4.9 GHz靈活雙工性能分析及優化方案

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100032）

0 引言

4.9GHz 是全球5G 部署核心頻段之一，相比于5G 2.6 GHz頻段采用5 ms 幀結構配置，5G 4.9 GHz 頻段可實現較靈活的幀配置，其在特定配置下的性能存在明顯優勢。但差異化的幀結構配置雖然滿足不同場景的業務需求，也可能導致不同基站之間、終端之間存在干擾問題。中國移動在靈活雙工方面建立了干擾共存評估體系，實現了蜂窩系統首次使用TDD 頻段靈活雙工組網，開展了干擾優化方案研究和試點，進一步引導產業提升靈活雙工性能和技術成熟度。

本文將從靈活雙工配置方案需求和目標出發，聚焦于干擾共存評估體系和干擾優化方案的研究進展，并根據試點結果提供相應的應用建議。

1 靈活雙工配置方案

考慮到4.9 GHz 的頻段特征、幀結構靈活配置，以及產業進展等因素，5G 4.9 GHz 可用于補盲補熱場景、上行大帶寬場景、2.6 GHz/4.9 GHz 雙頻組網場景、低時延高可靠場景以及封閉和孤立等場景[1]。

面向5G 個人用戶，相比于5G 2.6 GHz 頻段，4.9 GHz頻段的傳播損耗高8～10 dB，穿透損耗高6～8 dB，覆蓋能力稍弱。因此，建議考慮2.6 GHz 作為基礎覆蓋，4.9 GHz 用于補盲補熱，匹配用戶需求。

如圖1 所示，面向5G 行業用戶，由于業務種類繁雜，速率要求、時延要求、安全要求等相比于個人用戶存在較大差異。上行大帶寬是5G 行業應用的一大特點。視頻監控、遠程控制和機器視覺等為行業的典型應用場景，均存在對大上行能力的要求。例如，高清視頻監控、輪吊遠程操控、AR/4K/8K 高清娛樂直播等場景，單終端上行速率可達30 Mbit/s，且經常多終端業務并發，要求單小區上行速率至少達到300 Mbit/s；工業視覺檢測、數據轉儲等場景，單終端上行速率可達600 Mbit/s。

圖1 垂直行業需求[2]

因此，5G 2.6 GHz 頻段在典型配置下的上行能力相對受限，難以滿足大上行應用需求。而4.9 GHz 頻段具備差異化幀結構配置的可行性，可獲得差異化的上行和下行能力，進而提供更高的用戶體驗和小區容量。綜合考慮公網、行業網需求，4.9 GHz 實際能力限制，各幀結構配置性能以及產業支持程度，協議標準支持情況等多方面因素，4.9 GHz 在2 保護符號（GP）30 kHz 子載波間隔下采用了如圖2 所示兩種幀結構：

圖2 大上行與大下行幀結構示意圖

2 靈活雙工干擾共存評估體系

當兩個TDD 系統在覆蓋重疊區域使用4.9 GHz 頻段差異化幀結構配置時，如4.9 GHz 行業網采用1D1S3U（受擾站），公網采用5D2S3U（施擾站），可能存在交叉時隙干擾問題，如圖3 所示：

圖3 異幀組網交叉干擾示意圖

4.9GHz 產業成熟度較低，交叉干擾試驗網絡環境搭建復雜（測試樣本點少、信道環境復雜、工參多樣化），提供普適性的干擾共存技術結論和靈活雙工組網建設指導建議存在風險。首先，受限于施工建設和物業協調，可供測試的場景樣本點較少；然后，信道環境多邊且難以擬合準確，無法通過理論分析推導出交叉部署指導建議；最后，實際外場工程規劃和建設情況呈多樣化，無法給出普適性的技術結論。因此，本節建立了靈活雙工干擾共存評估體系，含創新測試方案和理論分析模型，其涉及的應用場景如下。

（1）場景一：宏站與宏站，下行對上行干擾；

（2）場景二：宏站與皮站，宏站下行對皮站上行干擾；

（3）場景三：微站與皮站，微站下行對皮站上行干擾。

2.1 創新測試方案

針對上述問題，為降低施工建設復雜度和提高測試效率，本節創新提出了2 步映射測試方案，具體步驟如下：

（1）根據現網典型工參，如站高、下傾角、方位角，天線衰減等，理論推導出受擾站底噪抬升NdB 所需的隔離距離dI，選擇最接近的實際站址開展測試，記為施擾站A，受擾站B，隔離距離dI。

（2）如圖4 所示，在施擾站A 和受擾站B 的組網區域內，保持孤站場景，開啟施擾站A，發射功率記為P。加擾終端UE1位于施擾站A 與受擾站B 的連線方向小區邊緣位置發起下行滿灌包業務。在步驟1 中推導出的隔離距離dI，上下浮動一定距離，步長為d，記錄此時的實際隔離距離DI，記為{…,d1-d,d1,d1+d,…}。并將掃頻儀放置于在隔離距離為DI的樓宇中模擬受擾站建設位置，統計底噪抬升值，找到底噪抬升值為NdB 的模擬站點，記錄所有模擬站點的掃頻儀底噪抬升值與實際環境配置參數，得到不同隔離距離與掃頻儀底噪的關系，記為：

圖4 步驟2，通過掃頻儀獲取不同距離底噪抬升值過程的示意圖

（3）如圖5 所示，將掃頻儀放置于受擾站B 處，以一定步長，逐步降低施擾站A 的發射功率，找到步驟2 中所記錄的掃頻儀底噪值，此時記錄施擾站A 的發射功率為{P1,P2,…,Pn}。開啟受擾站B，施擾站A 分別配置發射功率為{P1,P2,…,Pn}，測試終端UE2發起上行full buffer 業務，鎖定受擾站進行遍歷測試，記錄SSB RSRP 與上行速率，得到掃頻儀底噪與業務速率ThpUL的關系，記為：

圖5 步驟3，通過降功率模擬不同底噪抬升水平，獲取掃頻儀底噪與業務速率關系的示意圖

（4）將步驟2 中所得到的隔離距離與掃頻儀底噪的關系，映射到步驟3 中得到的掃頻儀底噪與業務速率關系，最終可以得到不同隔離距離下的業務速率，記為：

2.2 理論分析模型

針對典型現網環境，本節建立了干擾共存的理論分析模型，以獲取靈活雙工組網的隔離度要求。

（1）單站組網場景

針對單站組網場景，本設計方案的具體流程如下：

1）如圖6 所示，當受擾站B 的底噪抬升NdB 時，所接收到施擾站A 的干擾信號強度PI為：

圖6 交叉干擾組網中施擾站和受擾站的示意圖

其中，PI的單位為dBm/MHz，NF 為受擾站的噪聲系數，-174 dBm/Hz 為理論白噪聲。

2）由設備參數計算出底噪抬升NdB 時，所需要的隔離度（MCL）要求，記為：

其中，PA為施擾站發射功率，GA和GB分別為施擾站和受擾站的系統總增益，GD為下傾角的損耗，loss 為墻體穿透損耗。

3）根據MCL 要求，基于3GPP 協議信道估計模型推導得出相應的隔離距離要求[3-4]，其中，信道模型包括典型城區（Uma）與非直視（NLOS）兩種場景，分別記為：

其中，W為施擾站與受擾站連線方向上的平均街道寬，h為平均樓宇高度，hUT和hBS為受擾站高和施擾站高，fc為中心頻率，d3D為所需的隔離距離。

基于上述理論分析模型，干擾共存隔離度的評估結果如下：

1）場景一（宏站與宏站）：如表1 所示，非直視場景需要5～34 km 隔離距離，基站高度越低、平均樓宇越高、隔離距離越大，交叉干擾越小。

表1 場景一：理論隔離距離要求

2）場景二（宏站與皮站）：如表2 所示，非直視場景需要0.3～1.7 km（鋼混材質）、1.2～3.0 km（玻璃幕）隔離距離，除基站和樓宇高度等影響因素以外，墻體穿透損耗越大，隔離距離越大，交叉干擾越小。

表2 場景二：理論隔離距離要求

3）場景三（微站與皮站）：如表3 所示，非直視場景隔離距離需要0.3～0.7 km（鋼混材質）、0.4～1.0 km（玻璃幕），交叉干擾程度的影響因素與場景二相同。

表3 場景三：理論隔離距離要求

理論分析的隔離距離區間較大，原因主要為不同外場的環境參數差異較大，其中基站站高、平均樓宇高度為影響隔離距離的主要因素。

（2）多站組網場景

針對多站組網場景，如圖7 所示，考慮19 個施擾站小連片組網區域干擾強度的線性疊加，獲取干擾共存的隔離度的評估結果如下。

圖7 多對單小連片場景網絡拓撲示意圖

1）場景一（宏站與宏站）：如圖8 所示，隔離距離要求40～102 km。

圖8 宏對宏多對單場景隔離距離與底噪抬升值的理論計算曲線

2）場景二（宏站與皮站）：如圖9 所示，鋼混材質，隔離距離要求1.5～4.4 km；玻璃幕材質，2.5～6.9 km。

圖9 宏對皮多對單場景隔離距離與底噪抬升值的理論計算曲線

3）場景三（微站與皮站）：如圖10 所示，鋼混材質，隔離距離要求0.45～1.5 km；玻璃幕材質，0.78～2.5 km。

圖10 微對皮多對單場景隔離距離與底噪抬升值的理論計算曲線

2.3 干擾共存結論

（1）場景及網絡配置

3 個場景（宏對宏、宏對皮、微對皮）3 個城市完成單站環境準備和測試驗證，涵蓋密集城區和一般城區，其基本環境和配置參數如表4 和表5 所示。

表4 測試環境基本配置

表5 施擾/受擾側基站工參

（2）干擾共存結論

根據創新測試方案和理論評估結果開展了相應的外場測試驗證，實測隔離距離基本符合理論預期。干擾共存能力與基站站高、周圍樓宇高度、墻體穿透、傳播環境、產品配置等因素有關，外場的速率測試結果如表6 所示，干擾共存隔離度的評估結果如下：

表6 實測隔離距離要求

1）場景一（宏站與宏站）：若要交叉時隙干擾可控，隔離距離要求4.2 km，對應的上行底噪抬升1 dB，上行速率損失小于10%。

2）場景二（宏站與皮站）：若要交叉時隙干擾可控，隔離距離為0.6～2.8 km（鋼混材質）和0.71～4.7 km（玻璃幕），對應的上行底噪抬升1 dB，上行速率損失小于10%。

3）場景三（微站與皮站）：若要交叉時隙干擾可控，隔離距離為0.45 km（鋼混材質）和0.82 km（玻璃幕），對應的上行底噪抬升1 dB，上行速率損失約7%。

3 靈活雙工優化方案及應用效果

根據靈活雙工試驗結果，其上行速率損失仍有優化空間，為進一步降低交叉時隙干擾，提升靈活雙工性能為目標，本節提出系列干擾優化方案，預估相同隔離距離要求下的速率損失可減少至5～15 個百分點，進而相同速率損失下的共存干擾要求也會相應放寬。下文將分別從技術方案原理、試點效果或理論預期、應用建議等方面展開介紹。

3.1 施擾側方案

（1）時隙關閉

1）技術原理

時隙關閉，通過關閉宏站資源中會對皮站產生干擾的時隙資源，從而減少對皮站的干擾。時隙關閉基本方案通過手動配置去關閉施擾站資源，關閉時隙固定不可變，實現較為簡單。增強方案可根據施擾站負荷、受擾站干擾程度、受擾站負荷等自適應關閉施擾站的部分/全部交叉下行時隙，或關閉受擾站的部分/全部交叉上行時隙。

2）測試結果

為驗證時隙關閉功能對于施擾站和受擾站性能的影響，設計了關閉全部宏站干擾下行時隙，受擾站不變的方案進行驗證，如圖11 所示：

圖11 宏對皮干擾示意圖

如圖12 所示，測試結果顯示：

圖12 時隙關閉方案測試數據

受擾站上行速率：功能開啟后，速率基本恢復至無交叉干擾水平。

施擾站下行速率：功能開啟后，速率下降約45%。

3）應用建議

該方案導致施擾站可用下行資源的減少，可能影響下行速率，因此，建議施擾側處于中低負荷場景下使用。

（2）調度協同

1）技術原理

本設計方案不僅可通過上下行資源固定錯開調度來避免交叉時隙干擾，也可靈活配置資源的起始位置，資源帶寬和分配顆粒度，包括控制信道和業務信道。此外，還可根據受擾側上行干擾程度，基于站間交互方式動態實現調度協同。

2）測試結果

針對固定錯開調度方案，如圖13 所示，將5G 4.9 GHz網絡100 M 帶寬共計273 個RB 進行錯開分配，施擾站下行配置RBG0-RBG8 發送下行業務數據（RB0-RB143），受擾站上行配置RBG9-RBG17 接收上行數據（RB144-RB 272）。

圖13 調度協同方案示意圖

如圖14 所示，測試結果顯示：

圖14 調度協同方案測試數據

受擾站上行速率：當RSRP=-96 dBm，受擾站底噪抬升58 dB 時，開啟調度協同后，相比未開啟，速率提升26%；當RSRP=-85 dBm，受擾站底噪抬升3 dB 時，開啟調度協同后，相比未開啟，速率提升9%。

施擾站下行速率：開啟調度協同后，速率下降30%～43%。

3）應用建議

本設計方案通過上下行頻域資源協同調度的方式規避交叉時隙干擾，減少了施擾/ 受擾可用資源（其程度依施擾/ 受擾側資源分配比例而定），在一定程度下可能會影響上下行吞吐量，因此，該方案建議在施擾/ 受擾側負荷不均衡、受擾側覆蓋水平較好時使用。

（3）降低功率

1）技術原理

如圖15 所示，本設計方案不僅可通過降低施擾站發射功率的方式來減少施擾側對受擾側的干擾，還可基于站間交互，根據施擾站符合、受擾站上行干擾程度和負荷等自適應調整施擾站的發射功率。

圖15 降低功率方案

2）測試結果

如圖16 所示，測試結果顯示：

圖16 降低功率方案測試數據

受擾站上行速率：當RSRP=-97 dB，皮站底噪抬升58 dB 時，開啟功率降低3 dB 后，相比未開啟，速率提升21%，降低功率6 dB 后，速率提升79%；當RSRP=-85 dB，受擾站底噪抬升3 dB 時，開啟功率降低3 dB 后，相比未開啟速率提升4%～5%，降低功率6 dB 后，速率提升9%～14%。

施擾站下行速率：開啟功率3 dB 后，速率下降6%～8%，降低功率6 dB 后，速率下降13%～21%。

3）應用建議

本設計方案可能影響施擾站覆蓋水平和下行速率，因此，建議施擾側覆蓋水平較好的場景下使用，避免覆蓋收縮，影響用戶體驗。

（4）波束協同

1）技術原理

如圖17 所示，施擾/ 受擾側的交叉時隙干擾可能只存在于某個特定方向。本設計方案可避免干擾波束產生，提升受擾站的上行吞吐量。受擾站識別施擾站來源和波束方向，并將干擾源信息反饋給施擾站。施擾站接收到干擾源信息后，通過天線權值優化等手段調整波束方向避開干擾方向，從而避免對受擾站產生交叉時隙干擾。

圖17 波束協同方案

與此同時，波束協同方案對施擾站覆蓋有影響，造成覆蓋盲區，不具有普遍適用性。

2）測試結果：如圖18 所示，隨著干擾波束與施擾站受擾站連線的夾角越大，上行吞吐率性能越好，上行PDCP 層速率損失從90% 減小到50% 左右，受擾站上行性能提升約4.6 倍。

圖18 波速協同測試結果

3）應用建議

本設計方案雖然可以大幅度提升受擾站的上行性能，但其對施擾站的特定方向的覆蓋能力和用戶體驗有影響，建議在干擾源方向集中，施擾側負荷較低時使用。

（5）工程手段

1）技術原理

工程手段可應用于施擾站，如通過優化下傾角和方位角的方式，使施擾站避開受擾站所在位置。也可應用于受擾站，如通過增加受擾站的進深，降低干擾信號在受擾站位置的強度，從而降低交叉時隙干擾，提升上行吞吐率水平。

2）應用建議

工程手段效果雖然明顯，但是對全網規劃和性能影響較大，建議在不影響現網規劃和性能前提下使用。

3.2 受擾側方案

（1）干擾識別

1）技術原理

施擾站干擾源和波束方向的定位是交叉時隙干擾抑制的前提，針對該問題，本節基于RIM-RS（遠端干擾管理）機制，提出交叉時隙干擾識別方案。對于該方案，施擾站開銷幾乎為0，受擾站開銷為RIM-RS 的檢測、計算、存儲開銷。由于交叉時隙干擾關系固定，受擾站不需要始終檢測RIM-RS，因此受擾站開銷可控。綜合來看，基于RIM-RS 的干擾識別方案具有可行性。

與遠端干擾管理干擾不同，交叉時隙干擾具有一定特點：干擾關系固定，干擾方向為單向，只有5D2S3U幀結構對1D1S3U 幀結構有干擾；另外，干擾范圍小、干擾源數量有限，對自動的干擾告知機制需求不迫切，干擾源定位后可逐一解決。

如圖19 所示，當交叉時隙干擾發生時，施擾站在約定的時隙及符號位置發送RIM-RS 信號，RIM-RS 可攜帶小區ID 信息、波束ID 信息等。受擾站檢測RIM-RS，得到干擾信息后，將干擾信息發送給施擾站，施擾站應用干擾解決方案。

圖19 干擾識別流程

2）應用建議

本涉及方案可應用于所有交叉時隙干擾場景。通過定義RIM-RS 中承載的信息，可靈活判定干擾源粒度，實現小區級別和波束級別干擾源的定位。

（2）鏈路自適應

1）技術原理

現有鏈路自適應算法（AMC），MCS 調度無法區分交叉時隙和非交叉時隙。在交叉時隙部署場景中，交叉時隙和非交叉時隙信道狀態差異較大，若不區分時隙進行MCS 調度，交叉時隙干擾會導致整體MCS 水平偏低，從而導致整體吞吐率水平降低。基于時隙的鏈路自適應方案，可有效避免以上問題。方案對施擾站無影響，受擾側的影響在于，由1 套鏈路自適應增加至3 套AMC，MCS 內環和外環增加了系統內存和處理開銷，整體影響可控，方案具有可行性。

鏈路自適應方案中，MCS 調度算法中4 項關鍵參數可區分交叉時隙單獨配置，包括DL 對UL，S 對UL 和UL 對UL，并通過現網摸索優化值，可提高頻譜效率。同時，結合調度協調方案，近中點用戶與一般業務，使用交叉干擾時隙，終端發射功率余量可以抵消一部分干擾；遠點用戶與高可靠業務，使用非受干擾時隙。

MCS 調度影響因素如圖20 所示：

圖20 MCS調度影響因素

2）理論預期

鏈路自適應方案可確保1D1S3U 上行速率至少高于5D2S3U。在高干擾場景下，與性能優化前相比，初步估算上行速率可以提升20%～30%。

3）應用建議

該方案為受擾側應用方案，不影響施擾側的性能，建議按需應用于交叉時隙干擾場景。

（3）配置優化

1）技術原理

交叉時隙場景中，施擾站SSB/CSI-RS 以及受擾站SRS 由于配置不合理，會導致產生交叉時隙干擾，影響受擾站上行吞吐率性能。針對以上參考信號進行配置優化，可有效降低干擾，不會對施擾站造成影響，具有可行性。

SSB 配置優化方案：受擾站采用SSB 波束加密為7波束或者打孔的方式，避免SSB 的干擾。該方案對施擾站無影響，具有可行性。

CSI-RS 配置優化方案：施擾站可以優化CSI-RS 的時隙位置，將CSI-RS 配置在Slot0，因為Slot 0 為非交叉時隙，從而可以有效避免CSI-RS 對受擾站產生干擾。

SRS 配置優化方案：在交叉時隙干擾較強場景，將SRS 資源配置遷移到非交叉干擾UL 時隙中，并維護交叉時隙和非交叉時隙兩套不同的MCS 初始選階；在交叉時隙干擾較弱場景，交叉時隙干擾影響較小，維持現有SRS 資源配置。

SRS 遷移方案如圖21 所示：

圖21 SRS遷移方案

2）理論預期

SSB、CSI-RS 配置優化方案性能暫未評估，SRS 配置優化方案與鏈路自適應方案聯合使用，初步估算上行吞吐率性能可提升20%～30%。

3）應用建議

以上配置優化方案不影響施擾站性能，建議按需應用于交叉時隙干擾場景。

（4）基帶對消

1）技術原理

基帶對消總體架構設計如圖22 所示，包括基于導頻獲取信道架構和基于搜索算法重建信道。

圖22 基帶對消總體架構設計

本節聚焦基于導頻的基帶對消方案，其系統工作流程如下。

◆步驟1，受擾站上行接收信號PR，其表達式為：

其中假設施擾站為64TR，DMRS 4 port。信號信道響應HI為4×64 矩陣；下行波束賦形WI為64×4 矩陣；單用戶下行4 流頻域數據SI為4×1 矩陣。PD為受擾站上行有用信號，表達式為：

其中受擾站為4TR，CSI-RS 4 port。信號信道響應HD為4×4 矩陣；碼本WD為4×4 矩陣；單用戶上行4 流頻域數據SD為4×1 矩陣。

◆步驟2，通過站間交互方式，受擾站依次獲取施擾站下行導頻信息和頻域數據，進而分別得到施擾站和受擾站的信道估計。

◆步驟3，根據施擾站信道估計與頻域數據，重構干擾信號并實現消除，得到上行干擾消除信號，其表達式為：

◆步驟4，根據受擾站信道估計與上行干擾消除信號，均衡解調獲取最終的上行信號。

2）應用建議

基帶對消方案理論上可完全消除站間的干擾，可作為靈活雙工組網中交叉時隙干擾和全雙工自干擾的主要優化方案[5-7]，但其涉及宏微協同，導頻增強和精準信道估計與重構等重要研究和增強方向，無論在標準和產業上仍然有很多工作和關鍵問題需要完成。因此，建議初期研究其應用在環境與配置較為簡單的靈活雙工交叉時隙干擾場景中，在交叉干擾場景中充分驗證方案可行性與基本性能，可逐步推廣到全雙工系統。

4 結束語

本文從干擾共存評估體系和干擾優化應用方面介紹了靈活雙工方案的研究進展。干擾共存評估體系包括：一是提出創新測試方案，降低施工建設復雜度和測試執行效率；二是基于建立理論分析模型，分析室內外各場景的共存能力和隔離度要求，為首次實現TDD 蜂窩網絡靈活雙工配置奠定基礎。干擾優化方案介紹了施擾側和受擾側等方案的技術原理、理論預期，并且在現網開展測試驗證，根據驗證結果給出相應的應用建議。