5G網(wǎng)絡(luò)NSA組網(wǎng)共模抗干擾問題的研究

陳雪娟，葉利麗，楚高峰

（1.樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，樂山 614000；2.華為技術(shù)有限公司，成都 610000）

0 引言

近年來，我國在移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展速度讓世界驚嘆，短短40年時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了從1G到5G的躍遷，幾乎每隔十年產(chǎn)生一代新的移動(dòng)通信技術(shù)。我國的5G從2019年11月正式投入商用后，廣泛應(yīng)用在廣大群眾的日常生活中，預(yù)測(cè)5G帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出將不斷增長。目前國內(nèi)外關(guān)于5G的部署進(jìn)行得如火如荼，各大運(yùn)營商經(jīng)過近三年時(shí)間的5G建設(shè)，很多地區(qū)的用戶已經(jīng)可以享受到5G帶來的全新體驗(yàn)。

5G部署主要采用SA（Standalone）獨(dú)立組網(wǎng)或者NSA（Non-Standalone）非獨(dú)立組網(wǎng)方式。2019年5G部署之初，通常采用的是NSA非獨(dú)立組網(wǎng)方式，主要覆蓋一線城市以及部分重點(diǎn)地區(qū)，偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋較少，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)全覆蓋需要一段時(shí)間。2020年1月工信部部長表示，在2020年國家將5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)放在獨(dú)立組網(wǎng)基礎(chǔ)上，只有這種獨(dú)立組網(wǎng)才能夠充分顯示出5G的整體性能。SA組網(wǎng)相比NSA組網(wǎng)投入高、工程量大、周期長，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)必將是二者共存的場(chǎng)景。

1 5G技術(shù)目標(biāo)

3GPP對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)進(jìn)行了定義，如圖1所示，峰值數(shù)據(jù)包速率上行10 Gbps、下行20 Gbps，用戶終端業(yè)務(wù)速率上行50 Mbps、下行100 Mbps，移動(dòng)性滿足500 km/h，用戶終端時(shí)延4 ms。URLLC場(chǎng)景時(shí)延低于1 ms，為實(shí)現(xiàn)無人駕駛提供重大潛力，區(qū)域流量的容量達(dá)到每平米100 Mbps。5G主要實(shí)現(xiàn)大帶寬、低時(shí)延、空口靈活、UCNC、MASSIVE-MIMO等關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵指標(biāo)為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)以及超高清移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)等應(yīng)用提供服務(wù)與支持。此類業(yè)務(wù)也必然在生產(chǎn)和生活中逐步產(chǎn)生，并非一蹴而就，因此需要穩(wěn)步推進(jìn)，逐漸完成完整的SA獨(dú)立5G組網(wǎng)。

圖1 3GPP對(duì)5G目標(biāo)的定義

2 NSA組網(wǎng)研究

2.1 NSA組網(wǎng)分析

5G部署初期主要采用NSA非獨(dú)立組網(wǎng)方式，如圖2所示。無需建設(shè)5G新核心網(wǎng)，借助4G無線空口，利用現(xiàn)有的4G基礎(chǔ)設(shè)施。5G終端通過NR基站進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，控制面和用戶面數(shù)據(jù)通過LTE基站向EPC轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)快速大面積覆蓋，快速提升5G網(wǎng)絡(luò)普及速度。初期建設(shè)5G核心網(wǎng)5GC暫不需投入，減小網(wǎng)絡(luò)短期設(shè)備更換成本，這種方案在節(jié)省5G初期投入成本的同時(shí)能讓用戶得到5G的快速體驗(yàn)。LTE與NR共模并發(fā)稱為LNR，能夠最大程度地提高資源利用率，不僅能滿足5G用戶的需求，而且能避免前期運(yùn)營商的巨大投入，解決回報(bào)率低的問題。到目前為止，NSA組網(wǎng)仍然是5G部署的首要之選，非獨(dú)立組網(wǎng)雖然只是5G商用的一種過渡性方案，但不可或缺，甚至舉足輕重。

圖2 NSA組網(wǎng)模型

2.2 LNR場(chǎng)景的共模建設(shè)分析

基于NSA進(jìn)行組網(wǎng)是各大運(yùn)營商進(jìn)行5G部署前期使用最多的組網(wǎng)方式，能在最大程度上解決前期資金投入大的問題，4G與5G的LNR共模并發(fā)場(chǎng)景實(shí)物組網(wǎng)如圖3所示。在原有LTE基站上增加5G主控和基帶單板，AAU作為新增的5G有源天線處理單元增加了天線陣子，能夠同時(shí)處理4G基帶單板和5G基帶單板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。RRU作為原本LTE網(wǎng)絡(luò)的射頻單元，仍然處理4G基帶單板數(shù)據(jù)。

圖3 LNR共模并發(fā)實(shí)物組網(wǎng)示意圖

LNR共模并發(fā)場(chǎng)景能夠在提升資源利用率的同時(shí)優(yōu)化資源，目前4G與5G都利用有限的頻譜資源，就頻譜資源利用率來說，重疊的頻譜資源越多，資源利用率越高。但是基于射頻模塊的器件性能限制，頻譜資源不能無限重疊，需要規(guī)劃頻譜重疊的范圍。以中移動(dòng)2.6G頻段來看，2515～2615 MHz的100 MHz用于 部 署NR，2615～2675 MHz的60 MHz用于部署LTE，當(dāng)前協(xié)議天然支持的頻譜資源允許4G與5G小區(qū)重疊20 K的頻譜資源，如圖4所示，重疊越多，干擾越大。在規(guī)劃的NR 100 M頻譜范圍中，運(yùn)營商可以根據(jù)小區(qū)實(shí)際情況靈活進(jìn)行LTE部署或者NR部署。4G和5G共模必然帶來小區(qū)間干擾，需要調(diào)整合理的功率控制比來降低干擾影響。

圖4 NR與LTE頻譜重疊示意圖

2.3 功率配置比

將NR新建的天線連接到LTE基站，不僅提升了5G資源的利用率，又提高了4G的覆蓋率，實(shí)現(xiàn)4G與5G共模。但是，在相同的天線上同時(shí)傳輸4G與5G信號(hào)必然會(huì)帶來小區(qū)間的相互干擾。5G的AAU目前使用較多的是64天線陣，后續(xù)也會(huì)擴(kuò)展到128天線陣和256天線陣。在LTE與5G共用頻譜的過程當(dāng)中，必然帶來同頻干擾。

LNR共模的AAU場(chǎng)景中，LTE與NR共用同一塊射頻模塊，如圖5所示。以2.6G頻段TDD上行鏈路為例，LTE與NR共160 MHz帶寬，NR最大帶寬為100 M，最小帶寬20 M，LTE最大帶寬為20 MHz，可以配置的最大帶寬為1NR+3LTE。AAU場(chǎng)景固定NR小區(qū)帶寬為100 MHz，LTE小區(qū)帶寬為20 MHz，通過調(diào)整NR和LTE小區(qū)的功率配置比來達(dá)到減小干擾的目的，功率配置比參考公式（1）：

圖5 LNR與LTE上行測(cè)試場(chǎng)景

公式（1）將NR小區(qū)最大功率與小區(qū)帶寬的比值除以LTE小區(qū)最大功率與小區(qū)帶寬的比值，所得數(shù)據(jù)為5G與4G共模的功率配置比。仿真針對(duì)最大NR小區(qū)帶寬100 MHz與最大LTE小區(qū)帶寬值20 MHz進(jìn)行，將NR小區(qū)功率與LTE小區(qū)功率的比值作為仿真中的功率比。通過MATLAB進(jìn)行仿真，觀察誤碼率情況，如圖6所示。

由圖6可知，在LNR的AAU共模場(chǎng)景中，5G與4G小區(qū)帶寬分別為各自最大值100 MHz和20 MHz時(shí)，AAU端設(shè)定5G與4G功率比值約為6，小區(qū)間干擾最低，誤碼率最小。/比值的減小或增加都將引起誤碼率的指數(shù)式增長，同時(shí)發(fā)射功率的設(shè)定也必須考慮小區(qū)帶寬值。因此AAU共模并發(fā)場(chǎng)景設(shè)置合理的小區(qū)功率配置比對(duì)于獲得更優(yōu)的小區(qū)移動(dòng)信號(hào)性能具有不可忽視的重要作用。

圖6 LNR場(chǎng)景5G與4G功率比同誤碼率之間的仿真關(guān)系圖

3 結(jié)語

5G部署中，NSA組網(wǎng)作為一種過渡性技術(shù)不可或缺，甚至舉足輕重。LNR共模并發(fā)場(chǎng)景作為NSA組網(wǎng)中的一種典型應(yīng)用，5G與4G信號(hào)使用鄰近的有限頻率資源通過AAU同時(shí)發(fā)射，必然帶來嚴(yán)重的小區(qū)間干擾。為了降低相鄰小區(qū)間干擾帶來的影響，通過設(shè)置合理的NR與LTE功率配置比能夠起到事半功倍的作用，同理功率配置比不合理將嚴(yán)重影響移動(dòng)信號(hào)的性能。