5G新空口与LTE载波共享技术的研究*

陈晓冬，林衡华

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

5G新空口与LTE载波共享技术的研究*

陈晓冬，林衡华

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

结合目前5G新空口频率分配现状，针对5G NR频段无线传播能力不足的问题，提出NR与LTE上行载波共享方案，同时深入分析方案中涉及的NR频域子载波配置、时域时间偏移和路径损耗估算等关键技术问题，以及对NR与LTE组网性能的影响，并结合技术分析提出载波共享技术的配置建议、局限性与发展前景。

5G NR LTE 载波共享

1 引言

5G作为新一代移动通信系统，在系统速率、时延和可靠性上都提出了更高的设计目标，相应地在空口频率带宽上也提出了更高的需求[1]。目前3 GHz以下低频段基本已分配给现有3G/4G移动通信系统，难以腾出足够的空闲频谱供5G使用。因此，世界无线电通信会议（WRC）所确定的5G候选频率大多数集中在3 GHz甚至6 GHz以上的中高频段[2]。

我国在2017年也将3.3 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5 GHz两个频段确定为国内5G频段[3]，3.5 GHz和5 GHz频段相比国内运营商已商用的移动通信频率而言，无线传播能力明显不足，根据业界市区环境通用的COST.231-HATA无线传播模型[4]计算，3.5 GHz相比1.8 GHz（中国电信4G频段）在链路预算上相差近10 dB。若5G基站在目前LTE站址基础上采用1：1共站组网，难免出现覆盖空洞。

对目前的3G/4G系统频谱进行重耕，是从根本上解决5G系统中高频覆盖劣势的有效方法。但是3G/4G系统频谱短期内无法腾挪出足够的固定带宽用于5G系统，因此通过5G新空口（NR）和4G（LTE）间的协作实现LTE载波的共享，成为提升5G无线覆盖的热点研究方向之一。

2 NR与LTE载波共享技术原理

NR与LTE载波共享技术是指在不影响原有LTE协议的基础上，NR与LTE通过时分或频分等方式，共用LTE载波频率。从NR与LTE共享载波的链路方向上划分，可以分为下行载波共享和上行载波共享[5]，如图1所示：

图1 NR与LTE载波共享空口时频资源分配示意图

NR与LTE载波共享技术中，业务信道（PDSCH/PUSCH）可以通过空口时频资源块（RB）的灵活调度以避免干扰，而对于LTE中位置相对固定的信号和信道的干扰规避，如同步信号（PSS/SSS）、下行广播信道（PBCH）、控制信道（PDCCH/PUCCH）、参考信号（CRS/DMRS/CSI RS/SRS）等，则是该技术标准制定中的重点和难点。

从NR与LTE载波共享的站址位置上划分，可以分为共站场景和非共站场景[6]，如图2所示：

图2 NR与LTE载波共享应用场景

对于NR与LTE共站场景，载波共享的关键是空口时频资源的多系统复用机制，典型的复用方案如图2所示。而对于NR与LTE非共站场景，载波共享的关键是同频异系统的邻区干扰协调机制，理论上可以沿用LTE邻区干扰协调方法。因此，共站场景是NR与LTE载波共享技术的优先研究场景。

3 NR与LTE上行载波共享技术方案与关键问题

3.1 NR与LTE上行共享载波技术方案

针对5G新空口技术特点和LTE网络发展现状，目前NR与LTE载波共享技术研究热点集中在对上行载波共享技术方案的性能评估和标准推进上，具体源于以下两方面考虑：

（1）5G引入Massive MIMO技术后，针对下行将会产生更大的波束赋形覆盖增益，但上行仍是覆盖受限因素，因此改善5G上行是提升5G覆盖的最直接方法；

（2）国内外绝大多数的LTE网络采用FDD成对频率，以下行业务量为主的用户模型决定其LTE下行网络负荷远高于上行，因此LTE相对空闲的上行载波将最有可能用于NR共享。

NR与LTE上行载波共享技术方案[7]如图3所示，假设NR与LTE共站部署，LTE采用成对频率F1（上行）和F2（下行），NR采用非成对频率F3，其中NR与LTE共享频率F1。由于F3位于中高频，无线覆盖能力远低于F1/F2，因此在F3的覆盖范围内，NR终端上下行都使用F3作为工作频率，而从F3进入F1覆盖范围后，NR终端上行与LTE共享F1上行载波。

图3 NR与LTE上行载波共享技术方案

3.2 NR与LTE上行载波共享关键问题

（1）NR与LTE频域子载波配置问题

在同一时隙内，共享上行载波的NR与LTE，必须通过合理的空口子载波资源调度机制，实现两系统所使用的子载波资源位于共享载波的不同频域位置，如图4所示。由于NR与LTE的子载波结构设计不同，因此为避免NR对LTE无线性能的影响，共享载波方案可能会对NR的子载波配置提出了一定的限制。目前，LTE的子载波间隔固定为15 kHz，且中心子载波相对直流子载波（DC）存在7.5 kHz的偏移；而NR子载波至少可配置为15 kHz/30 kHz/60 kHz等多种间隔，NR中心子载波是否需要进行同样的7.5 kHz的偏移也尚无定论。

图4 NR与LTE频域共享示意图

对于NR与LTE上行载波共享的频域子载波配置，目前主要归纳为两类方案[8]：

1）方案1：NR中心子载波不进行7.5 kHz的偏移；

2）方案2：NR中心子载波进行7.5 kHz的偏移。

如图5所示，对以上两类方案的仿真评估表明[9]，如果采用方案1，NR与LTE间必须预留频率保护带（GP=1 PRB），否则LTE性能会由于NR干扰而出现明显的恶化，此时LTE性能恶化在采用高阶调制时会更为明显，因此方案2为优选方案。

图5 NR与LTE上行载波共享对LTE网络性能影响仿真结果

（2）NR与LTE时域时间偏移问题

NR与LTE上行载波共享技术方案中，若NR采用TDD双工方式，则不同的NR基站/小区间需保持严格的时间同步；若LTE采用FDD双工方式，则不同的LTE基站/小区间无需进行严格的时间同步。因此，可能出现共享上行载波的NR与LTE间存在时间偏移的情况，如图6所示：

图6 NR与LTE上行载波共享中时间偏移示意图

目前对于NR与LTE上行载波共享中的时间偏移解决方案，主要归纳为网络侧方案与终端侧方案两类：

1）网络侧解决方案：LTE基站/小区侧通过连接GPS或其他同步源，以实现站间/小区间的严格时间同步；

2）终端侧解决方案：NR基站通过空口消息将NR基站/小区与LTE基站/小区间的时间偏移值告知NR终端，以实现NR侧的时间对齐。

两方案各有利弊，网络侧方案无需对NR空口协议提出改动需求，但需要对LTE基站/小区进行工程改造；终端侧解决方案则反之。

（3）NR与LTE路径损耗估计问题

NR和LTE的上行功率控制机制类似，都包括开环功率控制与闭环功率控制，其中开环功率控制机制中一个关键因素是上行路径损耗的估计，NR和LTE的上行路径损耗估算都采用对下行链路的参考信号的测量来实现。

但是在NR与LTE上行链路共享技术中，NR的载波F3往往位于中高频，NR与LTE的上行共享载波F1往往位于低频，通过F3载波上的下行参考信号估算出来的F1载波上行路径损耗，往往会远远大于F1载波的实际损耗。上行路径损耗的偏差则会直接影响上行功率控制的准确性，从而降低NR上行链路性能。

如表1所示，仿真结果表明[10]，若直接使用NR载波F3进行F1共享载波的上行路径损耗估计，会明显降低NR上行速率，特别是边缘速率。而在F3与F1的路径损耗差固定的情况下，NR通过某种方式获取F3与F1的路径损耗差，并加入到上行路径损耗的估计中，则将大大减少由于上行功控不准确所导致的NR上行链路速率损失。

表1 不同上行链路损耗估计方案下NR上行链路性能仿真结果

注：方案1：NR终端通过LTE F2载波下行参考信号直接进行路径损耗估计；方案2：NR终端通过NR F3载波下行参考信号，并考虑F3和LTE上行载波F1间路径损耗差来进行路径损耗估计；方案3：NR终端通过NR F3载波下行参考信号直接进行路径损耗估计，不考虑F3与F1间路径损耗差。

因此，目前上行路径损耗估算的最基本解决方案是NR基站通过空口消息，告知NR终端F1载波上行路径损耗与F3载波路径损耗的固定差异。但这种解决方案仅适用于在小区的不同位置，F3载波与F1载波路径损耗的差值基本固定的情况。

4 结束语

5G NR在中高频率上无线传播能力的不足，是制约5G部署的关键因素之一。上文结合国内运营商4G和5G频率使用现状，所提出的NR与LTE上行载波共享技术，将LTE FDD上行载波用于NR上行链路，可以有效地提升5G上行覆盖，是目前5G领域重点研究的覆盖增强技术之一。而针对NR与LTE上行载波共享技术方案在实现中涉及频域子载波配置、时域时间偏移和路径损耗估算等难题，文中也给出了可行的解决方案。但由于该技术对NR与LTE间的耦合性要求很高，必然造成在应用场景上的诸多局限，比如4G/5G同厂家部署、4G/5G共站部署等，因此NR与LTE载波共享技术距离全面组网应用尚有一定的差距。

[1] 3GPP TR 38.913. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[S]. 2017.

[2] ITU. World Radiocommunication Conference 2015 Temporary Final File[R]. 2015.

[3] 工业和信息化部. 工业和信息化部关于第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知（征求意见稿）[EB/OL]. (2017-06-05)[2017-08-25]. http：//www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057735/n3057748/c5672371/content.html.

[4] COST 231 TD(90) 119 Rev2. Urban transmission loss models for mobile radio in the 900 and 1800 MHz bands(recision 2)[R]. 1991.

[5] R1-1611681. Coexistence between NR and LTE[R]. 2016.

[6] R1-1613034. LTE-NR Coexistence[R]. 2016.

[7] R1-1701668. Considerations of NR UL operation[R].2017.

[8] R1-1704815. On uplink half-tone shift and LTE/NR co-existence[R]. 2017.

[9] R1-1709560. LTE performance in NR-LTE UL sharing[R]. 2017.

[10] R1-1706905. Overview of NR UL for LTE-NR coexistence[R]. 2017. ★

Research on 5G New Air Interface and LTE Carrier Sharing

CHEN Xiaodong, LIN Henghua
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

According to the status of existing 5G new air interface frequency allocation and the de fi ciency of 5G NR frequency band in RF propagation capability, the sharing scheme of NR and LTE uplink carrier was proposed. The key technical problems in the scheme such as subcarrier con fi guration in NR frequency domain, time offset in time domain and path loss estimation were analyzed in depth. Besides, the impact of NR and LTE sharing performance was addressed. Finally, the suggested con fi guration, limitation and developmental perspective of carrier sharing were presented based on technical analysis.

5G NR LTE carrier sharing

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.002

TN92

A

1006-1010(2017)17-0008-04

陈晓冬,林衡华. 5G新空口与LTE载波共享技术的研究[J]. 移动通信, 2017,41(17)： 8-11.

国家重大科技专项：5G高速连续广域覆盖技术方案与试验系统研发（2016ZX03001009）；增强移动宽带5G系统概念样机研发（2017ZX03001001）

2017-08-25

责任编辑：黄耿东 huanggengdong@mbcom.cn

陈晓冬：高级工程师，硕士毕业于华南理工大学，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院，主要从事移动通信新技术研究与试验工作。

林衡华：工程师，硕士毕业于华南理工大学，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院，主要从事移动通信射频技术研究与试验工作。