5G NR FDD與WCDMA系統共存研究

1 概述

2002 年10 月，信息產業部公布了關于我國第3 代公眾移動通信系統的頻率規劃，將1 800 MHz 和2 100 MHz 頻段規劃用于FDD 方式的IMT 系統。2019 年6月，工信部向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照。隨著5G網絡的不斷壯大以及國內通信需求的不斷發展，中頻段重耕部署NR（New Ra?dio）FDD 系統成為可能，NR FDD 和WCDMA 將在該頻段長期鄰頻共存。在這種情況下，本文研究的NR FDD和WCDMA共存，就具有重要的理論價值和現實意義。

根據目前我國頻率劃分和使用情況，在中頻段部署NR FDD 系統，則NR FDD 與WCDMA 系統在該頻段鄰頻共存（見圖1）。2 個系統的干擾鏈路共有4 個場景，包括NR FDD 基站干擾WCDMA 終端，NR FDD 終端干擾WCDMA 基站，WCDMA 基站干擾NR FDD 終端，WCDMA終端干擾NR FDD基站。

2 系統建模和仿真方法

2.1 拓撲結構

2.1.1 宏蜂窩共站址拓撲結構

圖1 NR FDD與WCDMA鄰頻共存

使用宏蜂窩進行部署，采用3 扇區拓撲結構，WCDMA/NR FDD 基站共站部署，拓撲結構圖圖2 所示。

圖2 LTE FDD/WCDMA 與NR FDD宏蜂窩工作共站址拓撲

2.1.2 宏蜂窩非共站址拓撲結構

相對于共站部署，NR 亦可選擇在WCDMA 小區的邊緣部署基站，其拓撲結構圖如圖3所示，其中紅色標識為NR基站，黑色為現有基站。

圖3 LTE FDD/WCDMA 與NR FDD宏蜂窩不共站拓撲結構

2.2 傳播模型

基站與用戶的傳播模型可用如下公式計算：

式中：

f——載波頻率（MHz）

d——基站與用戶間距離（km）

hb——基站與平均建筑物的高度差，通常取15 m

在計算完L之后，需要加上10 dB標準差的陰影衰落系lgf，那么最終的傳輸損耗模型定義如下：

另外，傳輸損耗都不應小于自由空間傳播模型，即：

2.3 功率控制方式

2.3.1 WCDMA功控

WCDMA 系統采用的是基于SINR 的閉環功控，即通過功控調節，使上行或下行接收信號在不超過最大發射功率下能滿足目標Eb/N0 值（上行6.1 dB，下行7.9 dB）。

對于上行鏈路：

式中：

Gp——處理增益

S——接收信號功率

IOWN——與被觀察用戶連接到相同基站下的其他用戶產生的干擾

IOther——來自其他小區的干擾

N0——熱噪聲

β——在UL 中使用多用戶檢測（MUD）而產生的干擾降低因子，在本次仿真中未考慮MUD，即β取0

對于下行鏈路：

式中：

α——正交因子，宏蜂窩下假設為0.4

2.3.2 NR功控

下行鏈路無需使用功率控制，基站滿功率發射，給每個RB分配相同的功率。

上行傳輸功率控制模型，采取計算出控制功率并補償到發射功率上的方法。終端的發射功率如下式：

式中：

Pmax——移動臺最大發射功率

Rmin——與用戶最小發射功率有關的參數

CL——路徑耦合損耗，定義為max{pathloss-G_Tx-G_Rx,MCL}，其中pathloss 是傳播損耗加上陰影衰落，G_Tx是接收機方向上的發射機天線增益，G_Rx是發射機方向上的接收機天線增益功率控制參數如表1所示。

表1 功率控制算法參數

2.4 仿真參數

宏蜂窩基本參數見表2；NON AAS（Non Active An?tenna System）NR FDD 宏蜂窩系統參數見表3，AAS（Active Antenna System）NR FDD 宏蜂窩系統參數見表4；WCDMA宏蜂窩系統參數見表5。

3 系統仿真結果和分析

3.1 共站場景仿真結果

3.1.1 NR FDD基站干擾WCDMA終端

圖4 為NR FDD 基站干擾WCDMA 終端場景下仿真結果，可以看出當額外ACIR（Adjacent Channel Inter?ference Ratio）為0 dB：NR FDD NON AAS 與WCDMA共站址共存時，WCDMA 下行容量損失為1.36%；NR FDD AAS 與WCDMA 共站址共存時，WCDMA 下行容量損失為1.03%。以5%容量損失作為系統共存的評估標準，因此，在共站情況下，NR 基站干擾WCDMA 終端場景在3GPP 標準ACIR 值下可以共存，不需要額外ACIR。

表2 宏蜂窩基本參數

表3 NR FDD NON AAS宏蜂窩系統參數

表4 NR FDD-AAS宏蜂窩系統參數

表5 WCDMA宏蜂窩系統參數

圖4 共站：NR FDD基站干擾WCDMA終端

3.1.2 NR FDD終端干擾WCDMA基站

圖5 為基站采用NON AAS 時NR FDD 終端干擾WCDMA 基站場景下的仿真結果，可以看出當NON AAS NR FDD 采用set1 參數與WCDMA 共站址：額外ACIR為0 dB時，WCDMA上行容量損失為8.46%；額外ACIR 為3 dB 時，WCDMA 上行容量損失 為5%。當NON AAS NR FDD 采用set2 參數與WCDMA 共站址，額外ACIR 為0 dB 時，WCDMA 上行容量損失為0.86%。因此，以5%容量損失作為系統共存的評估標準，在共站情況下，NON AAS NR FDD 上行采用set1參數時會對WCDMA 上行造成有害干擾，需要額外3 dB ACIR 隔離度；NON AAS NR FDD 上行采用set2 參數時不會對WCDMA 上行造成有害干擾，不需要額外ACIR。

圖5 共站：NON AAS NR FDD 終端干擾WCDMA基站

圖6 為基站采用AAS 時NR FDD 終端干擾WCD?MA 基站場景下的仿真結果，可以看出當AAS NR FDD采用set1 參數與WCDMA 共站址：額外ACIR 為0 dB時，WCDMA 上行容量損失為0.89%；額外ACIR 為-6 dB 時，WCDMA 上行容量損失為5%。當AAS NR FDD采用set2 參數與WCDMA 共站址，額外ACIR 為0 dB時，WCDMA 上行容量損失為0.15%。因此，以5%容量損失作為系統共存的評估標準，在共站情況下，AAS NR FDD 上行無論采用set1 參數還是set2 參數均不會對WCDMA 上行造成有害干擾，不需要額外ACIR。

3.1.3 WCDMA基站干擾NR FDD終端

圖6 共站AAS NR FDD終端干擾WCDMA基站

圖7 共站：WCDMA基站干擾NR FDD終端

圖7 為WCDMA 基站干擾NR FDD 終端場景下的仿真結果，可以看出當額外ACIR 為0 dB：NR FDD NON AAS 與WCDMA 共站址時，NR 下行吞吐量損失為3.55%；NR FDD AAS 與WCDMA 共站址時，NR 下行吞吐量損失為4.26%。以5%吞吐量損失作為系統共存的評估標準，因此，在共站情況下，無論NON AAS還是AAS，NR FDD 與WCDMA 可共存；WCDMA 下行不會對NR造成有害干擾。

3.1.4 WCDMA終端干擾NR FDD基站

圖8 為WCDMA 終 端干擾NON ASS NR FDD 基 站場景下的仿真結果，可以看出當額外ACIR 為0 dB：NON ASS NR FDD 上行采用set1 參數與WCDMA 共站址時，NR上行吞吐量損失為0.36%；NR FDD NON AAS上行采用set2 參數與WCDMA 共站址時，NR 上行吞吐量損失為1.86%。圖9 為WCDMA 終端干擾ASS NR FDD 基站場景下的仿真結果，可以看出：當NR FDD AAS 上行采用set1 參數與WCDMA 共站址時，NR 上行吞吐量損失為0.23%；當NR FDD AAS 上行采用set2參數與WCDMA 共站址時，NR 上行吞吐量損失為0.49%。因此，在共站情況下，無論NON AAS 還是AAS，NR FDD 與WCDMA 可共存；WCDMA 上行不會對NR FDD上行造成有害干擾，不需要額外ACIR。

圖8 共站：WCDMA終端干擾NR NON AAS FDD 基站

圖9 共站：WCDMA終端干擾NR AAS FDD基站

3.2 非共站場景仿真結果

3.2.1 NR FDD基站干擾WCDMA終端

圖10為NR FDD 基站干擾WCDMA 終端場景下仿真結果，可以看出：當額外ACIR 為0 dB 時，NON AAS NR FDD 與WCDMA 非共站址共存，WCDMA 下行容量損失為4.52%；AAS NR FDD 與WCDMA 非共站址共存，WCDMA 下行容量損失為1.61%。以5%容量損失作為系統共存的評估標準，因此，在非共站情況下，NR基站干擾WCDMA終端場景在3GPP理論ACIR值下可以共存，不需要額外ACIR。

圖10 非共站：NR FDD基站干擾WCDMA終端

3.2.2 NR FDD終端干擾WCDMA基站

圖11 為基站采用NON AAS 時NR FDD 終端干擾WCDMA 基站場景下的仿真結果，可以看出當NON AAS NR FDD 采用set1參數與WCDMA 非共站址：額外ACIR 為0 dB 時，WCDMA 上行容量損失為55.33%%；額外ACIR 為12 dB 時，WCDMA 上行容量損失為5%。當NON AAS NR FDD 采用set2 參數與WCDMA 非共站址，額外ACIR 為0 dB 時，WCDMA 上行容量損失為4.18%。因此，以5%容量損失作為系統共存的評估標準，在非共站情況下，NON AAS NR FDD 上行采用set1參數時會對WCDMA 上行造成有害干擾，需要額外12 dB ACIR，采用set2參數時不會對WCDMA 上行造成有害干擾，不需要額外ACIR。

圖11 非共站：NON AAS NR FDD 終端干擾WCDMA基站

圖12 為基站采用AAS 時NR FDD 終端干擾WCD?MA 基站場景下的仿真結果，可以看出當AAS NR FDD采用set1 參數與WCDMA 非共站址：額外ACIR 為0 dB時，WCDMA 上行容量損失為10.99%；額外ACIR 為3 dB，WCDMA 上行容量損失為5%。當AAS NR FDD 采用set2 參數與WCDMA 非共站址，額外ACIR 為0 dB時，WCDMA 上行容量損失為0.94%。因此，以5%容量損失作為系統共存的評估標準，在非共站情況下，NR FDD AAS 上行采用set1 參數時會對WCDMA 上行造成有害干擾，需要額外3 dB ACIR 隔離度，采用set2參數時不會對WCDMA 上行造成有害干擾，不需要額外ACIR。

圖12 非共站：AAS NR FDD終端干擾WCDMA基站

3.2.3 WCDMA基站干擾NR FDD終端

圖13為WCDMA 基站干擾NR FDD 終端場景下的仿真結果，可以看出當額外ACIR 為0 dB：NON AAS NR FDD 與WCDMA 非共站址共存時，NR 下行吞吐量損失為3.82%；AAS NR FDD 與WCDMA 非共站址時，NR 下行吞吐量損失為4.76%。以5%吞吐量損失作為系統共存的評估標準，因此，在非共站情況下，無論NON AAS 還是AAS，NR FDD 與WCDMA 可共存；WCDMA下行不會對NR造成有害干擾。

圖13 非共站：WCDMA基站干擾NR FDD終端

3.2.4 WCDMA終端干擾NR FDD基站

圖14 為WCDMA 終端干擾NON ASS NR FDD 基站場景下的仿真結果，可以看出當額外ACIR 為0 dB ：NR FDD NON AAS 上行采用set1 參數與WCDMA 非共站址時，NR 上行吞吐量損失為1.86%；NR FDD NON AAS 上行采用set2 參數與WCDMA 非共站址時，NR 上行吞吐量損失為4.71%。圖15 為WCDMA 終端干擾ASS NR FDD 基站場景下的仿真結果，可以看出：當AAS NR FDD 上行采用set1 參數與WCDMA 非共站址時，NR 上行吞吐量損失為0.71%；當AAS NR FDD 上行采用set2 參數與WCDMA 非共站址時，NR 上行吞吐量損失為1.44%。因此，在非共站情況下，無論NON AAS 還是AAS，NR FDD 與WCDMA 可共存；WCDMA上行不會對NR FDD 上行造成有害干擾，不需要額外ACIR。

圖14 非共站：WCDMA終端干擾NR NON AAS FDD 基站

圖15 非共站：WCDMA終端干擾NR AAS FDD基站

4 結論

本文研究了中頻段5G NR FDD 與WCDMA 的系統共存，分析了共站和非共站2 種場景，set1 和set2 2種功控參數，以及AAS 和NON-AAS 2 種NR 天線模型對系統間共存的影響。研究表明，NR FDD 終端干擾WCDMA 基站場景干擾較大，建議采用合適的上行功控參數。其他場景均滿足共存要求，不需要額外保護措施。5G NR FDD 與WCDMA 系統共存研究表明，AAS相對NON AAS效果明顯，推薦中頻段采用AAS。