室分系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻譜共享方案

（中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的商用和5G 終端的普及，5G 時(shí)代的室內(nèi)業(yè)務(wù)占比預(yù)計(jì)會(huì)超過4G，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求相比4G 時(shí)代更為迫切。由于中國(guó)電信5G 室外網(wǎng)絡(luò)主要采用3.5 GHz 頻段進(jìn)行組網(wǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸將比之前的4G 系統(tǒng)損耗更大、穿透能力更弱，尤其對(duì)各類墻體介質(zhì)的穿透損耗相對(duì)更高，導(dǎo)致室外覆蓋室內(nèi)時(shí)深度覆蓋不足[1-2]。此外，現(xiàn)在2G/3G/4G/5G 共存狀態(tài)下，頻譜資源極度緊缺。因此，研究如何充分利用現(xiàn)有4G 室分系統(tǒng)資源來建設(shè)5G NR（New Radio）網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

對(duì)于室內(nèi)分布場(chǎng)景，目前階段中國(guó)電信5G 無線接入網(wǎng)規(guī)劃中的頻段主要為3.5 GHz 和2.1 GHz 這兩種頻段，室分系統(tǒng)的5G 組網(wǎng)方案可選思路為：5G 有源室分，主要基于NR 3.5 G；5G 無源室分，基于NR 3.5 G 或者NR 2.1 G 均可。建設(shè)3.5 G 有源室分投資巨大，約為無源室分造價(jià)的3-6 倍，并且新建場(chǎng)景入場(chǎng)施工協(xié)調(diào)工作量和難度較大。所以，室分系統(tǒng)在進(jìn)行NR 部署時(shí)，若可以利用已部署的頻譜開通NR，那將不僅能夠充分利用頻譜資源，提升頻譜使用效率，還能節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資。如果將室分系統(tǒng)中已部署的LTE 2.1 GHz 頻譜全部用做NR，那么只能在4G 清頻重耕后再使用，而5G 初期NR 終端較少，會(huì)致使頻譜資源浪費(fèi)，同時(shí)使得原有4G 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷加重。這樣就需要一種4G和5G 能共享頻譜的技術(shù)，初期是靜態(tài)頻譜共享，該技術(shù)是在同一頻譜段內(nèi)給不同制式的通信技術(shù)分別分配專用的載波。頻譜共享技術(shù)相當(dāng)于在同一頻段內(nèi)以頻分復(fù)用（FDD,Frequency Division Duplexing）的方式使用兩種通信技術(shù)，這種方案簡(jiǎn)單透明利于實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)其中一種通信制式用戶數(shù)量較少的情況下將會(huì)造成大量的頻譜資源浪費(fèi)[3-5]。而動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)（DSS,Dynamic Spectrum Sharing）能有效解決這個(gè)問題，增強(qiáng)頻譜使用的靈活性。目前還處在5G 發(fā)展的初期，現(xiàn)網(wǎng)中的絕大部分用戶還是駐留在原來的4G 網(wǎng)絡(luò)，駐留在5G 網(wǎng)絡(luò)中的用戶很少，可以動(dòng)態(tài)地分配更多頻譜資源給4G。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)和5G 終端的發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)中的用戶會(huì)越來越多，那就將更多的頻譜資源分配給5G。最后，所有的4G 用戶都轉(zhuǎn)為5G 用戶后，那就將整段頻譜資源給5G 用。

1 4G/5G動(dòng)態(tài)頻譜共享簡(jiǎn)介

1.1 動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)背景

4G/5G 動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)利用4G/5G 協(xié)同技術(shù)，根據(jù)不同制式的流量需求來進(jìn)行頻譜資源的共享，不僅能夠快速地完成頻譜資源的分配，還可以更充分地利用設(shè)備的容量讓其達(dá)到最佳性能。通過這種技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)可以在4G 和5G 之間動(dòng)態(tài)地共享頻譜，如圖1 所示，在LTE有余量的情況下，動(dòng)態(tài)引入NR，NR 與LTE 頻譜比例隨用戶接入動(dòng)態(tài)調(diào)整。DSS 場(chǎng)景下，5G 基站不但可以復(fù)用4G 的RRU（Remote Radio Unit）硬件設(shè)備，還可以與4G 基站共享相同的頻譜資源、共享相同的時(shí)頻資源，在節(jié)省了RRU 硬件資源的同時(shí)，還節(jié)省了頻譜資源。DSS滿足初期5G 用戶的接入，同時(shí)保證現(xiàn)網(wǎng)4G 用戶的體驗(yàn)，與現(xiàn)有的將同一頻段的頻譜拆分后為不同的系統(tǒng)分配單獨(dú)的頻譜資源有著很大的區(qū)別，可以更經(jīng)濟(jì)高效地進(jìn)行5G 部署，提升頻譜效率，且利于4G 和5G 之間平滑演進(jìn)。

圖1 4G/5G動(dòng)態(tài)頻譜共享示意圖

1.2 動(dòng)態(tài)頻譜共享部署

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)側(cè)，如若現(xiàn)網(wǎng)的4G 基站設(shè)備硬件已支持4G 和5G 混模，那就直接進(jìn)行軟件升級(jí)，無需上站更換硬件，可以做到最小化影響4G 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。如果現(xiàn)有基站不支持4G/5G 雙模，那么需要在原有的4G 基站增加5G基帶板，通過專用接口進(jìn)行調(diào)度，這樣就要求新增板卡和原基站必須是同一廠家的設(shè)備；還有一種方式就是將直接用支持4G/5G 多模的基站設(shè)備替換原基站，這樣成本會(huì)相應(yīng)增加。對(duì)于終端側(cè)，5G 終端須支持動(dòng)態(tài)頻譜共享特性，否則不能駐留在低頻段享受覆蓋增益，網(wǎng)絡(luò)還必須兼容現(xiàn)網(wǎng)的4G 終端，否則原有4G 終端無法在該4G頻段發(fā)起呼叫。

硬件改造完成后，還需要對(duì)LTE 系統(tǒng)和NR 系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行配置：

1）LTE 和NR 需要配置相同的中心頻點(diǎn)和帶寬；

2）LTE 需要配置LTE CRS（Cell Reference Signal）port 數(shù)；

3）LTE 和NR 需要配置PRACH（Physical Random Access Channel），配置上避免相互干擾；

4）LTE 的SRS 和NR 的SRS（Sounding Reference Signal）配置需要協(xié)同，以便避免NR 的SRS 與LTE 的PUSCH（Physical Uplink Shared Channel）產(chǎn)生干擾；

5）需要配置LTE CRS 和NR SSB（Single Side Band）等公共信道的避讓方案；

6）LTE 側(cè)需要配置功率信息；

7）NR 需配置SSB 和Corset0 的時(shí)頻域位置；

8）需要配置DSS 的優(yōu)先級(jí)。

2 4G/5G動(dòng)態(tài)頻譜共享關(guān)鍵技術(shù)方案

5G NR 物理層設(shè)計(jì)與4G LTE 物理層設(shè)計(jì)具有相似之處，這是4G 和5G 之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜即時(shí)頻資源PRB共享的基礎(chǔ)。在相同的子載波間隔和相似的時(shí)域結(jié)構(gòu)下，4G 和5G 之間動(dòng)態(tài)PRB 級(jí)別的頻譜共享才能可行[6]。動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)就是，在LTE 子幀中調(diào)度NR 用戶，同時(shí)確保下行鏈路的測(cè)量信號(hào)和同步信號(hào)不產(chǎn)生沖突，這樣就不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的4G 用戶產(chǎn)生影響，即確保5G NR 的參考信號(hào)SSB 或DMRS（Demodulation Reference Signal）與LTE 的參考信號(hào)CRS 在時(shí)頻資源分配上不會(huì)發(fā)生沖突。

LTE 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)非常成熟并已被廣泛應(yīng)用部署，系統(tǒng)中存在多種固定的信號(hào)需要發(fā)送。LTE CRS 是小區(qū)級(jí)別的參考信號(hào)，主要用于解調(diào)、測(cè)量等。LTE CRS 在固定的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）符號(hào)的整個(gè)系統(tǒng)帶寬上離散發(fā)送，即CRS 分布在全帶寬上，因此無論小區(qū)是否有用戶接收下行數(shù)據(jù)，CRS 都會(huì)全帶寬發(fā)送。此外，LTE 系統(tǒng)中的信號(hào)還包括同步廣播信道的主同步信號(hào)PSS（Primary Synchronization Signal）、輔同步信號(hào)SSS（Secondary Synchronization Signal）和物理廣播信道PBCH（Physical Broadcast Channel）。因此，在LTE 和NR 進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜共享的時(shí)候，NR 的下行信號(hào)發(fā)送不能映射到在LTE CRS 和同步廣播信道所發(fā)送的時(shí)頻域資源上[7]。為避免NR 調(diào)度下行業(yè)務(wù)的PDSCH 和LTE CRS 干擾，當(dāng)LTE 與NR 的SCS 都為15 kHz 時(shí)，可以運(yùn)用速率匹配方式，即可以配置NR 的終端在LTE 的CRS 的RE 執(zhí)行速率匹配。對(duì)于NR 的公共調(diào)度的PDSCH（SSB、RMSI、paging 等），不能做速率匹配，因此對(duì)于公共調(diào)度資源上的CRS，有三種主流策略：MBSFN（Multicast Broadcast Single Frequency Network）子幀、LTE 打孔和NR 打孔。其中LTE 避讓NR 方案可以采用基于MBSFN 子幀方案或者LTE CRS打孔方案，這兩者疊加使用亦可。

2.1 MBSFN子幀方案

5G NR 設(shè)備需要檢測(cè)同步信號(hào)塊才能接入網(wǎng)絡(luò)，為了在時(shí)間和頻率上保持同步，SSB 需要通過網(wǎng)絡(luò)定期發(fā)送。若要在已經(jīng)被LTE 占用的頻率信道上傳輸SSB，則需要定義一個(gè)發(fā)送間隔。為了在連續(xù)的LTE 傳輸中找到這樣的間隔，其中一種方式就是使用多媒體廣播單頻網(wǎng)絡(luò)（MBSFN）子幀。MBSFN 子幀不是在5G 出現(xiàn)的新概念，它是LTE 中已經(jīng)存在的一種特殊子幀配置，LTE CRS 僅承載在每個(gè)子幀的前兩個(gè)OFDM 符號(hào)上，其余的符號(hào)均沒有LTE 固定信號(hào)的發(fā)送，因此可以避免NR SSB 和LTE CRS 在時(shí)頻域資源上的沖突[7]。

構(gòu)成LTE 無線幀的10 個(gè)子幀中有6 個(gè)可以通過網(wǎng)絡(luò)配置為MBSFN 子幀，這些子幀可以是1、2、3、6、7 和8，如圖2 所示。為了盡可能減少對(duì)LTE 性能的影響，上述6 個(gè)可用的子幀中通常會(huì)配置盡量少的MBSFN子幀，此配置由LTE 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)信息塊SIB2（System Information Block2）進(jìn)行廣播。如果將SSB 與SIB1 配置在同一個(gè)子幀上，由于UE 不能在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)解調(diào)SSB 和SIB1，所以就需要兩個(gè)周期來完成解調(diào)，這樣必然會(huì)增加UE 的網(wǎng)絡(luò)搜索時(shí)間。鑒于以上原因，在一個(gè)周期內(nèi)配置合理的MBSFN 子幀數(shù)非常重要，建議優(yōu)先考慮一個(gè)周期配置兩個(gè)，將SSB 與SIB1 配置在不同的MBSFN 子幀上，M 子幀配置示例如圖3 所示。

圖2 LTE MBSFN子幀位置示意圖

圖3 動(dòng)態(tài)頻譜共享M子幀配置示例圖

2.2 LTE打孔方案

LTE CRS 打孔即在LTE CRS 與NR 信號(hào)發(fā)生沖突時(shí)，LTE 側(cè)在NR 公共調(diào)度PDSCH（SSB、RMSI、paging、Msg2、Msg4）對(duì)應(yīng)RE 上執(zhí)行CRS 降功率流程[3]，過程如圖4 所示。LTE 的CRS 與NR 的SSB、RMSI 等信道互相沖突，LTE 主動(dòng)打孔CRS，將會(huì)帶來一定的容量損失，為了盡可能降低對(duì)于LTE 下行容量的影響，LTE 可在打孔的子幀上進(jìn)行AMC（Adaptive Modulation and Coding）優(yōu)化，對(duì)基于CRS 解調(diào)的UE 采用MCS（Modulation and Coding Scheme）降階處理。越是近信號(hào)好的點(diǎn)，打孔后的損失越大，打孔的RB 越多，損失越大，打孔的RB 和損失之間并不是線性關(guān)系。DSS 場(chǎng)景下，LTE 打孔CRS 帶來的額外容量損失基本在3%～4%以內(nèi)。

圖4 LTE打孔示意圖

2.3 NR打孔方案

由于CRS 的普遍存在，所以無論LTE 載波負(fù)荷如何，LTE CRS 都會(huì)在固定的符號(hào)上發(fā)送。如果讓NR 的PDSCH信道避開LTE CRS 所在的OFDM 符號(hào)，那將導(dǎo)致兩個(gè)CRS子載波間的約2/3 的子載波不可用，造成資源浪費(fèi)。在NR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了避免LTE 和NR 之間的干擾，NR 會(huì)根據(jù)CRS 子載波位置對(duì)NR 的PDSCH 信道進(jìn)行特殊的時(shí)域資源映射設(shè)計(jì)，使得PDSCH 的數(shù)據(jù)能夠繞過CRS 子載波進(jìn)行映射，從而能夠有效利用這部分子載波。當(dāng)LTE 和NR 的OFDM 參數(shù)不相同時(shí)，兩者的子載波之間不完全正交，需要頻域保護(hù)間隔等手段進(jìn)行規(guī)避。另外，NR SSB 與LTE CRS之間的相互干擾也不能忽略，需要通過時(shí)域規(guī)避等手段來減弱干擾[8-9]。

NR 避讓LTE 方案有以下幾方面，配置示例如圖2 所示。

（1）NR 避 讓LTE 的 控 制 信 道（PCFICH、PHICH、PDCCH），NR 不在LTE PDCCH 符號(hào)上映射業(yè)務(wù)。

（2）NR 避讓LTE 的同步信號(hào)和廣播信號(hào)（PSS/SSS/PBCH），NR 在LTE 發(fā)送PSS/SSS/PBCH 子幀中間的部分載波上不承載業(yè)務(wù)。

（3）NR 業(yè)務(wù)避讓LTE 導(dǎo)頻，在LTE CRS 的位置上NR 不進(jìn)行業(yè)務(wù)映射，并通過SIB1 通知UE 在LTE CRS 上做速率匹配。

（4）NR 導(dǎo)頻避讓LTE 導(dǎo)頻，LTE 導(dǎo)頻時(shí)域位置固定于符號(hào)0/4/7/11，讓NR 配置業(yè)務(wù)的DMRS 避開這幾個(gè)符號(hào)。

NR 基站主動(dòng)打孔，此時(shí)LTE 的基站的CRS 照常發(fā)送，對(duì)于LTE 系統(tǒng)不產(chǎn)生額外的影響。打孔后要達(dá)到相同BLER的情況下需要的SINR 提升，解調(diào)性能會(huì)損失1 dB 左右。LTE 采用4Port 時(shí)，PSS 受到CRS 干擾，SSS 不受其干擾。LTE 2Port 下，PSS 和SSS 均不受CRS 的干擾。同時(shí)，為保證RMSI 的解調(diào)性能需要降低MCS。NR 在SSB 和RMSI 頻域位置，在LTE 的CRS 的RE 上主動(dòng)打孔，只影響NR 下行，對(duì)于NR 上行基本無影響。

3 室分2.1 GHz 20 MHz的動(dòng)態(tài)頻譜共享實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行2.1 GHz 20 MHz 的DSS 實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景選取了一個(gè)典型的辦公樓進(jìn)行測(cè)試，樓內(nèi)4G 用戶比較少，5G 用戶只有測(cè)試終端一個(gè)，室分系統(tǒng)是一個(gè)2.1 GHz 頻段的基站，基站原始部署是2.1 GHz 的LTE 雙路室分系統(tǒng)，天花板蘑菇頭全向天線分別覆蓋多個(gè)樓層。實(shí)驗(yàn)選取了高中低3 個(gè)樓層的15 個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別將小區(qū)配置成LTE ONLY 場(chǎng)景、NR ONLY 場(chǎng)景和DSS 場(chǎng)景，并在每個(gè)場(chǎng)景下進(jìn)行上下行業(yè)務(wù)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)信息，其中PDCP 層速率和RSRP 信息見圖5、圖6 和圖7。LTE ONLY 是只配置一個(gè)20 MHz 的2.1 G LTE 的4G 小區(qū)，可使用100 個(gè)PRB，NR ONLY 是在20 MHz 頻段內(nèi)僅配置了2.1 G NR 載波，可使用106 個(gè)PRB，而4G/5G DSS 方案則實(shí)現(xiàn)4G、5G 共享同1 個(gè)20M 載波，實(shí)行動(dòng)態(tài)分配頻譜資源。在實(shí)驗(yàn)中，為了最大化提高頻譜效率，在每個(gè)時(shí)隙進(jìn)行1 ms 級(jí)別動(dòng)態(tài)分配頻譜資源。因?yàn)樾^(qū)實(shí)際話務(wù)量瞬間波動(dòng)很大，如果動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間過長(zhǎng)，譬如達(dá)到100 ms，會(huì)導(dǎo)致某些5G 用戶的流量已經(jīng)從波峰切換到波谷時(shí)，小區(qū)調(diào)度器才從4G 轉(zhuǎn)換到5G，而這時(shí)的5G 用戶已經(jīng)不再需要被調(diào)度了。

圖5 各個(gè)測(cè)試點(diǎn)不同場(chǎng)景下的RSRP值

圖6 各個(gè)測(cè)試點(diǎn)不同場(chǎng)景下的上行PDCP層速率

圖7 各個(gè)測(cè)試點(diǎn)不同 場(chǎng)景下的下行PDCP層速率

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在LTE only 場(chǎng)景、NR only場(chǎng)景和DSS 場(chǎng)景下同一測(cè)試點(diǎn)的RSRP 值相當(dāng)，差距不大。從各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的PDCP 層速率來看，NR only 性能最好。DSS NR 有時(shí)候性能會(huì)惡化很多，用戶的體驗(yàn)比LTE用戶還差，是因?yàn)镈SS NR 除了開銷更多之外還會(huì)受到DSS LTE 鄰區(qū)的CRS 干擾。LTE only 的性能是大概率好于DSS LTE 的。實(shí)驗(yàn)室是在LTE 用戶很少的環(huán)境下進(jìn)行的，當(dāng)實(shí)際在現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行部署時(shí)，需結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)4G 站點(diǎn)LTE載波負(fù)荷、新建站點(diǎn)4G、5G 覆蓋需求等因素分場(chǎng)景選擇，方案特點(diǎn)如表1 所示：

表1 20 M NR與20 M DSS方案特點(diǎn)

4 結(jié)論

本文介紹了動(dòng)態(tài)頻譜共享的背景、關(guān)鍵技術(shù)方案以及室分DSS 實(shí)驗(yàn)。2.1 G NR only 與2.1 G DSS 相比，主要差別在于頻譜效率的差異，DSS 畢竟是在一定空口帶寬需要支持4G/5G 兩個(gè)制式，會(huì)帶來兩個(gè)制式的公共信道開銷，帶來容量損失，除了容量損失之外，DSS NR 還會(huì)受到DSS LTE 鄰區(qū)的CRS 干擾。雖然4G 和5G 是動(dòng)態(tài)共享的時(shí)頻資源，但很顯然，5G 基站消耗了4G 的頻譜資源，實(shí)際上對(duì)4G LTE 的性能也造成了影響。當(dāng)電聯(lián)共享后，2.1 GHz 可以拿出更大的帶寬來做DSS，大帶寬下NR 可以擁有獨(dú)享帶寬，相關(guān)的系統(tǒng)消息都配置在獨(dú)享帶寬，LTE 可以不配置MBSFN 子幀，這樣整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)更優(yōu)，這也是未來DSS 研究的一個(gè)很重要的方向。