LTE與NR動(dòng)態(tài)頻譜共享關(guān)鍵技術(shù)與性能*

梁健生，王月珍，陳曉冬

（中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州，510630）

0 引言

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，世界各國紛紛發(fā)放了5G 運(yùn)營牌照并分配5G 使用的頻段。由于之前的移動(dòng)通信系統(tǒng)占用了較多的低頻段頻率資源，在5G 時(shí)代運(yùn)營商難以獲取低頻段大帶寬的優(yōu)質(zhì)頻譜資源。在低頻段部署5G 網(wǎng)絡(luò)可以提升單站覆蓋能力，對(duì)節(jié)省設(shè)備投資和運(yùn)營成本、提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量等具有重要意義。

目前有很多移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商在較低頻段部署了LTE 網(wǎng)絡(luò)，如何在不影響存量LTE 用戶的情況下對(duì)該頻段進(jìn)行重耕，充分利用已有頻段部署5G 網(wǎng)絡(luò)成為運(yùn)營商迫切需要解決的問題。本文在對(duì)LTE/NR 動(dòng)態(tài)頻譜共享關(guān)鍵技術(shù)研究和性能分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試分析，以期評(píng)估動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)部署的可行性。

1 動(dòng)態(tài)頻譜共享標(biāo)準(zhǔn)化情況

3GPP 標(biāo)準(zhǔn)組織從2016 年開始制定了一系列支持LTE/NR 動(dòng)態(tài)頻譜共享的相關(guān)功能標(biāo)準(zhǔn)。R15 階段主要制定了20 MHz 帶寬LTE/NR 動(dòng)態(tài)頻譜共享時(shí)NR 開銷信道配置策略、LTE/NR 控制信道資源共享策略、NR業(yè)務(wù)信道速率匹配等基本功能；R16 階段對(duì)動(dòng)態(tài)頻譜共享功能做了增強(qiáng)，增加了對(duì)n1 頻段NR 更大帶寬的支持、大帶寬NR 下支持多LTE 載波速率匹配、Type B PDSCH 增強(qiáng)等。

1.1 3GPP R15協(xié)議制定情況

（1）Additional DMRS 避讓LTE 的CRS

為了避免NR 的additional DMRS（默認(rèn)配置在符號(hào)11）與LTE 的CRS 的干擾，開展共享的時(shí)候，基站需要把NR additional DMRS 從符號(hào)11 挪到符號(hào)12。

（2）NR 15 kHz SCS 時(shí)，NR PDSCH 對(duì)LTE CRS進(jìn)行RE 級(jí)速率匹配（Ratematching）

為了避免LTE 的CRS 對(duì)于NR 的PDSCH 的干擾，NR基站和終端需支持在非LTE CRS 位置映射業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的速率匹配，該功能在38.331 →IE：RateMatchPatternLTE-CRS 所定義。

（3）與LTE FDD 動(dòng)態(tài)頻譜共享，NR 上行可設(shè)置7.5 kHz 頻移

LTE 上行生成SC-OFDM 符號(hào)固定偏移7.5 kHz，而NR 無偏移。為了便于基站調(diào)度，需要NR 終端支持上行頻率主動(dòng)偏移7.5 kHz，該功能在38.331 →FrequencyInf oUL →frequencyShift7p5 kHz 所定義。

（4）對(duì)LTE CRS 速率匹配信元定義

3GPP R15 協(xié)議中定義了用于UE 終端上報(bào)支持LTE CRS速率匹配能力的信元rateMatchingLTE-CRS。對(duì)于支持RE Level 速率匹配的UE，NR 小區(qū)在LTE CRS 位置不映射數(shù)據(jù)，并通過RRCReconfiguration 消息lte-CRS-ToMatchAround 信元通知NR UE 在LTE CRS 位置做速率匹配。

1.2 3GPP R16協(xié)議制定情況

（1）n1 頻段NR 大帶寬支持

如表1 所示，在3GPP R15 中，對(duì)n1 頻段只支持20 MHz及以下的帶寬，最新3GPP R16 的協(xié)議中，要求網(wǎng)絡(luò)及終端支持n1 頻段50 MHz 及以下的所有帶寬：

表1 NR n1頻段支持的頻段帶寬及子載波帶寬

（2）PDSCH TypeB 增強(qiáng)

R15 的PDSCH 的Type B 僅支持2、4、7符號(hào)，R16 增強(qiáng)支持Type B PDSCH 符號(hào)數(shù)從2 到13。

（3）NR 支持對(duì)于多個(gè)LTE 載波的CRS 速率匹配

R16 支持一個(gè)較大帶寬NR 下可以與多個(gè)LTE 載波進(jìn)行頻譜共享，支持對(duì)多個(gè)LTE 載波的CRS 速率匹配。

2 上行動(dòng)態(tài)頻譜共享

2.1 上行動(dòng)態(tài)頻譜共享方案

LTE 與NR 在上行鏈路需要發(fā)送的PUSCH、PUCCH、PRACH、DMRS和SRS，LTE 與NR 頻譜共享時(shí)需避免兩個(gè)系統(tǒng)間的信道相互沖突干擾問題。

LTE 與NR 在上行鏈路信道配置如圖1 所示，LTE/NR PUCCH、PUSCH、DMRS 采用頻分配置，PRACH、SRS 采用TDM 模式調(diào)度。

圖1 LTE/NR上行共享信道配置

2.2 DSS上行動(dòng)態(tài)頻譜共享方案對(duì)上行容量影響

（1）NR 對(duì)LTE 影響

NR 與LTE 動(dòng)態(tài)頻譜共享時(shí)，LTE 通過時(shí)頻隔離的方式需避讓NR 開銷信道。LTE 每10 ms 周期需避讓NR的6 個(gè)RB PRACH，NR 對(duì)LTE 容量影響：

(6/100)×(1/10)=0.6%

LTE 需要在NR 的SRS 發(fā)送子幀的最后一個(gè)符號(hào)不發(fā)送PUSCH，NR 的SRS 以20 ms 為周期在0、1、5、6子幀發(fā)送SRS，NR SRS 對(duì)LTE 容量影響：

(1/14)×(4/20)=1.4%

所以，LTE 的上行容量損失約為：

0.6%+1.4%=2%

（2）LTE 對(duì)NR 影響

FDD LTE 上行一般不配置SRS，只需配置PUCCH和PRACH 開銷信道，PUCCH 可配置2、4、6 個(gè)RB 的情況，下面以配置2 個(gè)RB 的PUCCH 進(jìn)行計(jì)算。

NR 需避讓LTE 10 ms 為周期的6 個(gè)RB PRACH，NR容量損失：

(6/106)×(1/10)=0.57%

NR需避讓LTE 1 ms周期的2個(gè)RB PUCCH，NR容量損失：

2/106=1.9%

所以，NR 的上行總?cè)萘繐p失約為：

0.57%+1.89%=2.46%

3 下行動(dòng)態(tài)頻譜共享

3.1 開銷信道頻譜共享方案

NR 主要下行開銷信道主要包括周期性SSB、RMSI、SIBx、Paging 信息和非周期性MSG2/4 信息。開銷信道面向全體5G 終端，可能存在部分終端尚未與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能力協(xié)商，最初接入時(shí)按純NR 網(wǎng)絡(luò)的方式讀取相關(guān)開銷信息。因此開銷信息的格式配置需與純NR 網(wǎng)絡(luò)保持一致，不能在開銷信道實(shí)現(xiàn)Ratematching 功能。在這種情況下直接配置SSB、RMSI 等開銷信道，會(huì)與LTE PDCCH、CRS 等產(chǎn)生沖突。根據(jù)R15 標(biāo)準(zhǔn)制定情況，可以有兩種方案可實(shí)現(xiàn)LTE/NR 下行開銷信道的頻譜共享。

方案一：MBSFN 子幀配置方案

圖2 為周期10 ms 發(fā)一次MBSFN 的子幀配置，LTE通過SIB2 廣播配置的MBSFN 子幀集合。在所配置的MBSFN 子幀中，每個(gè)子幀前面1～3 個(gè)符號(hào)用于傳輸LTE PDCCH 數(shù)據(jù)，MBSFN 子幀后面剩余的資源可用于NR SSB、RMSI、SIBx、Paging 等周期性信息傳輸。對(duì)于非周期性MSG2/4 信息，如果位置上與LTE-CRS 產(chǎn)生重疊，采用對(duì)重疊位置上的NR 或LTE-CRS 打孔的方式發(fā)送。

圖2 周期為10 ms發(fā)一次MBSFN的子幀配置

方案二：LTE Normal 配置方案

圖3 為LTE Normal 子幀配置方案，該方案直接在LTE Normal 子幀上配置NR 開銷信道，SSB 需連續(xù)占用20RB資源4 個(gè)符號(hào)，RMSI 需連續(xù)占用24 個(gè)RB資源。LTE Normal 子幀配置NR SSB、RMSI 時(shí)，LTE 的PDCCH 以及CRS 可能會(huì)與NR SSB、RMSI 位置有重疊，產(chǎn)生沖突。

圖3 LTE Normal子幀配置方案

對(duì)于與LTE PDCCH 沖突，由于SSB和RMSI 在時(shí)域上可以從所在子幀符號(hào)2 作為起始位置，因此在這種配置下LTE CFI 設(shè)置小于等于2 就可以避免與SSB和RMSI 的沖突。對(duì)于SSB和RMSI 與LTE CRS 位置重疊沖突，可對(duì)重疊位置RE 對(duì)應(yīng)的NR 或LTE-CRS 進(jìn)行打孔避免兩者之間的沖突。

對(duì)于NR 其他開銷信道，也可同樣采用對(duì)重疊位置RE 對(duì)應(yīng)的NR 或LTE-CRS 打孔的方式進(jìn)行發(fā)送。

MBSFN 方案所配置M 子幀不能用于LTE 業(yè)務(wù)信道，Normal 子幀方案會(huì)影響LTE-CRS 測(cè)量的準(zhǔn)確性，一般情況下傾向于采用MBSFN 方案。

3.2 PDCCH與PDSCH的頻譜共享

NR PDSCH 有兩種類型：Type A和Type B，兩種格式的PDSCH 要求如表2 所示：

DSS 傳輸NR Type A PDSCH 數(shù)據(jù)時(shí)，其起始符號(hào)位置最遲為符號(hào)3，在不使用跨時(shí)隙調(diào)度的情況下，NR PDCCH 與LTE PDCCH 共享每個(gè)時(shí)隙的前3 個(gè)符號(hào)，LTE與NR 的一個(gè)信道配置用例示意如圖4 所示。

圖4 基于Rate matching的共享

根據(jù)協(xié)議要求，LTE 不可以使用配置了NR PDCCH所在PRB 的PDSCH 傳輸數(shù)據(jù)，但NR 可使用整個(gè)頻段的PDSCH 傳輸數(shù)據(jù)。

DSS傳輸NR Type B PDSCH數(shù)據(jù)時(shí)，R15 時(shí)Type B 的PDSCH 長度可以是2、4、7 個(gè)符號(hào)，R16 時(shí)Type B的PDSCH 長度增加了9和10 個(gè)符號(hào)的支持。TypeB 格式PDSCH 的起始符號(hào)可以從符號(hào)0 到符號(hào)12，在NR 同時(shí)隙調(diào)度TypeB PDSCH 時(shí)，PDCCH 可根據(jù)資源調(diào)度情況放置在調(diào)度時(shí)隙較后的符號(hào)。圖5 為LTE 與TypeB PDSCH動(dòng)態(tài)頻譜共享信道配置的一個(gè)實(shí)例。

圖5 基于Type B PDSCH的共享

R15 TypeB PDSCH 共享時(shí)支持最長符號(hào)為7 符號(hào)，會(huì)出現(xiàn)部分符號(hào)空閑無法使用，造成資源浪費(fèi)，R16 TypeB PDSCH 可靈活支持2 到13 個(gè)符號(hào)，可以充分利用PDSCH 資源，提高頻譜使用效率。

3.3 下行動(dòng)態(tài)頻譜共享方案對(duì)下行容量影響分析

（1）NR 開銷對(duì)LTE 的影響

NR 下行主要配置開銷信道包括：周期20 ms 的SSB和RMSI，周期10 ms 的MSG2/4周期320 ms 的Paging以及周期640 ms 的SIBx。采用MBSFN 方案，大周期開銷可與小周期開銷共用MBSFN 子幀。在NR 空載情況下，NR 控制信道對(duì)LTE 容量影響理論計(jì)算如表3。

表3 NR控制信道對(duì)LTE容量影響理論計(jì)算

MSG2/4 可周期配置或按需配置，在空載時(shí)可不配置MSG2/4 時(shí)，對(duì)于采用MBSFN 子幀方案，NR 開銷信道對(duì)LTE 容量影響為10%；對(duì)于采用 LTE Normal 子幀方案，NR 開銷信道對(duì)LTE 容量影響為2.5%。

（2）LTE 開銷對(duì)NR 的影響

LTE 系統(tǒng)正常工作時(shí)需發(fā)送必要的控制信道和開銷信息，主要包括PSS/SSS/PBCH、PDCCH、PCFICH、PHICH、CRS、SIBx等。

PSS/SSS/PBCH 占據(jù)中間72 個(gè)子載波5 ms 周期發(fā)送，PDCCH 每個(gè)TTI 占據(jù)1 或2 個(gè)符號(hào)，CRS 全頻帶發(fā)送，2Tx時(shí)在每個(gè)PRB 的符號(hào)3～13 占據(jù)12 個(gè)RE，4Tx 時(shí)在每個(gè)PRB符號(hào)3～13 占據(jù)16 個(gè)RE，SIBx 以不同周期和占用不同的RB進(jìn)行發(fā)送，不同的LTE 信道/信號(hào)對(duì)NR 影響理論計(jì)算如表4。

表4 LTE信道/信號(hào)對(duì)NR影響理論計(jì)算

LTE 不同配置下對(duì)NR 容量影響不同，在不同配置下LTE 開銷對(duì)NR 容量影響如表5。

表5 LTE開銷對(duì)NR容量影響

以上為按某個(gè)配置的理論計(jì)算情況，實(shí)際上LTE 不同的資源配置方式對(duì)NR 容量是不同的。

4 動(dòng)態(tài)頻譜共享實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證

4.1 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證拓?fù)鋱D如圖6，單站峰值性能測(cè)試只配置1 個(gè)服務(wù)小區(qū)，組網(wǎng)性能測(cè)試配置2 個(gè)小區(qū)，其中1個(gè)小區(qū)作為服務(wù)小區(qū)，另1 個(gè)小區(qū)作為干擾小區(qū)。小區(qū)根據(jù)測(cè)試需求可配置為LTE、DSS 或NR 小區(qū)。

圖6 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.2 單站峰值性能驗(yàn)證

（1）實(shí)驗(yàn)室采用TM4 模式終端進(jìn)行測(cè)試，DSS 開啟時(shí)NR 開銷對(duì)LTE 性能影響測(cè)試結(jié)果如表6：

表6 NR開銷對(duì)LTE性能影響

（2）DSS 開啟時(shí)LTE 開銷對(duì)NR 性能影響測(cè)試結(jié)果如表7：

表7 LTE開銷對(duì)NR性能影響

單站峰值性能測(cè)試，DSS 的開啟相當(dāng)于在一個(gè)頻段內(nèi)發(fā)送兩個(gè)系統(tǒng)的開銷信息，單站峰值測(cè)試顯示開啟DSS 時(shí)開銷信息對(duì)系統(tǒng)影響與理論分析基本一致。

4.3 組網(wǎng)性能驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室配置兩個(gè)DSS 小區(qū)，其中一個(gè)小區(qū)為服務(wù)小區(qū)，另一個(gè)小區(qū)為干擾小區(qū)，兩小區(qū)網(wǎng)組情況下服務(wù)小區(qū)近、中、遠(yuǎn)點(diǎn)信號(hào)及干擾，測(cè)試DSS 的組網(wǎng)性能測(cè)試結(jié)果如表8。

表8 DSS組網(wǎng)性能

測(cè)試結(jié)果顯示在近點(diǎn)干擾較弱時(shí)NR 速率平均下降約14%，基本接近開銷影響；中遠(yuǎn)點(diǎn)服務(wù)小區(qū)信號(hào)變?nèi)?，干擾信號(hào)變強(qiáng)，此時(shí)中點(diǎn)NR 性能平均下降約57%，遠(yuǎn)點(diǎn)平均平能下降約82%。以服務(wù)小區(qū)與干擾小區(qū)RSRP 信干比為橫軸，NR 性能下降比例為縱軸做曲線擬合。與純NR 組網(wǎng)相比較，DSS 在信干比越低時(shí)，NR 性能下降比例越大，信干比為0時(shí)下降約70%，信干比為20 時(shí)下降約40%，基本上在中遠(yuǎn)點(diǎn)的位置上NR 性能下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LTE 開銷比例。

固定干擾小區(qū)負(fù)荷為25%，測(cè)試出在不同的點(diǎn)位下小區(qū)性能下降的比例如表9：

表9 干擾小區(qū)負(fù)荷為25%時(shí)的NR性能下降

根據(jù)信干比C/I 與對(duì)應(yīng)小區(qū)性能下降比例，在Excel表做曲線擬合可獲得服務(wù)小區(qū)與干擾小區(qū)RSRP 信干比與DSS-NR 性能下降關(guān)系曲線如圖7。

圖7 服務(wù)小區(qū)與干擾小區(qū)RSRP信干比與DSS-NR性能下降關(guān)系

實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)測(cè)試只在兩個(gè)相鄰小區(qū)間進(jìn)行，無線環(huán)境較為簡單?，F(xiàn)網(wǎng)實(shí)際情況是由多個(gè)小區(qū)組網(wǎng)而成，無線環(huán)境比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境復(fù)雜的多，DSS 受到的影響可能更大。

5 結(jié)束語

動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)頻段內(nèi)同時(shí)部署LTE 與NR 網(wǎng)絡(luò)。在沒有干擾的單站峰值性能測(cè)試，系統(tǒng)受DSS 開銷影響與理論分析基本一致。在實(shí)驗(yàn)室兩小區(qū)組網(wǎng)情況下，DSS 服務(wù)小區(qū)受到鄰小區(qū)干擾，DSS-NR性能與純NR 組網(wǎng)性能比較，其下降幅度遠(yuǎn)大于開銷影響，20 MHz DSS 組網(wǎng)NR 性能遠(yuǎn)差于20 MHz 純NR 組網(wǎng)性能。DSS 技術(shù)雖然能在維持現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)的情況下利用4G 頻段部署5G 網(wǎng)絡(luò)，但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中不可忽視鄰區(qū)干擾對(duì)DSS-NR 性能的影響，應(yīng)深入研究尋求減輕鄰區(qū)干擾的方法，慎重部署20 MHz DSS 網(wǎng)絡(luò)。