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中頻段5G系統(tǒng)間共存方案研究*

2021-10-08 07:47:22劉琪付有奇伉沛川
信息通信技術(shù)與政策 2021年9期
關(guān)鍵詞:時(shí)隙頻段濾波器

劉琪 付有奇 伉沛川

(中國信息通信研究院無線電研究中心,北京 100037)

0 引言

以5G為代表的時(shí)分雙工(Time-Division Duplex,TDD)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)具有易于調(diào)整上下行比例的優(yōu)點(diǎn),但也會(huì)出現(xiàn)交叉鏈路干擾(Cross-link Interference)[1]。如不同運(yùn)營商(主體)在同一區(qū)域鄰頻部署5G網(wǎng)絡(luò),如果相互之間沒有同步及上下行時(shí)隙配比協(xié)調(diào),就會(huì)出現(xiàn)同一時(shí)刻某家運(yùn)營商的基站(終端)處于發(fā)射模式,而另一家運(yùn)營商的基站(終端)處于接收模式的情況,由于發(fā)射機(jī)的帶外輻射特性以及接收機(jī)鄰道選擇性的限制,可能造成接收機(jī)的底噪抬升甚至被阻塞,從而影響到接收機(jī)對(duì)有用信號(hào)的接收,導(dǎo)致嚴(yán)重互擾。

針對(duì)我國5G系統(tǒng)頻率許可情況,中國電信和中國聯(lián)通5G系統(tǒng)在3.5 GHz頻段、中國移動(dòng)和中國廣電5G系統(tǒng)在4.9 GHz頻段均存在鄰頻情況。考慮到我國5G網(wǎng)絡(luò)處于建設(shè)初期,運(yùn)營商采用共建共享方式部署網(wǎng)絡(luò),目前承載業(yè)務(wù)以下行為主,所以5G系統(tǒng)尚未出現(xiàn)嚴(yán)重的交叉鏈路干擾。但隨著5G行業(yè)應(yīng)用的日益廣泛,局部區(qū)域以上行為主的業(yè)務(wù)需要調(diào)整系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)[2],將導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)共存問題較為復(fù)雜,需要對(duì)中頻段5G系統(tǒng)的兼容性開展研究,制定相應(yīng)技術(shù)方案。考慮到基站間交叉鏈路干擾最為嚴(yán)重,本文主要針對(duì)同頻段5G基站間干擾開展共存研究。

1 5G系統(tǒng)共存方案

鄰頻5G系統(tǒng)共存方案主要有兩類,一類是同步共存方案,即通過協(xié)商實(shí)現(xiàn)不同5G系統(tǒng)間的同步運(yùn)行,即多個(gè)5G基站在同一時(shí)刻均為發(fā)射或均為接收的狀態(tài);另一類是非同步共存方案,即通過設(shè)置保護(hù)帶、增加濾波器、空間隔離等措施減少干擾。兩類方案各有優(yōu)缺點(diǎn),滿足不同場景應(yīng)用需求。

1.1 同步共存方案

同步共存方案是目前國內(nèi)外主流的5G系統(tǒng)共存方案,早在4G時(shí)代我國就研究制定了相鄰頻帶多家運(yùn)營商部署TDD系統(tǒng)的共存實(shí)現(xiàn)方案[3]。由于5G系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)配置較為靈活,同步共存方案有全同步和半同步兩種。

1.1.1 全同步模式

該模式是指5G系統(tǒng)在物理層幀層面相位和時(shí)間的同步,該模式避免了任何基站—基站和終端—終端間的干擾,因此允許鄰頻網(wǎng)絡(luò)的共存,而且無需保護(hù)帶或增加濾波器。全同步模式簡化了網(wǎng)絡(luò)部署,不需要額外的干擾緩解措施。典型的全同步模式例子如圖1所示:盡管幀結(jié)構(gòu)略有不同,但收發(fā)不重疊,不會(huì)造成干擾。

圖1 全同步模式示意圖

全同步模式需要選擇兼容性幀結(jié)構(gòu),主要包括上下行時(shí)隙、幀長等內(nèi)容,相關(guān)參數(shù)決定了網(wǎng)絡(luò)性能(例如時(shí)延、頻譜效率、吞吐量和覆蓋范圍)。全同步模式還需要有共同的相位時(shí)鐘參考和精度/性能約束,5G系統(tǒng)的時(shí)鐘同步誤差一般要求在(-1.5~1.5 μs)以內(nèi)。

1.1.2 半同步模式

半同步模式是指系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的部分時(shí)隙工作在全同步模式,其余部分時(shí)隙工作在非同步模式。該模式要求5G網(wǎng)絡(luò)采用固定的幀結(jié)構(gòu),其中部分上下行時(shí)隙不做規(guī)定,所有基站在發(fā)射前實(shí)現(xiàn)幀同步。半同步模式允許不同網(wǎng)絡(luò)對(duì)幀結(jié)構(gòu)的部分時(shí)隙自定義上下行方向,由此帶來一定靈活性,但在一定程度上會(huì)導(dǎo)致額外的干擾。半同步模式如圖2所示。

圖2 半同步模式示意圖

1.2 非同步共存方案

在非同步模式下,5G網(wǎng)絡(luò)沒有同步和兼容幀結(jié)構(gòu)的要求。不同5G網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立選擇最合適的幀結(jié)構(gòu)滿足業(yè)務(wù)需求,但幀結(jié)構(gòu)的靈活選擇會(huì)導(dǎo)致共存干擾較為復(fù)雜。該模式主要通過增加隔離度減少系統(tǒng)間干擾,例如采用設(shè)置保護(hù)帶、增加濾波器、空間隔離等措施。

2 5G系統(tǒng)共存技術(shù)要求及性能分析

2.1 同步共存方案的技術(shù)要求及性能分析

2.1.1 幀結(jié)構(gòu)是同步共存方案的關(guān)鍵

同步共存方案降低了系統(tǒng)靈活性,運(yùn)營商協(xié)調(diào)確定兼容性幀結(jié)構(gòu),無須預(yù)留保護(hù)帶就可以實(shí)現(xiàn)鄰頻5G系統(tǒng)的共存。幀結(jié)構(gòu)的選擇決定了5G系統(tǒng)上下行速率、時(shí)延、覆蓋等性能。

根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)[4-5],5G系統(tǒng)幀時(shí)長10 ms,包含10個(gè)時(shí)長1 ms的子幀。每個(gè)幀分2個(gè)半幀,每個(gè)子幀14個(gè)符號(hào),每個(gè)子幀的時(shí)隙、符號(hào)間隔等參數(shù)由系統(tǒng)參數(shù)集(Numerologies)確定。對(duì)于eMBB應(yīng)用,3GPP建議中頻段5G系統(tǒng)采用30 kHz子載波間隔,通過設(shè)置子幀中的符號(hào)傳輸方向?qū)崿F(xiàn)上下行配置。常用的4種典型幀結(jié)構(gòu)如下。

結(jié)構(gòu)1∶2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu),每5 ms中包含5個(gè)全下行時(shí)隙,3個(gè)全上行時(shí)隙和2個(gè)特殊時(shí)隙,特殊時(shí)隙根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,常用配置為10∶2∶2比例,幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)2:2.5 ms單周期幀結(jié)構(gòu),每2.5 ms中包含3個(gè)全下行時(shí)隙,1個(gè)全上行時(shí)隙和1個(gè)特殊時(shí)隙,特殊時(shí)隙根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,常用配置為10∶2∶2比例,幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 2.5 ms單周期幀結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)3:每2 ms中包含2個(gè)全下行時(shí)隙,1個(gè)全上行時(shí)隙和1個(gè)特殊時(shí)隙,特殊時(shí)隙根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,常用配置為10∶2∶2比例,幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)3幀結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)4:每2.5 ms中包含5個(gè)雙向時(shí)隙,其中4個(gè)

下行為主時(shí)隙和1個(gè)上行為主時(shí)隙,常用的上行為主時(shí)隙配比為1∶1∶12,下行為主時(shí)隙配比為12∶1∶1,幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)4幀結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 不同幀結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能分析

(1)傳輸速率分析

基于符號(hào)數(shù)目的4種不同幀結(jié)構(gòu)下的容量和開銷對(duì)比如表1所示,根據(jù)3GPP技術(shù)規(guī)范[6],利用公式(1)對(duì)系統(tǒng)上下行速率進(jìn)行計(jì)算

表1 不同幀結(jié)構(gòu)的容量和開銷

(1)

對(duì)于中頻段4T4R的100 MHz帶寬5G系統(tǒng),采用不同配置下的傳輸速率有明顯差別,適用于不同業(yè)務(wù)場景,采用同步方案需要根據(jù)需求協(xié)調(diào)采用兼容幀結(jié)構(gòu)。

μs=1的參數(shù)集,不同幀結(jié)構(gòu)配置下的5G系統(tǒng)上下行峰值傳輸速率見表2。

表2 5G系統(tǒng)上下行峰值傳輸速率

(2)覆蓋性能分析

幀結(jié)構(gòu)中特殊子幀內(nèi)上下行轉(zhuǎn)換保護(hù)間隔(GP)數(shù)量對(duì)覆蓋有明顯影響,選擇不同GP數(shù)量會(huì)引起傳輸時(shí)延的變化,從而影響基站的最大覆蓋距離。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范:

最大覆蓋距離=c·(GP-T[Rx-Tx,UE])/2

(2)

其中,c是光速,T[Rx-Tx,UE]是終端從下行接收到上行發(fā)射的轉(zhuǎn)換時(shí)間,該值與輸出功率的精確度有關(guān),典型值是10~40 μs,假定取10 μs。對(duì)于中頻段5G系統(tǒng),采用μ=1的參數(shù)集,特殊子幀中GP數(shù)量有所差異,基站最大覆蓋距離如表3所示。

表3 不同幀結(jié)構(gòu)的5G系統(tǒng)覆蓋性能

結(jié)構(gòu)1~3特殊子幀中GP數(shù)量都為2,單站最大覆蓋距離不超過8.5 km。

2.1.3 半同步模式干擾分析

半同步模式默認(rèn)幀結(jié)構(gòu)中的固定時(shí)隙不會(huì)產(chǎn)生干擾,靈活時(shí)隙傳輸方向不同會(huì)造成干擾,下行變上行和上行變下行產(chǎn)生的干擾有所不同。從基站間干擾看,下行變上行的5G基站不會(huì)干擾其他網(wǎng)絡(luò),但會(huì)受到其他網(wǎng)絡(luò)的干擾。大多數(shù)情況下,由于終端通常是移動(dòng)的,間歇性發(fā)射信號(hào),終端間干擾可以忽略不計(jì)。而上行變下行的5G基站將干擾其他網(wǎng)絡(luò),但不會(huì)受到其他網(wǎng)絡(luò)干擾。參考?xì)W洲郵電管理委員會(huì)電子通信委員會(huì)(ECC)研究報(bào)告,半同步模式下室外微基站和室內(nèi)小基站可以鄰頻共存,室外宏站不能共存,3GPP正在研究相關(guān)干擾消除算法。半同步模式要求5G系統(tǒng)間時(shí)鐘同步誤差在(-1.5~1.5 μs)以內(nèi)。

2.2 非同步共存方案的技術(shù)要求

非同步共存方案主要是引入各種緩解措施減少系統(tǒng)間干擾,常用的緩解措施包括預(yù)留保護(hù)帶、加裝濾波器、增加空間隔離、區(qū)分室內(nèi)/外部署等。非同步方案的優(yōu)勢在于運(yùn)營商可以根據(jù)應(yīng)用場景靈活配置網(wǎng)絡(luò),但會(huì)降低頻譜利用率或增加成本。需要對(duì)不同干擾緩解措施進(jìn)行評(píng)估以滿足干擾忍受的最低標(biāo)準(zhǔn)。目前,常用的干擾忍受準(zhǔn)則有兩種,一種是5G系統(tǒng)性能下降準(zhǔn)則,ECC建議[7]采用受擾系統(tǒng)上行平均速率下降5%作為評(píng)估準(zhǔn)則,但對(duì)于5G的URLLC場景應(yīng)用,評(píng)估準(zhǔn)則會(huì)更加嚴(yán)格;另一類是常用的系統(tǒng)共存準(zhǔn)則,一般采用干擾噪聲比低于-6 dB作為評(píng)估準(zhǔn)則[8]。

2.2.1 預(yù)留保護(hù)帶寬和濾波器措施

參考ECC建議書,對(duì)于中頻段采用非有源天線的5G系統(tǒng),預(yù)留5 MHz保護(hù)帶并加裝濾波器可以解決非同步帶來的干擾。由于有源天線的復(fù)雜性,目前還沒有對(duì)其保護(hù)帶寬和濾波器的技術(shù)研究??紤]到有源天線系統(tǒng)濾波器較為復(fù)雜,預(yù)留保護(hù)帶寬會(huì)導(dǎo)致頻譜效率下降,所以該措施在實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想。ECC報(bào)告提出基于現(xiàn)有濾波器技術(shù),需要預(yù)留20 MHz帶寬才能確保有效緩解有源天線5G系統(tǒng)的交叉鏈路干擾。

2.2.2 空間隔離措施

根據(jù)干擾忍受的兩類準(zhǔn)則,通過仿真或理論計(jì)算可以確定非同步網(wǎng)絡(luò)的隔離距離。根據(jù)ECC研究報(bào)告[9],3400~3800 MHz頻段非同步模式在不預(yù)留保護(hù)帶的情況下,5G宏蜂窩的同頻最小間隔距離為60 km,鄰頻最小間隔距離為14 km。區(qū)分室內(nèi)/外部署可以增加隔離度,非同步模式下鄰頻的室外宏站和優(yōu)化部署(如安裝在天花板或遠(yuǎn)離窗口)的室內(nèi)小基站可以共存。

2.2.3 利用多種措施確保邊界區(qū)域信號(hào)場強(qiáng)低于限值

根據(jù)干擾忍受準(zhǔn)則,基于傳播模型,計(jì)算邊界區(qū)域地面3 m處的干擾信號(hào)場強(qiáng)限值。5G網(wǎng)絡(luò)必須采用降低發(fā)射功率、調(diào)整天線方向、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署等措施確保邊界區(qū)域信號(hào)低于干擾限值??紤]到有源天線方向圖的復(fù)雜性,利用傳播模型計(jì)算邊界區(qū)域干擾場強(qiáng)限值較為復(fù)雜。德國監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定了3700~3800 MHz頻段不同5G網(wǎng)絡(luò)邊界區(qū)域場強(qiáng)限制[10],要求邊界區(qū)域地面3 m及以上高度的場強(qiáng)限值為-32 dBμV/m/5 MHz。

3 中頻段5G系統(tǒng)共存技術(shù)方案建議

綜合分析兩類共存方案特點(diǎn),考慮到非同步方案有預(yù)留保護(hù)帶寬、加裝濾波器以及空間隔離距離等限制條件,將導(dǎo)致5G系統(tǒng)頻譜效率降低、使用范圍有所限制、建網(wǎng)成本增加,目前國外優(yōu)先選擇同步共存方案實(shí)現(xiàn)鄰頻5G系統(tǒng)共存。對(duì)于我國中頻段5G系統(tǒng)共存有以下建議。

一是鄰頻5G系統(tǒng)優(yōu)先采用全同步共存方案。在綜合考慮頻譜效率、上下行速率和覆蓋等因素基礎(chǔ)上,建議運(yùn)營商協(xié)調(diào)選取兼容的幀結(jié)構(gòu)。盡管幀結(jié)構(gòu)限制會(huì)降低5G系統(tǒng)靈活性并帶來部分頻譜效率的降低,但該方案簡便易行,是優(yōu)先推薦的共存方案。

二是在運(yùn)營商無法達(dá)成全同步共存協(xié)議或鄰頻兩個(gè)5G系統(tǒng)上下行比差異較大情況下,可以采用半同步共存方案和非同步共存方案,但系統(tǒng)間會(huì)產(chǎn)生交叉鏈路干擾,半同步共存方案干擾小于非同步共存方案。運(yùn)營商仍需達(dá)成協(xié)調(diào)協(xié)議,明確邊界場強(qiáng)限值,綜合利用預(yù)留保護(hù)帶、增加空間隔離、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署等多種干擾緩解措施確保5G網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

三是由監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定5G網(wǎng)絡(luò)的共存協(xié)議框架,指導(dǎo)相關(guān)運(yùn)營商達(dá)成鄰頻5G系統(tǒng)共存方案。對(duì)于全同步方案明確相關(guān)技術(shù)參數(shù)(包括參考時(shí)鐘、參考幀結(jié)構(gòu)、同步技術(shù))、部署區(qū)域;對(duì)于半同步方案還需要明確靈活子幀中下行時(shí)隙變?yōu)樯闲袝r(shí)隙的位置;對(duì)于非同步方案需要明確使用區(qū)域、隔離度要求、邊界場強(qiáng)限值等指標(biāo)。

4 結(jié)束語

針對(duì)同頻段5G系統(tǒng)共存問題,本文分析了兩類技術(shù)方案,綜合考慮多個(gè)因素,全同步共存是較優(yōu)的解決方案,半同步方案和非同步方案會(huì)造成一定干擾,需要引入干擾緩解措施。隨著5G行業(yè)應(yīng)用日益廣泛,鄰頻5G共存問題將日漸突出,監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定共存框架有利于指導(dǎo)運(yùn)營商達(dá)成協(xié)議,實(shí)現(xiàn)頻率資源的高效使用。

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