干擾較小。

（2）參考信號（導(dǎo)頻）：LTE CRS 持續(xù)發(fā)送；而NR 無CRS，采用CSI-RS，在有用戶調(diào)度時才發(fā)送，大大減少了同頻干擾。故產(chǎn)生同頻干擾時，5G 對4G 干擾較小。

（3）數(shù)據(jù)子載波：LTE 與NR 一致，只有在有數(shù)據(jù)傳輸時，才會發(fā)送數(shù)據(jù)子載波。

3.2 LNR動態(tài)頻譜共享同頻干擾抑制功能

考慮到LNR 頻譜共享特性會引入更大的LNR 同頻干擾問題，影響該特性增益效果，故對干擾頻段開啟同頻干擾抑制功能。實現(xiàn)頻譜分配不僅考慮負(fù)荷因素，同時考慮干擾水平因素，實現(xiàn)相鄰小區(qū)同頻干擾最低，頻譜效率最高。

表2 NR預(yù)估增益分析表（規(guī)模組網(wǎng)）

LNR 頻譜動態(tài)干擾抑制功能原理如圖3 所示：

圖3 LNR頻譜動態(tài)干擾抑制功能原理

（1）步驟一：干擾頻段與非干擾頻段獨立測量。

1）上行：通過SRS（Sounding Reference Signal，測量參考信號）分段測量干擾水平，選擇頻譜效率最高的頻譜調(diào)度策略；

2）下行：通過CSI-RS（Channel State Information Reference Signal，信道狀態(tài)信息參考信號）分段測量干擾水平，選擇頻譜效率最高的頻譜調(diào)度策略。

（2）步驟二：基于分段測量結(jié)果，計算最優(yōu)的頻譜效率，針對每UE 選擇最優(yōu)的頻譜調(diào)度策略，可調(diào)度的頻譜組合為60 M/80 M/100 M。

干擾頻段與非干擾頻段分段測量結(jié)果如圖4 所示。

此特性增益預(yù)期：開啟LNR 同頻干擾抑制功能后，相比于無干擾區(qū)域，小區(qū)平均吞吐率NR 小區(qū)平均吞吐率下降由原來不開啟同頻干擾抑制10%～40%，提升為現(xiàn)在僅降低0～10%（依賴于話務(wù)模型和用戶分布）。

4 LNR動態(tài)頻譜共享應(yīng)用效果

4.1 LNR頻譜共享測試驗證單站功能驗證

本特性在現(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)驗證，后臺需要配置高負(fù)載識別門限：PRB＞某一門限+偏置；低負(fù)載識別門限：PRB＜門限-偏置；單站功能驗證選擇的站點為深圳龍華二D 站，小區(qū)帶寬配置為1NR（100 M）+3LTE（60 M）。

分別測試NR 動態(tài)調(diào)度60 M/80 M/100 M 帶寬下的速率變化情況。

頻譜共享方案如圖5 所示。

方案一配置：LTE 搶占40 M 頻譜，NR 可用帶寬為60 MHz，LTE D1/D2 載波為共享激活，D3 為獨享激活。

方案二配置：NR 搶占20 M 頻譜，NR 可用帶寬為80 MHz，LTE D1 載波為靜默激活，D2 為共享激活，D3 為獨享激活。

方案三配置：NR 搶占40 M 頻譜，NR 可用帶寬為100 MHz，LTE D1/D2 載波為靜默激活，D3 為獨享激活。

對比三種方案下NR 速率變化情況如圖6 所示。

圖4 干擾頻段與非干擾頻段分段測量結(jié)果

圖5 頻譜共享方案

圖6 NR占用60 M/80 M/100 M帶寬下單站測試速率對比

測試結(jié)論表明，選擇單站定點用戶測試，LNR 頻譜共享100%生效。LTE 低負(fù)載時，NR 頻譜搶占功能正常，NR 100 M 相比NR 60 M，上載速率增益為55.6%，下載速率增益為65.3%

4.2 LNR頻譜共享測試驗證簇拉網(wǎng)驗證

選擇一片LTE 和NR 連續(xù)覆蓋區(qū)域，利用LTE 閑忙時段，分別測試NR 生效60 M 和生效100 M 場景下拉網(wǎng)速率提升幅度，同時對比NR 開啟60 M 和100 M，拉網(wǎng)RSRP 是否存在覆蓋差異。

方案一：LTE 重載場景，D1D2 共享載波分配給4G，NR 生效60 M，進(jìn)行NR 拉網(wǎng)驗證。

首先記錄NR 60 M 時，該網(wǎng)格拉網(wǎng)RSRP 情況如圖7 所示，平均RSRP 為-79.53 dBm。

圖7 NR占用60 M帶寬下拉網(wǎng)測試RSRP結(jié)果

該網(wǎng)格NR 60 M 拉網(wǎng)下載速率情況如圖8 所示，平均下載速率為668 Mbit/s。

圖8 NR占用60 M帶寬下拉網(wǎng)測試下載速率結(jié)果

方案二：LTE 輕載場景，D1D2 共享載波分配給5G，NR 生效100 M，進(jìn)行NR 拉網(wǎng)驗證。

測試次數(shù)20 以上，LNR 頻譜共享100% 生效。NR 100 M 帶寬下，拉網(wǎng)RSRP 如圖9 所示，平均RSRP為-78.96 dBm。相對60 M 提升0.57 dBm。對比圖9 和圖10，整個簇平均RSRP 水平保持一致，說明NR 帶寬變化過程中功率自動補(bǔ)齊，不存在覆蓋損失。

圖9 NR占用100 M帶寬下拉網(wǎng)測試RSRP結(jié)果

該網(wǎng)格NR 100M 拉網(wǎng)下載速率情況如圖10 所示，平均下載速率892 Mbit/s，NR 拉網(wǎng)速率整體提升33.53%。

測試結(jié)論表明，LTE 重載場景，NR 占用60 M，LTE 輕載時，NR 占用100 M；NR 占用100 M 相比NR占用60 M 的下行速率增益為33.53%。同時對比圖9 和圖10，整個簇平均RSRP 水平保持一致，在NR 動態(tài)頻譜共享過程中，覆蓋不會發(fā)生變化。

圖10 NR占用100 M帶寬下拉網(wǎng)測試下載速率結(jié)果

LNR 頻譜共享進(jìn)行驗證總結(jié)如下：

驗證點1：通過單站定點用戶測試，在優(yōu)先級分別為公平、LTE 優(yōu)先、NR 優(yōu)先場景，LNR 頻譜搶占功能均正常，NR 使用帶寬100 M 的速率相比NR 使用帶寬為60 M 速率增益為65.3%。

驗證點2：NR 連片拉網(wǎng)評估符合預(yù)期，NR 帶寬占用100 M 相比NR 占用60 M，覆蓋不會變化，用戶感知速率增益為33.53%。

通過單站定點用戶測試，NR 占用帶寬100 M 相比NR 60 M 速率增益為65.3%。如圖7 和圖9 中NR 連片拉網(wǎng)評估結(jié)果表明，NR 帶寬占用100 M 相比NR 占用60 M，整個簇平均RSRP 水平保持一致，覆蓋不會收縮；對比圖8和圖10，用戶感知速率增益為33.53%。

5 結(jié)論

本文主要介紹了4G/5G LNR 動態(tài)頻譜共享方案的實現(xiàn)原理以及實際應(yīng)用效果。LNR 動態(tài)頻譜共享依據(jù)制式間的負(fù)載來進(jìn)行自動判定判定。共享信道在網(wǎng)絡(luò)側(cè)按照20 M 粒度分為兩個單元，每個單元按照LTE 和NR 負(fù)載狀態(tài)自動進(jìn)行制式間的切換與話務(wù)遷移算法，兼顧NR 網(wǎng)絡(luò)的競爭力與LTE 網(wǎng)絡(luò)的容量問題。根據(jù)經(jīng)驗估算，本特性可以實現(xiàn)在NR 側(cè)10%～50% 的容量增益。但是由于此特性會引入相鄰小區(qū)間同頻異制式干擾問題，本文從同頻干擾產(chǎn)生的原因分析，引入同頻干擾抑制功能。即LNR 頻譜動態(tài)分配不僅考慮負(fù)載因素，還需分段測量干擾頻段內(nèi)干擾水平，計算出最佳頻譜效率，決定干擾頻段供LTE 使用還是NR 使用。最終在實際驗證過程中，取得滿意效果。