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 運營牌照并分配5G 使用的頻段。由于之前的移動通信系統(tǒng)占用了較多的低頻段頻率資源，在5G 時代運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，對節(jié)省設(shè)備投資和運營成本、提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量等具有重要意義。

目前有很多移動網(wǎng)絡(luò)運營商在較低頻段部署了LTE 網(wǎng)絡(luò)，如何在不影響存量LTE 用戶的情況下對該頻段進行重耕，充分利用已有頻段部署5G 網(wǎng)絡(luò)成為運營商迫切需要解決的問題。本文在對LTE/NR 動態(tài)頻譜共享關(guān)鍵技術(shù)研究和性能分析的基礎(chǔ)上，進行了實驗室性能測試分析，以期評估動態(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 動態(tài)頻譜共享時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 階段對動態(tài)頻譜共享功能做了增強，增加了對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11）與LTE 的CRS 的干擾，開展共享的時候，基站需要把NR additional DMRS 從符號11 挪到符號12。

（2）NR 15 kHz SCS 時，NR PDSCH 對LTE CRS進行RE 級速率匹配（Ratematching）

為了避免LTE 的CRS 對于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偏移7.5 kHz，該功能在38.331 →FrequencyInf oUL →frequencyShift7p5 kHz 所定義。

（4）對LTE CRS 速率匹配信元定義

3GPP R15 協(xié)議中定義了用于UE 終端上報支持LTE CRS速率匹配能力的信元rateMatchingLTE-CRS。對于支持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

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

（3）NR 支持對于多個LTE 載波的CRS 速率匹配

R16 支持一個較大帶寬NR 下可以與多個LTE 載波進行頻譜共享，支持對多個LTE 載波的CRS 速率匹配。

2 上行動態(tài)頻譜共享

2.1 上行動態(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 頻譜共享時需避免兩個系統(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上行動態(tài)頻譜共享方案對上行容量影響

（1）NR 對LTE 影響

NR 與LTE 動態(tài)頻譜共享時，LTE 通過時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RB PRACH，NR 對LTE 容量影響：

(6/100)×(1/10)=0.6%

LTE 需要在NR 的SRS 發(fā)送子幀的最后一個符號不發(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RB 的情況，下面以配置2 個RB 的PUCCH 進行計算。

NR 需避讓LTE 10 ms 為周期的6 個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)進行能力協(xié)商，最初接入時按純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，不能在開銷信道實現(xiàn)Ratematching 功能。在這種情況下直接配置SSB、RMSI 等開銷信道，會與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，每個子幀前面1～3 個符號用于傳輸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 個符號，RMSI 需連續(xù)占用24 個RB資源。LTE Normal 子幀配置NR SSB、RMSI 時，LTE 的PDCCH 以及CRS 可能會與NR SSB、RMSI 位置有重疊，產(chǎn)生沖突。

圖3 LTE Normal子幀配置方案

對于與LTE PDCCH 沖突，由于SSB和RMSI 在時域上可以從所在子幀符號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。對于SSB和RMSI 與LTE CRS 位置重疊沖突，可對重疊位置RE 對應(yīng)的NR 或LTE-CRS 進行打孔避免兩者之間的沖突。

對于NR 其他開銷信道，也可同樣采用對重疊位置RE 對應(yīng)的NR 或LTE-CRS 打孔的方式進行發(fā)送。

MBSFN 方案所配置M 子幀不能用于LTE 業(yè)務(wù)信道，Normal 子幀方案會影響LTE-CRS 測量的準(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，其起始符號位置最遲為符號3，在不使用跨時隙調(diào)度的情況下，NR PDCCH 與LTE PDCCH 共享每個時隙的前3 個符號，LTE與NR 的一個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 可使用整個頻段的PDSCH 傳輸數(shù)據(jù)。

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

圖5 基于Type B PDSCH的共享

R15 TypeB PDSCH 共享時支持最長符號為7 符號，會出現(xiàn)部分符號空閑無法使用，造成資源浪費，R16 TypeB PDSCH 可靈活支持2 到13 個符號，可以充分利用PDSCH 資源，提高頻譜使用效率。

3.3 下行動態(tài)頻譜共享方案對下行容量影響分析

（1）NR 開銷對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LTE 容量影響理論計算如表3。

表3 NR控制信道對LTE容量影響理論計算

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

（2）LTE 開銷對NR 的影響

LTE 系統(tǒng)正常工作時需發(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 個子載波5 ms 周期發(fā)送，PDCCH 每個TTI 占據(jù)1 或2 個符號，CRS 全頻帶發(fā)送，2Tx時在每個PRB 的符號3～13 占據(jù)12 個RE，4Tx 時在每個PRB符號3～13 占據(jù)16 個RE，SIBx 以不同周期和占用不同的RB進行發(fā)送，不同的LTE 信道/信號對NR 影響理論計算如表4。

表4 LTE信道/信號對NR影響理論計算

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

表5 LTE開銷對NR容量影響

以上為按某個配置的理論計算情況，實際上LTE 不同的資源配置方式對NR 容量是不同的。

4 動態(tài)頻譜共享實驗室測試驗證

4.1 測試網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

實驗室測試驗證拓?fù)鋱D如圖6，單站峰值性能測試只配置1 個服務(wù)小區(qū)，組網(wǎng)性能測試配置2 個小區(qū)，其中1個小區(qū)作為服務(wù)小區(qū)，另1 個小區(qū)作為干擾小區(qū)。小區(qū)根據(jù)測試需求可配置為LTE、DSS 或NR 小區(qū)。

圖6 測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.2 單站峰值性能驗證

（1）實驗室采用TM4 模式終端進行測試，DSS 開啟時NR 開銷對LTE 性能影響測試結(jié)果如表6：

表6 NR開銷對LTE性能影響

（2）DSS 開啟時LTE 開銷對NR 性能影響測試結(jié)果如表7：

表7 LTE開銷對NR性能影響

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

4.3 組網(wǎng)性能驗證

實驗室配置兩個DSS 小區(qū)，其中一個小區(qū)為服務(wù)小區(qū)，另一個小區(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)點信號及干擾，測試DSS 的組網(wǎng)性能測試結(jié)果如表8。

表8 DSS組網(wǎng)性能

測試結(jié)果顯示在近點干擾較弱時NR 速率平均下降約14%，基本接近開銷影響；中遠(yuǎn)點服務(wù)小區(qū)信號變?nèi)酰蓴_信號變強，此時中點NR 性能平均下降約57%，遠(yuǎn)點平均平能下降約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，NR 性能下降比例越大，信干比為0時下降約70%，信干比為20 時下降約40%，基本上在中遠(yuǎn)點的位置上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%，測試出在不同的點位下小區(qū)性能下降的比例如表9：

表9 干擾小區(qū)負(fù)荷為25%時的NR性能下降

根據(jù)信干比C/I 與對應(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

實驗室組網(wǎng)測試只在兩個相鄰小區(qū)間進行，無線環(huán)境較為簡單?，F(xiàn)網(wǎng)實際情況是由多個小區(qū)組網(wǎng)而成，無線環(huán)境比實驗室環(huán)境復(fù)雜的多，DSS 受到的影響可能更大。

5 結(jié)束語

動態(tài)頻譜共享技術(shù)實現(xiàn)了在同一個頻段內(nèi)同時部署LTE 與NR 網(wǎng)絡(luò)。在沒有干擾的單站峰值性能測試，系統(tǒng)受DSS 開銷影響與理論分析基本一致。在實驗室兩小區(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)，但在實際網(wǎng)絡(luò)部署中不可忽視鄰區(qū)干擾對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)。