4G/5G頻譜資源協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

何文林，劉建華，李新，江天明

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

雖然5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)商用，但是5G 建設(shè)初期，4G 網(wǎng)絡(luò)仍然是主力承載網(wǎng)，仍面臨巨大的容量壓力，目前4G/5G同頻部署，如何將有限的頻譜資源發(fā)揮出更大的價值，對無線網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，將會引入支持5G 和4G 的雙模設(shè)備，基于硬件AAU（Active Antenna Unit，有源天線單元）支持160 MHz 全頻譜和軟件支持4G/5G 共模，4G 和5G 之間將可以實現(xiàn)頻譜共享，即根據(jù)4G 和5G 的業(yè)務(wù)特點、用戶數(shù)及話務(wù)負(fù)載等條件，結(jié)合4G 載波間話務(wù)分配策略，在4G 進(jìn)行話務(wù)遷移后再進(jìn)行載波制式4G/5G快速切換，從而實現(xiàn)4G 和5G 之間的頻譜資源共享。事實上，多制式頻譜共享，包括GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動通信系統(tǒng)）/UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統(tǒng)）、GSM/LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn)）、UMTS/LTE 制式間頻譜共享，已經(jīng)在全球廣泛和成熟商用，可有效提升頻譜利用率。在同區(qū)域同頻部署4G 和5G，5G 小區(qū)帶寬為100 MHz 或80 MHz，周邊存在多個帶寬為20 MHz 的4G 小區(qū)，5G 小區(qū)與4G 可能存在20 MHz 以及40 MHz 交疊組網(wǎng)情況，需對4G/5G間的同頻干擾進(jìn)行處理。

載波級動態(tài)頻譜共享通過4G/5G 系統(tǒng)間信息交互，基于各系統(tǒng)負(fù)載情況實現(xiàn)秒級載波級頻譜共享，具體實現(xiàn)中可設(shè)定4G/5G 共享資源釋放和請求的資源利用率門限，動態(tài)調(diào)整共享資源的分配。該方案主要實現(xiàn)較為簡單，但存在觸發(fā)生效時間長（秒級）的不足，需研究共享頻譜的使用方式，并保證現(xiàn)網(wǎng)用戶不受影響。

動態(tài)共享需4G/5G 系統(tǒng)共用MAC（Media Access Control，媒體訪問控制）層調(diào)度，實現(xiàn)毫秒級4G/5G 頻譜共享，實現(xiàn)過程中5G 需考慮PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）間隔離、SRS（Sounding Reference Signal，信道探測參考信號）和CSI-RS（Channel State Information Reference Signal，信道狀態(tài)信息參考信號）等參考信號配置，避免對4G CRS（Cell Reference Signal，小區(qū)參考信號）、SRS 等參考信號的干擾。動態(tài)共享可支持ms 級別的4G/5G共享，其生效場景更廣泛、性能較好，但也帶來技術(shù)復(fù)雜度較高的問題，需重點研究控制信號/信道如何避免被干擾。

5G 與4G 的頻譜共享可考慮兩種方案，一是載波級的動態(tài)共享，二是PRB/TTI（Transmission Time Interval，傳輸時間間隔）級的動態(tài)共享，本文重點介紹載波級動態(tài)頻譜共享。

1 載波級動態(tài)共享方案介紹

載波級動態(tài)共享通過4G/5G 系統(tǒng)間的信息交互，基于各系統(tǒng)負(fù)載情況實現(xiàn)秒級載波級頻譜共享。對于共享資源的使用，若共享資源優(yōu)先給5G 使用，則在4G 忙時資源受壓縮，將影響4G 用戶的體驗；若共享資源優(yōu)先給4G 使用，現(xiàn)網(wǎng)4G 用戶體驗不受影響，但5G 用戶可能達(dá)不到峰值，所以需對共享資源的使用設(shè)定規(guī)則。具體實現(xiàn)中可設(shè)定4G/5G 共享資源釋放和請求的資源利用率門限，在5G 有需求且4G 負(fù)荷低時，可釋放4G 占用共享頻譜，將4G 小區(qū)關(guān)閉，頻譜釋放給5G 使用；在4G 有需求且5G 負(fù)荷低時，可釋放5G 占用共享頻譜，將4G 小區(qū)激活，頻譜釋放給4G 使用。該方案主要實現(xiàn)較為簡單，但觸發(fā)生效時間長（秒級），對于連接態(tài)用戶可以提前通知切換到其他小區(qū)，但是空閑態(tài)用戶無法及時轉(zhuǎn)移，也需考慮對空閑態(tài)用戶的處理，保障用戶的體驗。

1.1 共享資源分配方式

為保證共享資源的合理分配，可設(shè)定4G/5G 共享資源釋放和請求的資源利用率門限，通過門限的高低調(diào)整資源的使用。

（1）5G 共享資源可釋 放PRB 利用率門限（Thresh15G）：PRB 利用率低于此門限時，可將共享資源釋放給4G 使用，高于此門限，則不可釋放；

（2）5G 共享資源收回PRB 利用率門限（Thresh25G）：PRB 利用率高于此門限時，將通知4G，向4G 請求共享資源，4G PRB 利用率低于4G PRB 利用率門限1 時，4G將共享資源釋放給5G 使用；

（3）4G 共享資源可釋 放PRB 利用率門限（Thresh14G）：PRB 利用率低于此門限時，可將共享資源釋放給5G 使用，高于此門限，則不可釋放；

（4）4G 共享資源收回PRB 利用率門限（Thresh24G）：PRB 利用率高于此門限時，將通知5G，向5G 請求共享資源，5G PRB 利用率低于5G PRB 利用率門限1 時，5G將共享資源釋放給4G 使用。

PRB 利用率采用實際的PRB 占用率，且取上下行最大值。

載波級動態(tài)共享門限示意圖如圖1 所示：

圖1 載波級動態(tài)共享門限示意圖

具體實現(xiàn)如下，5G 基站獲取5G 的PRB 利用率：

（1）若5G PRB 利用率小于Thresh15G，則5G 可釋放占用的共享資源或者不向4G 請求共享資源；

（2）若5G PRB 利用率大于Thresh15G且小于Thresh25G，則5G 基站保持當(dāng)前的資源使用狀態(tài)，占用的共享資源不可釋放；

（3）若5G 基站判斷5G PRB 利用率大于Thresh25G且4G 基站占用共享資源，將向4G 基站請求占用共享資源；若5G 基站判斷5G PRB 利用率大于Thresh25G且5G基站占用共享資源，則5G 基站保持當(dāng)前的資源使用狀態(tài)；

（4）4G 基站接收到5G 基站的共享資源占用請求，獲取4G 的PRB 利用率，若4G PRB 利用率低于Thresh14G，則4G 基站需將共享資源釋放給5G 基站使用；若4G 基站PRB 利用率大于Thresh14G，則4G 占用的共享資源不可釋放4G 側(cè)，反之亦然。

1.2 共享帶寬內(nèi)5G廣播信號/參考信號/控制信道分配

載波級動態(tài)共享時，以2.6 GHz 為例，5G 可用資源為100 MHz 或80 MHz 或60 MHz，若共享資源被4G 占用，則5G 的控制信號/信道需做相應(yīng)的規(guī)避，避免相互干擾。圖2 為5G 廣播信號/參考信號/控制信道分配。

圖2 5G廣播信號/參考信號/控制信道分配

（1）廣播信號

SSB（Synchronization Signal/PBCH，同步信號廣播信道塊）可以配置在低端5G 獨享帶寬內(nèi)，避免與4G 間的相互干擾。

（2）參考信號

1）CSI-RS

①采用限制發(fā)送方式，只在5G 獨享帶寬內(nèi)發(fā)送，若5G 可用資源為80 MHz 或100 MHz，只能用獨享帶寬（60MHz）的CQI（ChannelQualitylndicator,信道質(zhì)量指示）反饋進(jìn)行業(yè)務(wù)信道的調(diào)度；

②采用RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）重配消息進(jìn)行BWP 重配，CSI-RS 頻域位置隨BWP（Bandwith Part，帶寬分段）重配更新，使用對應(yīng)的CQI 反饋進(jìn)行業(yè)務(wù)信道的調(diào)度。

2）SRS

①按照100 MHz 全帶寬發(fā)送，與LTE 時分復(fù)用；

②采用RRC 重配消息進(jìn)行BWP 重配，SRS 頻域位置隨BWP 重配更新。

（3）控制信道

1）common PDCCH（Physical Downlink Control Channel，下行物理控制信道）、common PUCCH（Physical Uplink Control Channel，上行物理控制信道）、PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機(jī)接入信道）配置在低端獨享帶寬內(nèi)；

2）UE specific PDCCH、UE specific PUCCH 可 配置在低端獨享帶寬內(nèi)，也可以隨BWP 而變；

3）PDSCH（Physical Downlink Shared Channel，下行物理共享信道）、PUSCH（Physical Uplink Shared Channel，上行物理共享信道）資源根據(jù)系統(tǒng)可用資源進(jìn)行調(diào)度。

1.3 共享載波上4G用戶遷移

對于連接態(tài)用戶，可在共享載波靜默前下發(fā)切換命令，將用戶切換至其它同覆蓋小區(qū)，遷移用戶需要一定時間（秒級）。

對于空閑態(tài)用戶，如果不做特殊處理，在共享4G 小區(qū)靜默的瞬間，還未來得及重選至新的小區(qū)，將會出現(xiàn)短暫脫網(wǎng)，需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)做相應(yīng)處理，4G 共享載波在靜默前，提前下發(fā)廣播消息更新小區(qū)可接入狀態(tài)，將小區(qū)可接入狀態(tài)設(shè)置為barred，終端收到新的系統(tǒng)消息后，將會啟動異頻測量，重選到其他小區(qū)，避免共享小區(qū)靜默后脫網(wǎng)。

1.4 與PRB級動態(tài)共享的對比

PRB 級動態(tài)頻譜共享需4G/5G 系統(tǒng)共用MAC 層調(diào)度，實現(xiàn)毫秒級4G/5G 頻譜共享，實現(xiàn)過程中5G 需考慮PRB 間隔離、SRS 和CSI-RS 等參考信號配置，避免對4G CRS、SRS 等參考信號的干擾。由于PRB 級動態(tài)共享可支持ms 級別的4G/5G 共享，其生效場景更廣泛、性能較好，但也帶來技術(shù)復(fù)雜度較高的問題。

兩個系統(tǒng)并存，共用同一段頻譜，一是需要考慮相互間的干擾，二是需要考慮對一些固定信號的避讓。若LTE 和NR 采用相同的子載波間隔，LTE 和NR 載波間可以做到子載波正交，LTE 和NR 可以頻分復(fù)用的方式進(jìn)行頻譜動態(tài)共享，不會導(dǎo)致子載波間干擾。若NR與LTE的子載波間隔不同，則LTE 和NR 的子載波是不正交的，需要在LTE 和NR 之間預(yù)留一定的保護(hù)間隔，從而避免兩者之間產(chǎn)生的干擾。

（1）規(guī)避NR 對LTE 下行固定信號的干擾；

（2）規(guī)避LTE 對NR 下行固定信號的干擾；

（3）規(guī)避NR 對LTE 上行固定信號的干擾；

（4）LTE 對NR PRACH、PUCCH 與SRS 的擾規(guī)避與NR 的相同。

如表1 所示，頻譜共享可通過載波級動態(tài)共享和PRB 級動態(tài)共享兩種方式實現(xiàn)，但各自具有優(yōu)劣勢，在具體實施時，需考慮網(wǎng)絡(luò)需求及終端支持情況等。

表1 載波級動態(tài)共享與PRB級動態(tài)共享的對比

1.5 4G/5G干擾處理

在同區(qū)域同頻部署4G 和5G，5G 小區(qū)帶寬為100 MHz或80 MHz，周邊存在多個帶寬為20 MHz 的4G 小區(qū)，5G 小區(qū)與4G 小區(qū)可能存在20 MHz 或40 MHz 交疊組網(wǎng)情況，需對4G/5G 間的同頻干擾進(jìn)行處理。5G 系統(tǒng)支持上/ 下行頻選調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以分別配置不同帶寬下的信道質(zhì)量測量，并且選擇速率最高的頻率組合進(jìn)行調(diào)度。目前有兩種方案實現(xiàn)頻選調(diào)度來降低4G/5G 間的干擾。

方案一：給5G 前60 MHz 頻段和可能有干擾的后2×20 MHz 頻段分別配置獨立的信道測量，60 MHz 配置周期CQI 測量，共享區(qū)域配置非周期測量，基站獲取前60 MHz 頻段以及后兩段20 MHz 頻段的信道測量，測量上報類型為PMI（Precoding Matrix Indicator，預(yù)編碼矩陣指示符）中的寬帶CQI，將共享頻段的CQI 和獨享頻段的CQI 進(jìn)行比較，基于CQI 折算頻譜效率，選擇頻譜效率最高的資源進(jìn)行調(diào)度，使得終端能獲得最大的速率。

方案二：考慮到目前標(biāo)準(zhǔn)支持CSI-RS 最小帶寬為Min{24,BWP}，并且支持以4RB 為顆粒度進(jìn)行測量帶寬配置。但目前大部分終端不支持最小顆粒度為4RB 的窄帶CQI 測量，導(dǎo)致系統(tǒng)側(cè)無法精確識別每RB 上的干擾。為解決上述問題可采用如下方法：

（1）對于部分最小測量帶寬20 MHz 的終端：系統(tǒng)側(cè)下發(fā)以20 MHz 為帶寬的CSI-RS 測量，通過CSI-RS 分段測量干擾水平，基于分段測量結(jié)果，計算最優(yōu)的頻譜效率，并針對現(xiàn)網(wǎng)組網(wǎng)情況，從100 MHz/80 MHz/60 MHz 選擇最優(yōu)的傳輸帶寬；

（2）對于測量帶寬只支持100 MHz 的終端：可以通過測量其SRS 信息和寬帶CQI 信息，與網(wǎng)絡(luò)存儲信息進(jìn)行對比，進(jìn)而確定最佳調(diào)度資源，提升速率。

1.6 測試驗證

為了驗證該功能的性能和效果，在現(xiàn)網(wǎng)中進(jìn)行了測試驗證。測試環(huán)境選取7 個站點連片覆蓋的區(qū)域。

對于4G 現(xiàn)網(wǎng)負(fù)荷，在頻譜共享開啟前，4G 忙時平均下行PRB 利用率約為30%，平均用戶數(shù)約50；閑時平均下行PRB 利用率約為10%，平均用戶數(shù)約15。

測試時4G/5G PRB 利用率門限配置：4G 共享資源收回PRB 利用率門限為50%，共享資源可釋放PRB 利用率門限為30%；5G 共享資源收回PRB 利用率門限為60%，共享資源可釋放PRB 利用率門限為40%。

分別選擇4G 忙時和閑時，采用5G 終端進(jìn)行道路拉網(wǎng)測試，對比開啟頻譜共享前后5G 的下行占用PRB 和下行速率提升。

載波級動態(tài)共享驗證結(jié)果如圖3 所示。

圖3 載波級動態(tài)共享驗證結(jié)果

測試結(jié)果顯示，頻譜共享打開后，配置4G/5G 共享40 M 的場景，相對于5G 60 M 基線場景，4G 忙時下行占用PRB 提升約18%，下行速率提升14%，因為4G 忙時下行平均PRB 為30%左右，4G 側(cè)頻點釋放門限為30%，有35%的小區(qū)負(fù)荷為50%～60%，所以能釋放給5G 使用的資源相對較少；4G 閑時下行占用PRB 提升約55%，下行速率提升32%（測試區(qū)域未完全移頻，存在周圍4G 站點的D1 頻點小區(qū)干擾，所以速率提升比下行占用PRB 提升略低）。

針對干擾處理方案一，進(jìn)行了現(xiàn)網(wǎng)驗證，測試環(huán)境選取8 個站點連片覆蓋的區(qū)域，4G 網(wǎng)絡(luò)的單頻點平均PRB 利用率約為12%，忙時PRB 利用率為50%～70%，5G 網(wǎng)絡(luò)的平均PRB 利用率為7%。測試時4G/5G PRB 利用率門限配置：4G 共享資源收回PRB 利用率門限為80%，共享資源可釋放PRB 利用率門限為60%；5G 共享資源收回PRB 利用率門限為70%，共享資源可釋放PRB 利用率門限為50%。

開啟頻選調(diào)度前后下行速率對比如圖4 所示。

圖4 開啟頻選調(diào)度前后下行速率對比

載波級動態(tài)頻譜共享可提升5G 可用RB 數(shù)18%～55%（與60 M 相比），下行拉網(wǎng)速率提升14%～32%，具體與4G 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷有關(guān)。開啟4G/5G 頻譜載波級動態(tài)共享，共享D1 和D2 時，打開頻選調(diào)度相比關(guān)閉頻選，下行速率的增益為22.5%；共享D2 時，打開頻選調(diào)度相比關(guān)閉頻選，下行速率的增益為14.6%，具體增益與區(qū)域內(nèi)4G小區(qū)分布和業(yè)務(wù)量有關(guān)。

2 結(jié)束語

PRB 級動態(tài)頻譜共享可實現(xiàn)精確資源共享，獲得較高的頻譜利用效率，但是實現(xiàn)較復(fù)雜，需規(guī)避對5G 和4G 固定信號/信道的影響，載波級動態(tài)共享實現(xiàn)相對簡單，兩個系統(tǒng)間無干擾，并且對4G 和5G 子載波間隔不同的場景無特殊要求，可在5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，有效緩解4G 網(wǎng)絡(luò)容量壓力，提升頻譜利用效率。4G/5G 干擾處理可有效降低4G/5G 同頻部署時4G 對5G 的干擾，具體增益與4G 小區(qū)分布和業(yè)務(wù)量有關(guān)，適用于4G D1/D2 移頻不徹底、5G 周邊存在同頻的4G 基站的區(qū)域，或5G 連片組網(wǎng)場景，5G 外圍與4G 相鄰區(qū)域，或開啟4G 與5G 頻譜共享的區(qū)域。