5GNR与LTE的系统间协同研究

汪锋 葛中魁 赵霞

【摘  要】为了在5G网络部署初期既实现5G NR的基本覆盖，又兼顾既有LTE网络以及5G频谱的条件限制，并尽可能重用已有资源保证运营商的已有投资。从架构选项、资源共存以及终端自干扰等三个方面对5G NR与LTE之间的协同进行了论述，对NSA双连接的触发机制、5G NR与LTE的时频资源共存以及双连接下可能出现的终端自干扰问题进行了分析，给出了业界已有的解决方案，又针对性地提出解决方案，为5G NR与LTE之间的协同提供技术参考。

【关键词】5G NR;NSA双连接;SUL;终端自干扰

1   引言

移动通信新技术往往最先在热点区域进行部署，随着新的产业链的不断成熟与完善，运营商根据自己的策略，再不断地向全网进行扩展。在此期间，两种甚至更多的网络技术共同向用户提供服务。从3G时代开始，都会将新技术与上一代技术之间的协同视为一个关键需求加以实现，比如WCDMA与GSM之间的核心网共用、LTE与WCDMA之间的CSFB等。

5G NR和LTE之间存在同样的现象。对于5G网络架构的选择、频率资源的选择以及干扰问题的规避，都不可避免地会和LTE网络产生交集，这是业界研究的热点。本文将从架构选项、资源共存以及终端自干扰等三个方面对两者之间的协同进行分析。

2   架构选项

在ITU的报告中，5G明确支持eMBB、mMTC和uRLLC三大场景。因此5G无线技术不仅要提升网络速度、容量和效率，同时还需要增加网络的灵活性、智能化及开放程度。

2.1  5G的网络架构

（1）规范中的8种架构

从GSM到LTE，3GPP为每一代系统均只定义了唯一的标准系统架构，而为了满足需求，对5G提出了图1所示的8种可选系统架构（实线表示业务流，虚线表示控制流）。

在8种网络架构中，Option1是现网LTE架构，Option6/8都是采用EPC核心网和5G NR基站对接，显然这3种架构不会被运营商采用。

剩下的5种架构，根据5G NR是否与LTE共存，又分为SA架构和NSA架构。其中Option2/5属于SA架构，Option3/4/7属于NSA架构。

Option3/4/7架构，UE均采用在LTE R12版本引入的“双连接”DC（Dual Connection）技术方式与核心网互通。其中Option3/7的区别在于核心网是采用升级后的EPC+，还是采用5GC，相同点是均采用LTE基站作为锚点站（控制面消息通过LTE基站与核心网通信），5G NR基站只使用业务面。而Option4采用5G NR基站作为锚点站，LTE基站只使用业务面。

（2）Option3架构

Option4/7均需要部署一张纯粹的核心网5GC，因此现实意义不大，只能作为一种可选项存在。Option3利用现网EPC提供5G eMBB服务，可以实现5G的快速部署。

根据双连接业务的分流方式，Option3又可以分为3/3a/3x三种选项，其结构如图2所示。

三种架构中，Option3对LTE基站吞吐量以及与5G NR基站之间X2接口的传输要求较高;Option3a要求LTE基站具备较为灵活的机制选择用户承载面的锚点，并能动态调整，但对X2接口的传输要求较低;Option3x则能够发挥5G NR的优势且实现简单。

国内三大运营商在5G运营初期均会采用3x架构。

2.2  NSA双连接建立的触发机制

NSA组网的本质是4G+5G协同，但3GPP仅定义了双连接架构，并未对如何触发双连接进行定义。本节将以Option3为例，介绍双连接的触发机制。

Option3中，如何触发双连接是由作为MeNB的LTE eNB来决定的，目前业界一般有如下两种触发机制：

（1）gNB盲添加。UE接入LTE后，eNB根据UE能力（如是否支持DC）、邻区列表中是否有支持DC的5G小区、eNB与gNB之间是否存在X2接口等条件来决定是否为UE添加gNB。

（2）基于MR的gNB添加。UE接入LTE后，如果满足gNB盲添加条件，eNB为UE配置一个测量事件来触发UE对5G邻区的测量。eNB根据测量结果，选择满足条件的5G邻区进行添加。

上述两种触发机制各有利弊。盲添加方式實现简单，但可能会将信号质量较差的5G小区添加为邻区，从而导致双连接性能恶化。基于MR的添加方式，保证了所添加的5G邻区的信号质量，但由于未考虑UE的实际需求，因此可能带来资源浪费，同时会增加X2接口的信令负荷。

本文提出第三种触发机制，即基于业务的触发机制。其原理如下所述：根据MR结果，eNB保存满足添加条件的5G邻区列表，再根据空口吞吐率或者待发数据量来决定是否添加5G邻区。如果空口吞吐率或者缓冲区待发数据量超过门限，则针对该UE选择一个最好的5G邻区发起添加过程。

这种基于业务的添加机制，保证了只会给有需求的UE添加5G邻区，既降低了X2口的信令负荷，又避免了资源的浪费。

3   资源共存

5G中引入高频甚至毫米波频段用于提升带宽，解决容量问题。但高频覆盖的弱点显而易见，即便波束赋形的使用在一定程度上弥补了覆盖能力，但仍然存在成本、复杂度等问题。

现网技术（如LTE、WCDMA、GSM）已经占据了绝大部分中低频优质频段，且2025年以前LTE仍然是移动网的主力承载网，因此很多情况下，如果5G NR需要部署在中低频段，则一定会占用LTE的频段。

但是，5G NR占用LTE频段，势必会减少LTE可用频谱，同时使得两种技术的可用带宽减少，导致每个载波的峰值速率降低。对于支持EN-DC（Eutra-New Radio Dual Connection）的终端，速率有所补偿，但对于传统的LTE终端，则直接影响其速率。

LTE/NR频谱共存是早期实现NR部署在较低LTE频谱而不减少LTE频谱数量的可行方式。3GPP中确定了LTE/NR可以共存的两个场景：

（1）第一种场景，在UL和DL都存在LTE/NR共存频谱的情况;

（2）第二种场景，仅在UL方向共存频谱，即SUL（Supplement Uplink，补充上行）。

3.1  UL/DL都存在共存频谱的场景

针对此种场景，本文将重点介绍DL方向。

（1）需要避开的LTE资源

为了实现LTE“永远在线”的功能，LTE中一些特定的信道/信号相对固定的出现在时频资源图中。为了实现LTE/NR的频谱共存，必须在给NR分配资源时，避开这些特定资源。

◆PSS/SSS：在系统带宽正中间的6个RB共72个子载波上，时域占据2个OFDM符号，每5 ms发送一次。

◆PBCH：在系统带宽正中间的6个RB共72个子载波上，时域占据4个OFDM符号，每10 ms发送一次。

◆CRS：频域上每隔6个子载波均匀发送，根据CRS天线端口数目不同，时域上在每个子帧的第0、第4或者第1个OFDM符号上发送。

（2）5G NR中的预留资源

5G NR在设计之初的一个重要目标便是后向兼容，其含义是如果NR在未来引入新的特性时，这些特性可以很容易地引入系统，不会对原有已部署的功能造成影响。

为了支持后向，5G NR设计了若干机制，其中最重要的就是为DL传输定义了“预留资源”。系统的预留资源可以是：

◆针对一个LTE载波。预留资源会规避LTE载波的PBCH/PSS/SSS/CRS等资源，保证NR能在LTE载波上进行DL传输。

◆针对一个CORESET。

◆针对一组由位图指示的资源集。

本文针对一个LTE载波，以LTE的PSS/SSS为例，利用位图指示进行时频资源匹配，实现预留资源。

LTE的PSS/SSS资源可以通过{bitmap-1， bitmap-2， bitmap-3}三元组来定义。

◆bitmap-1表示频域上的RB位置，其中“1”的位置指示PSS/SSS占据的是哪6个RB。

◆bitmap-2表示时域上OFDM符号位置，其中“1”的位置指示PSS/SSS占据了LTE子帧中的哪2个OFDM符号。

◆bitmap-3表示PSS/SSS在10 ms帧中哪2个子帧中传递。

具体如图3所示。

可以看出，3个位图明确指示出了为LTE PSS/SSS预留出的资源。是否预留资源是通过下行PDCCH中的DCI进行指示的。

需要明确的是，上述预留资源是针对5G NR采用15 kHz子载波间隔，对于其余子载波间隔，同样可采用位图方式进行资源预留。同理可实现对LTE的PBCH和CRS的资源预留。

3.2  SUL场景

5G中，高频将被作为主力频段使用，无论是Sub 6GHz还是毫米波频段，其频率远远高于以往的2G/3G/4G，电磁波衰耗也会大大增加，随之而来的上下行不平衡问题将会更加突出。

能解决5G中的上行覆盖能力弱的问题，就能解决5G高频覆盖能力弱的问题。

（1）5G中的SUL技术

为了解决5G中上行覆盖能力弱的问题，3GPP提出了SUL技术。SUL的原理是在小区近中点上下行仍然采用中高频（如3.5 GHz），在小区远点或边缘采用1.8 GHz作为上行（下行仍然为3.5 GHz），这样可以解决采用3.5 GHz时上下行约13 dB的覆盖差异，大大弥补上行覆盖的不足。

（2）目前SUL频率获取的方式

目前基站主设备厂家对于5G SUL的频率获取主要有以下两种思路，但均存在弊端。

◆重耕LTE/GSM频谱

重耕现网LTE FDD频谱，同时压缩上下行带宽，释放出频率给SUL使用。但这种方式会带来现网LTE容量损失。

◆LTE/5G动态共享上行频谱

这种方式可以避免牺牲LTE容量去换取5G覆盖的弊端，但其最大的问题在于LTE基站与5G基站必须是同厂家，不利于5G基站與LTE基站之间的解耦，不利于5G生态的快速发展。

（3）利用LTE FDD非对称带宽获取SUL频率的方式

针对上述两种SUL频率获取方式存在的弊端，本文提出利用LTE FDD上下行非对称带宽获取SUL频率的方法。

1）LTE FDD业务的非对称性

LTE FDD方式下，上下行频率必须对称使用。但目前网络中绝大多数业务均为非对称业务，上行所需资源要远远小于下行，无形中造成了上行频率资源的浪费。表1是某城市LTE FDD上下行无线网络资源利用率和小区吞吐率之间的对比。

可见，在LTE FDD方式下，业务特性决定了对于上行带宽的占用实际要远远小于下行。如果可以使用非对称带宽对上行带宽加以压缩，腾出的频率则可以用于5G上行，从而大大增强5G的上行覆盖能力，解决其上下行覆盖不平衡的问题。

2）非对称带宽LTE FDD的实现

2017年12月，3GPP在R15 Phase1版本中，已经将部分频段划分为SUL频段，如表2所示：

其中，1 710 MHz—1 785 MHz正好包含了中国联通目前的LTE主力频段B3的上行频段1 745 MHz—1 765 MHz，而880 MHz—915 MHz则正好包含了中国联通的主力低频频段B8的上行909 MHz—915 MHz。

换言之，如果能够将中国联通现网的LTE上行频率进行压缩，则完全可以将节省出的频率用于未来的5G网络中的上行SUL频率，从而大大提高5G网络的上行覆盖，将具有深远的意义。

在考虑系统干扰、频率选择性衰落等情况的前提下，LTE可以自适应地分配子载波的数量、子载波的位置以及调制方式，具有很大的灵活性。

目前LTE网络中，基站eNB的下行带宽配置通过MIB消息通知UE，UE则根据上行带宽配置和所处频带来计算得到其上行带宽配置。

因此，在具体实现非对称带宽的时候，基站的上下行带宽仍然可以按照对称带宽进行配置，但是在基站的资源调度算法中，只将上行带宽的一部分向UE进行分配。

比如，在网管中仍然将小区的上下行带宽配置为上行UL是1 745 MHz—1 765 MHz，下行DL是1 840 MHz—1 860 MHz。当有业务进行时，基站给UE分配上行频率资源时，只在1 745 MHz—1 755 MHz范围内进行分配，不再涉及1 755 MHz—1 765 MHz。未来这个非对称带宽LTE基站周边的5G基站则可以利用1 745 MHz—1 765 MHz进行SUL的上行增强，提升其上行覆盖能力。

基站资源调度算法的修改，需要关注以下问题：

◆LTE中的上行DM RS默认是在系统带宽的两侧边缘RB进行发射，因此修改后需在指定带宽两侧边缘进行发射。

◆需关注LTE与SUL之间的上行干扰。例如中国联通现有1.8 GHz上行频段为1 735 MHz—1 765 MHz，其二次谐波落在3 470 MHz—3 530 MHz区域，正好为中国联通5G频段范围，因此NR DL会受到LTE UL的谐波干扰。如果有针对性地选择SUL频率（如1 735 MHz—1 745 MHz），则可以避免终端的谐波干扰。

4   双连接下的5G终端自干扰

NSA架构要求终端采用双射频同时与5G网络和4G网络进行交互，终端会带来对gNB的谐波干扰和互调干扰。表3以国内某运营商的LTE频率为例进行说明。

4.1  谐波干扰

终端射频器件（如功放）的非线性因素会产生谐波干扰信号，造成gNB的接收灵敏度下降。谐波干扰主要以二次谐波为主。

由表3可知，LTE上行频率带来的二次谐波范围为3 470 MHz—3 530 MHz，其中有30 MHz落在了5G频段范围内。

4.2  互调干扰

当有两个或者更多的干扰信号同时进入接收机时，它们的频率组合可能会恰好落在接收机的滤波器频率范围内而被接收机所接收，这种干扰就是互调干扰。互调干扰以三阶干扰最为严重，如2f1-f2、2f2-f1。

由表3可知，二者带来的三阶互调干扰范围分别为（MHz）：

3 470（3 500+1 735-1 765）～3 630 （3 600+1 765-1 735）

1 635（1 735+3 500-3 600）～1 865（1 765+3 600-3 500）

显然，三阶互调产物会对5G频段以及LTE的下行造成干扰。

4.3  规避措施

对于5G NSA下的双连接带来的自干扰问题，业界普遍采用提高射频器件性能、增加滤波电路、5G/LTE时频域统一调度等措施，但无一例外存在增加成本、不利于生态链发展的弊端。

对于运营商，一方面尽量争取新的5G频段（如3 300 MHz—3 400 MHz）;另一方面可以在5G热点区域适时压缩LTE频段，尽量压窄其带来的谐波干扰和互调干扰范围。当然如果能尽早部署SA网络，则可以一劳永逸地解决此问题。

5   结束语

文章从架构选项、资源共存以及终端自干扰等三个方面对5G NR与LTE系統间协同展开讨论，分析了各自的关键问题，针对性地提出了解决方案。

对于NSA中的双连接触发机制，提出了“基于业务”的触发机制;对于5G NR与LTE之间的频率共存，既给出5G NR中的“资源预留”方案，又提出了“采用LTE FDD非对称带宽获取SUL频率”的解决方案;对于终端自干扰问题，也提出了相应的措施。

5G NR与LTE之间的互操作、频率共享以及干扰问题，在LTE退出历史舞台之前，一直都会是业界研究的热点。

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