同频共享技术在2.1GHz中的应用研究

2023-01-09李贝胡煜华刘光海肖天宋春涛张屹王波王群青

电信科学 2022年12期

李贝，胡煜华，刘光海，肖天，宋春涛，张屹，王波，王群青

同频共享技术在2.1GHz中的应用研究

李贝1，胡煜华2，刘光海1，肖天1，宋春涛1，张屹1，王波3，王群青2

（1. 中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048；2. 中国联合网络通信有限公司浙江省分公司，浙江杭州 310051；3. 中国联合网络通信集团有限公司，北京 100033）

3GPP标准在5G系统设计过程中考虑了与长期演进（long term evolution，LTE）技术共存需求，引入了频谱共享技术，结合频谱共享技术种类、原理等深入剖析，对动态同频共享实现的关键因素进行探索，给出了动态同频共享实现方案、现网应用配置建议，以及该方案仿真及现网应用的效果验证，总结归纳了动态同频共享在现网使用的限制。

5G；LTE；频谱共享；动态同频共享

0 引言

5G网络建设初期，如果一个或多个运营商的4G业务量大而5G业务量少，此时分别单独部署4G或5G将会造成频谱极大浪费；5G网络建设完善后，增强移动宽带等场景峰值速率需求高，5G新空口（new radio，NR）系统设计目标频段范围为0.5～100 GHz，其中只有3.5 GHz频段的大带宽可实现6 GHz以下全球统一频谱[1]，远不能满足5G三大应用场景的频谱需求；随着NR设备渗透率不断提高，迁移现有的LTE频谱和部署NR系统的需求逐渐增加，NR与LTE系统部署在相同频段成为可能。采用同频共享技术可在不影响4G用户体验的前提下快速部署5G，有效提升频谱利用率，在实现新、旧技术平滑过渡的同时保障用户感知。

1 同频共享技术原理

1.1 协议发展历程

动态频谱共享（dynamic spectrum sharing，DSS）技术是3GPP标准组织为了解决频谱拥挤问题而在Release 15（Rel-15）中推出的一项技术，利用4G LTE和5G NR均基于正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技术这一事实，允许4G LTE用户和5G NR用户在同一频带/信道中共存，并允许运营商的基站和网络在每个小区的4G用户和5G用户之间动态分配信道资源[2]。Rel-15与DSS有关的技术如下。

（1）附加解调参考信号（addtional demodulation reference signal，addtional DMRS）避让LTE的小区参考信号（cell reference signal，CRS），见协议38.211[3]。

（2）物理下行控制信道（physical downlink control channel，PDCCH）的控制资源元素的资源设置（control resource element sourceset，CORESET）避让LTE的CRS，见协议38.213[4]。

（3）NR的子载波间隔（sub-carrier space，SCS）为15 kHz时，NR的物理下行共享信道（physical downlink shared channel，PDSCH）对LTE CRS进行资源元素（resource element，RE）级速率匹配，见协议38.214[5]。

（4）频分双工（frequency-division duplex，FDD）时，NR上行链路（uplink，UL）可以设置7.5 kHz偏移；对LTE CRS速率匹配信元进行了定义，见协议38.306、38.331[6-7]。

（5）4G/5G之间传输的小区配置参数及调度参数进行了X2/Xn接口定义，详见协议36.423、38.423[8-9]。

3GPP Rel-16提出，物理下行共享信道（physical downlink shared channel，PDSCH）映射类型B能够分配9个或10个码元，从而有效地使用时隙[10]。Rel-17进一步探索了更优的跨载波调度，频谱项目定义了从辅小区（secondary cell，SCell）到特殊小区（special cell，sPCell）的跨载波调度功能[11]，包括SCell上的PDCCH可以调度sPCell的PDSCH和物理上行共享信道（physical uplink shared channel，PUSCH），sPCell上的PDCCH可以调度sPCell的PDSCH和PUSCH，但不能在任何其他小区上调度PDSCH和PUSCH，只能配置一个SCell用于sPCell的跨载波调度等。非频谱项目中定义了DSS和NR/LTE邻域部署时，在NR终端进行LTE CRS干扰消除[12]。

1.2 技术原理

频谱共享根据实现方式分为静态和动态两种[13]。动态同频共享指在同一频段内为不同制式的技术进行动态灵活的频率资源分配，与静态频谱为同一频段内不同制式的技术提供专用载波相比，动态方法可以提高频率效率，且利于制式间平滑演进。

频谱共享从频段分配上分为邻频共享和同频共享[14]。邻频/同频共享指NR系统与LTE系统部署在相邻的频谱/共同重叠的频谱上。NR系统利用LTE子帧中一些资源发送和接收数据。NR系统的传输可以在LTE系统的多媒体多播广播单频网（multicast broadcast single frequency network，MBSFN）或非MBSFN子帧中调度，采用一定的调度措施避开LTE系统的主同步信号（primary synchronization signal，PSS）、辅同步信号（secondary synchronization signal，SSS）、物理广播信道（physical broadcast channel，PBCH）和CRS。5G NR物理层设计与LTE相似[15-16]，因此4G和5G之间的同频共享是可行的。

本文重点研究同频共享技术应用。下行方面，LTE系统的非MBSFN子帧包括PDCCH（占用前1～3个OFDM负荷）和CRS[17]。在LTE系统非MBSFN子帧中调度的NR系统传输采用一定的调度措施避开LTE PDCCH和CRS占用的资源，3GPP规范了NR系统的3种处理模式，具体如下。

（1）基于微时隙的调度。基于微时隙的调度可以占用2/4/7个OFDM符号，可以在一个时隙内的任意符号位置开始，在避开LTE CRS和PDCCH的OFDM符号上NR可以调度[16]。

（2）NR支持资源块符号级速率匹配资源。LTE CRS资源占用的OFDM符号被配置为速率匹配资源。NR PDSCH映射时将避开上述OFDM符号[18]。

（3）LTE CRS的速率匹配。LTE CRS的带宽等信息由高层信令通知给UE。NR PDSCH可以映射到LTE CRS所占用的OFDM符号上，为充分利用资源，NR PDSCH子载波间隔为15 kHz[19]。

LTE物理信道和信号配置相对宽泛，参考信号、控制信道等都是全频带映射，NR也有各种物理信道和信号，目前LTE已基本实现全覆盖，因此现网同频共享技术一般采用第3种方案且采用动态的实现方式。将5G引入现有4G载波，使得4G/5G用户可以根据资源需求共享，使用相同的频率资源。由于上行不存在持续发送的信号，通过合理调度可以实现NR和LTE系统的同频共享[20]。NR系统可使用剩余资源传输，LTE物理随机接入信道（physical random access channel，PRACH）、探测参考信号（sounding reference signal，SRS）和PUCCH仍在原有资源上传输，NR与LTE系统的上行间可以以时分复用（time division multiplexing，TDM）或频分复用（frequency division multiplexing，FDM）的方式复用，4G、5G同频上行共存示意图如图1所示。例如NR系统上行信道栅格可配置0 kHz/7.5 kHz的偏移量[11]，通过配置7.5 kHz与LTE系统上行信道栅格对齐以避免子载波间的干扰。

图1 4G、5G同频上行共存示意图

2 动态同频共享技术关键因素

开销方面，由于4G、5G信令共存会带来一定的信道容量损失，因此同频共享需要采用有效的PDCCH控制信道分配算法以降低PDCCH的开销，目前现网采用动态同频共享。以20 MHz带宽、15 kHz子载波间隔，2.1 GHz重耕后动态同频共享开销分析显示，LTE（10 MHz）联合NR（10 MHz）的上、下行额外开销均为50%，动态同频共享（LTE与NR共享20 MHz）的上、下行额外开销分别为5.60%和10.30%，动态同频共享（LTE与NR共享15 MHz+NR独占5 MHz）的上、下行额外开销均为25%，NR可用子载波为106个资源块（resource block，RB），LTE载波可用100个RB，频谱利用率提升约6%。在20 MHz或以下带宽内实现动态同频共享，即使在NR空载时也会给LTE系统带来额外的开销。

调度方面，NR与LTE频谱资源使用比例可随用户接入动态调整，4G、5G业务信道PDSCH（PUSCH）实时共享，可根据业务需求实现不同粒度的调度和变化以提高频谱使用效率。可以凭借精细颗粒度解决频谱共享导致的频谱资源动态变化和多优先级网络共存问题，本文以2.1 GHz的动态同频共享（LTE CRS速率匹配的动态实现方式）为例进行应用研究。由于动态同频共享需要跨不同制式的网络进行调度，调度器需要在1～100 ms的颗粒度范围内响应不断变化的流量需求，动态频谱分配如图2所示，颗粒度为100 ms的动态频谱分配仍有频谱空余，颗粒度为1 ms的动态频谱分配实现了频谱利用率的最大化，目前现网时域配置1 ms传输时间间隔（transmission time interval，TTI）级调度[21]。

图2 动态频谱分配

网络架构与接口方面，为实现NR与LTE系统同频共享时资源协调，NR系统支持Xn和X2接口上的信息交互，例如，X2上交互LTE MBSFN子帧配置等，Xn上交互将要使用的时隙等资源使用计划。

3 动态同频共享实现方案

3.1 现阶段实现方案

DSS频谱共享技术是运营商可以在4G和5G网络使用相同的频谱，可以直接利用现有的LTE频谱。中国电信和中国联通基于2.1 GHz频率，提出了4G和5G动态频谱共享技术，推进4G和5G协同发展。在DSS技术的基础上，又研发了4G/5G动态频谱共享增强（hybrid DSS，HDSS）技术和基站簇级的动态资源共享（cluster DSS）技术来提升频谱效率、降低容量损失、实现簇内策略协同一致，在不影响4G业务的同时大幅提升频谱利用率，保障了共建共享网络下的最优用户体验，上述技术处于小范围应用阶段。

HDSS在40 MHz FDD NR小区配置基础上实现4G/5G动态频谱共享，其中20 MHz配置LTE FDD。对于支持40 MHz NR的终端，可充分使用40 MHz大带宽资源；对于支持20 MHz NR的存量终端，可以通过部分带宽（bandwidth part，BWP）正常接入。

cluster DSS指资源调度以基站簇为单位，基站簇内资源统一分配，实现了簇内无干扰，cluster DSS通过主动发现话务模式相同的站点，将其自动汇聚成基站簇，通过簇内策略协调一致，最小化异制式干扰，实现了5G用户体验和网络效率大幅提升，其中关键技术包括基于话务分布规律总结和历史话务分析的智能话务预测、基于基站间的覆盖关系得到候选的同频邻区的基站簇自生成、将簇内4G话务尽量导引到4G共覆盖频层的基站簇内流量整形，以及簇边界站点通过速率匹配自适应和带宽自适应等技术的簇间智能干扰规避。

3.2 端网协同推进DSS

动态同频共享需要端网协同可实现低频下快速开启5G SA网络。终端侧需要支持2.1 GHz网络且支持DSS功能的手机芯片组和新的调制解调器（目前主流终端均已支持），随着多模态网络的发展，DSS不再局限于2.1 GHz，更多的LTE、5G频段可能被应用，因此频谱共享采用的终端均需要支持DSS对应的两个频段。

网络架构方面，多运营商频谱共享有集中式和分布式两种方案，集中式方案需要增加位于网络架构各频谱共享之上的高级管理节点，实现频谱的需求管理、频谱池维护管理、干扰管理、频谱分配决策等。而分布式方案则在频谱共享者之间进行上述信息的交互。目前现网仅实现了同设备厂商的分布式信息的交互[21]。

硬件方面，动态同频共享可在现有4G网络的频段、射频拉远单元（remote radio unit，RRU）和天线的基础上更换或添加室内基带处理单元（building base band unit，BBU），从而快速将4G网络升级到5G，DSS硬件部署如图3所示。基带方面，可在原有4G BBU的基础上新增5G BBU或基带板，两者之间通过厂商的专用接口快速调度；也可用共享4G/5G的BBU替换原来的4G BBU。两种方式的区别为专用接口是否是厂商独有或标准化，目前动态同频共享不支持异设备厂商部署。同厂商基站现网配置需要注意4G/5G共模站点LTE和NR各配置1块基带板、1 kHz子载波间隔、共模RRU采用160 MHz带宽（5G NR配置NR 100 MHz、LTE配置3个20 MHz小区），DSS基带部署如图4所示。

图3 DSS硬件部署

图4 DSS基带部署

4 方案验证

4.1 仿真验证

动态同频共享需要有向后兼容性，即LTE设备必须正常运行。NR和LTE的资源调度可以在每个子帧动态变化，Matlab仿真参数为：配置子帧数10、5G/LTE物理资源块（physical resource block，PRB）数为52/25、LTE CRS端口数量为2、分配LTE小区标识的移位值为0、将LTE载波偏移设置NR点A以15 kHz子载波为单位确保5G波形具有与LTE波形相同的时频OFDM结构，配置5G PDSCH以占用LTE传输可用和未使用的所有资源。符号3是分配给PDSCH的第一个符号。LTE中的物理控制格式指示信道（physical control format indicator channel，PCFICH）、物理混合自动重传指示信道（physical hybrid ARQ indicator channel，PHICH）和PDCCH最多可以占用一个子帧中的前3个符号。对于在符号3上配置有DMRS和addtional DMRS的5G PDSCH映射类型A，将第二个DM-RS从符号11移动到符号12以避免与某些RE上LTE CRS的冲突。5G NR资源网格示意图如图5所示[22]，4G载波中引进5G的DSS波形频谱如图6所示[22]。动态同频共享的单个PRB/子帧的资源网格包含LTE CRS、LTE PDCCH和5G PDSCH及其DM-RS。LTE配置由两个CRS端口和在符号1中调度的PDCCH组成。仿真结果表明，LTE中引进NR频率提升了频谱利用效率。

图5 5G NR资源网格示意图[22]

图6 4G载波中引进5G的DSS波形频谱[22]

4.2 测试验证

图7 2.1 GHz动态同频共享开通后路测图（因4G区域非全部动态同频共享开通站点，4G/5G路测路线有差异）

选取某市某区域运营商A共享站点（该区域无NR基站，LTE 2.1 GHz与运营商B LTE 2.1 GHz异频）进行动态同频共享验证，将22个LTE站点（65个小区）收发模式由2发2收（2 transmit/receive，2TR）调整为4TR、13个站点共计38个小区功率控制参数RS/PA/PB由152/0/0调整为152/−3/1、6个基站由型号UBBPd5基带板更换为型号UBPPe16基带板、LTE/NR开通动态同频共享，L2100、NR2100各带宽为20 MHz，以下载为例进行路测和关键绩效指标（key performance indicator，KPI）分析，图7～图9为2.1 GHz动态同频共享开通后路测指标，图10～图11为2.1 GHz动态同频共享KPI趋势，经软、硬件改造实施动态同频共享后，在无NR区域通过共享现有LTE频谱快速实现了5G部署，本次试验区域与运营商B LTE 2.1 GHz异频，但动态同频共享开通后LTE上行干扰仍抬升约2 dBm，长期演进语音承载（voice over long-term evolution，VoLTE）上行丢包率恶化约为3%，需要对开通同频共享的小区进行丢包率等优化。因本次试验带宽窄，实际4G/5G性能折损严重，例如，本次试验NR下行吞吐率仅为21.1 Mbit/s，后继运营商共建共享2.1 GHz进行频率重耕后，带宽增大应用动态同频共享实现良好用户感知。

图8 2.1 GHz DSS开通前后的LTE路测指标（RSRP、SINR、MCS、BLER、下行吞吐率）

图9 2.1 GHz DSS开通后的NR路测指标（SS-RSRP、SS-SINR、MCS、BLER、下行吞吐率）

5 动态同频共享方案的挑战与展望

（1）动态同频共享影响带来底噪的抬升。需要注意同一频段带来的干扰问题，部署DSS的4G基站对现网4G基站的干扰，同地址部署动态同频共享的基站不能与现网4G采用相同的频率，异地址部署动态同频共享时需要综合考虑与周边4G基站频率干扰的问题。从试验可知，在动态频谱共享技术下，4G信令和5G信令共存会带来一定的信道容量损失，因此2.1 GHz 20 MHz下动态同频共享的NR下行性能较DSS部署前性能有损失，成片部署DSS有利于大规模降低由DSS部署所带来的干扰。另外，在2.1 GHz重耕后，带宽由20 MHz增加至40 MHz，需要考虑包括共享频谱的系统间共存、各场景下的组网方案设计、多系统整合带来的安全和监管等挑战，例如，国家无线电行政管理部门对相关频谱资源的协调、授权，以及频谱资源使用情况数据库的建立与维护。

图10 2.1 GHz DSS开通后单用户吞吐量、VoLTE无线丢包率趋势

图11 2.1 GHz DSS开通后干扰噪声、时延趋势

（2）DSS时频谱状态动态变化，阴影衰落、多径衰落等原因在时域和频域上会带来频谱空洞，使用频谱感知技术实现用户可以动态接入频谱空洞。具体实现过程是频谱感知可以检测频谱情况和授权用户的信号，当检测到空闲频谱时，非授权用户可使用这段暂时空闲的频谱，但由于非授权用户的优先级低，非授权用户必须及时检测到授权用户的出现以避免对授权用户的干扰。在检测到授权用户到达后，可以及时进行频谱切换或减小传输功率。频谱感知技术具有实时性的优点，同时也消耗时间资源，会降低资源利用率[23]。

（3）网络架构与接口演进。面向未来通信，6G频谱的研究方向应聚焦在动态频谱效率共享共存，在网络架构上，6G会长时间与4G、5G共存，因此多频率融合共享将是6G系统设计的革新。另外，在现有网络结构上考虑新增高级频谱管理节点，通过频谱精细化管理，可以在频域、时域、空域多个维度实现频谱动态共享以进一步提高频谱利用率。

（4）高层技术演进。研究大量零散频谱资源进行高效分析与管理、接入控制等，并分析对现有的网络接入、移动性能等影响，解决频谱共享导致的频谱资源动态变化和多优先级网络共存问题。

6 结束语

本文对频谱共享技术进行深入剖析，探索了动态同频共享实现的关键因素，给出了动态同频共享实现方案、现网应用配置建议，以及该方案仿真及现网应用的效果验证，动态同频共享在进行现网LTE软、硬件等改造后实现了5G快速部署，提升了频率利用效率，同时也看到该技术存在底噪抬升等限制，随着移动网络共建共享进度不断加大，建议通信运营商在现网结合实际应用场景、频谱条件酌情应用。

[1] 李贝, 胡煜华, 黎越, 等. 5G网络无线切片资源管理研究[J]. 江苏通信, 2022, 38(2): 12-17.

LI B, HU Y H, LI Y, et al. Research on 5G network wireless slicing resource management[J]. Jiangsu Communications, 2022, 38(2): 12-17.

[2] 3GPP. NR; base station (BS) radio transmission and reception: TS 38. 104[S]. 2018.

[3] 3GPP. NR; physical channels and modulation: TS 38.211[S]. 2018.

[4] 3GPP. Physical layer procedures for control: TS 38.213[S]. 2018.

[5] 3GPP. NR; physical layer procedures for data: TS 38.214[S]. 2018.

[6] 3GPP. NR; user equipment (UE) radio access capabilities: TS 38.306[S]. 2020.

[7] 3GPP. NR; radio resource control (RRC) protocol specification: TS 38.331[S]. 2018.

[8] 3GPP. X2 application protocol (X2AP): TS 36.423[S]. 2018.

[9] 3GPP. Xn application protocol (XnAP): TS 38.423[S]. 2018.

[10] 李培. 5G载波聚合和双连接及提前测量上报技术研究[J]. 邮电设计技术, 2020(3): 23-27.

LI P. Research on 5G carrier aggregation, double connection and early measurement report technology[J]. Designing Techniques of Posts and Telecommunications, 2020(3): 23-27.

[11] 孙一, 赵静, 吴威, 等. ULNR三网动态频谱共享方案研究[J]. 电声技术, 2021, 45(10): 117-119.

SUN Y, ZHAO J, WU W, et al. Research on dynamic spectrum sharing scheme of ULNR on three networks[J]. Audio Engineering, 2021, 45(10): 117-119.

[12] 胡煜华, 赵伟, 李贝. 5G网络地铁场景覆盖方案研究[J]. 电信工程技术与标准化, 2020, 33(8): 40-44.

HU Y H, ZHAO W, LI B. Research on 5G network subway scene coverage scheme[J]. Telecommunications Engineering Technology and Standardization, 2020, 33(8): 40-44.

[13] 钱会. 动态频谱共享DSS技术关键问题分析[J]. 数字通信世界, 2020(9): 16-18.

QIAN H. Analysis of key problems of dynamic spectrum sharing DSS technology[J]. Digital Communication World, 2020(9): 16-18.

[14] 王映民, 孙韶辉, 等. 5G移动通信系统设计与标准详解[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2020.

WANG Y M, SUN S H, et al. Detailed explanation of 5G mobile communication system design and standards[M]. Beijing: Posts and Telecommunications Press, 2020.

[15] 刘博光, 柳少明, 门少杰, 等. 基于SA的NSA移动5G网络部署探讨[J]. 移动通信, 2019(8): 20.

LIU B G, LIU S M, MEN S J, et al. SA-based NSA mobile 5G network discussion on network Deployment[J]. Mobile Communications, 2019 (8): 20.

[16] 刘晓峰, 孙韶辉, 杜忠达, 等. 5G无线系统设计与国际标准[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2019.

LIU X F, SUN S H, DU Z D, et al. 5G wireless system sesign and international standards[M]. Beijing: Posts and Telecommunications Press, 2019.

[17] 朱晨鸣, 王强, 李新. 5G2020后的移动通信[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2016.

ZHU C M, WANG Q, LI X. Mobile communications after 5G 2020[M]. Beijing: Post and Telecommunications Press, 2016.

[18] 埃里克·达尔曼, 斯特凡·巴克浮, 约翰·舍尔德, 等. 5G NR标准: 下一代无线通信技术[M]. 朱怀松, 王剑, 刘阳, 译. 北京: 机械工业出版社, 2019.

Eric D, Stefan B, John S, et al. 5G NR standard: next generation wireless communication technology[M]. Zhu H S, Wang J, Liu Y, translated. Beijing: Machinery Industry Publishing Society, 2019.

[19] 商挺. 频谱动态共享技术在900M低频网建设中的应用[J]. 中国新通信, 2019, 21(23): 95.

SHANG T. Application of spectrum dynamic sharing technology in the construction of 900M low-frequency network[J]. China New Telecommunications, 2019, 21(23): 95.

[20] 付秀花. 蜂窝网络中频谱分配和干扰控制研究[J]. 科技视界, 2019(31): 67-68.

FU X H. Study on spectrum allocation and interference control in cellular networks[J]. Science & Technology Vision, 2019(31): 67-68.

[21] 张海涛, 王星. 基于分簇的5G超密集组网软频率复用方案研究[C]//5G网络创新研讨会(2019). 北京: 移动通信杂志社, TD产业联盟, 2019.

Zhang H T, Wang X. Research on soft frequency reuse scheme of 5G ultra-dense networking based on clustering[C]// 5G Network Innovation Seminar (2019). Beijing: Mobile Communications Magazine, TD Industry Alliance, 2019.

[22] MathWorks. Dynamic spectrum sharing for 5G NR and LTE coexistence[R]. 2022.

[23] 王学灵. 频谱共享技术及其在5G网络中的应用建议[J]. 邮电设计技术, 2019(12): 52-55.

WANG X L. Study on spectrum sharing and its application in 5G network[J]. Designing Techniques of Posts and Telecommunications, 2019(12): 52-55.

Research on co-spectrum sharing technology in LTE 2.1 GHz

LI Bei1, HU Yuhua2, LIU Guanghai1, XIAO Tian1, SONG Chuntao1, ZHANG Yi1, WANG Bo3, WANG Qunqing2

1. Research Institute of China United Network Communications Co., Ltd., Beijing 100048, China 2.Zhejiang Branch of China United Network Communication Co., Ltd., Hangzhou 310051, China 3.China United Network Communication Group Co., Ltd., Beijing 100033, China

Spectrum sharing technology in 5G was introduced in the 3GPP standard. The types and principles of spectrum sharing were presented, the key factors for the realization of dynamic co-spectrum sharing were analyzed, the application configuration and suggestion for the implementation of dynamic co-spectrum sharing were presented, the effect of network application was verified, and the limitations of dynamic co-spectrum sharing in the existing network were summarized.

5G, LTE, spectrum sharing, dynamic co-spectrum sharing

TP393

10.11959/j.issn.1000−0801.2022251

2022–04–08；

2022–08–24

刘光海，liugh124@chinaunicom.cn

国家重点研发计划项目（No.2020YFB1806700）