室分系统的动态频谱共享方案

（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

随着5G 网络的商用和5G 终端的普及，5G 时代的室内业务占比预计会超过4G，室内网络的建设需求相比4G 时代更为迫切。由于中国电信5G 室外网络主要采用3.5 GHz 频段进行组网，无线网络信号传输将比之前的4G 系统损耗更大、穿透能力更弱，尤其对各类墙体介质的穿透损耗相对更高，导致室外覆盖室内时深度覆盖不足[1-2]。此外，现在2G/3G/4G/5G 共存状态下，频谱资源极度紧缺。因此，研究如何充分利用现有4G 室分系统资源来建设5G NR（New Radio）网络具有重要意义。

对于室内分布场景，目前阶段中国电信5G 无线接入网规划中的频段主要为3.5 GHz 和2.1 GHz 这两种频段，室分系统的5G 组网方案可选思路为：5G 有源室分，主要基于NR 3.5 G；5G 无源室分，基于NR 3.5 G 或者NR 2.1 G 均可。建设3.5 G 有源室分投资巨大，约为无源室分造价的3-6 倍，并且新建场景入场施工协调工作量和难度较大。所以，室分系统在进行NR 部署时，若可以利用已部署的频谱开通NR，那将不仅能够充分利用频谱资源，提升频谱使用效率，还能节省网络建设投资。如果将室分系统中已部署的LTE 2.1 GHz 频谱全部用做NR，那么只能在4G 清频重耕后再使用，而5G 初期NR 终端较少，会致使频谱资源浪费，同时使得原有4G 网络负荷加重。这样就需要一种4G和5G 能共享频谱的技术，初期是静态频谱共享，该技术是在同一频谱段内给不同制式的通信技术分别分配专用的载波。频谱共享技术相当于在同一频段内以频分复用（FDD,Frequency Division Duplexing）的方式使用两种通信技术，这种方案简单透明利于实现，但当其中一种通信制式用户数量较少的情况下将会造成大量的频谱资源浪费[3-5]。而动态频谱共享技术（DSS,Dynamic Spectrum Sharing）能有效解决这个问题，增强频谱使用的灵活性。目前还处在5G 发展的初期，现网中的绝大部分用户还是驻留在原来的4G 网络，驻留在5G 网络中的用户很少，可以动态地分配更多频谱资源给4G。随着5G 网络和5G 终端的发展，5G网络中的用户会越来越多，那就将更多的频谱资源分配给5G。最后，所有的4G 用户都转为5G 用户后，那就将整段频谱资源给5G 用。

1 4G/5G动态频谱共享简介

1.1 动态频谱共享技术背景

4G/5G 动态频谱共享技术利用4G/5G 协同技术，根据不同制式的流量需求来进行频谱资源的共享，不仅能够快速地完成频谱资源的分配，还可以更充分地利用设备的容量让其达到最佳性能。通过这种技术，网络可以在4G 和5G 之间动态地共享频谱，如图1 所示，在LTE有余量的情况下，动态引入NR，NR 与LTE 频谱比例随用户接入动态调整。DSS 场景下，5G 基站不但可以复用4G 的RRU（Remote Radio Unit）硬件设备，还可以与4G 基站共享相同的频谱资源、共享相同的时频资源，在节省了RRU 硬件资源的同时，还节省了频谱资源。DSS满足初期5G 用户的接入，同时保证现网4G 用户的体验，与现有的将同一频段的频谱拆分后为不同的系统分配单独的频谱资源有着很大的区别，可以更经济高效地进行5G 部署，提升频谱效率，且利于4G 和5G 之间平滑演进。

图1 4G/5G动态频谱共享示意图

1.2 动态频谱共享部署

对于网络侧，如若现网的4G 基站设备硬件已支持4G 和5G 混模，那就直接进行软件升级，无需上站更换硬件，可以做到最小化影响4G 网络运行。如果现有基站不支持4G/5G 双模，那么需要在原有的4G 基站增加5G基带板，通过专用接口进行调度，这样就要求新增板卡和原基站必须是同一厂家的设备；还有一种方式就是将直接用支持4G/5G 多模的基站设备替换原基站，这样成本会相应增加。对于终端侧，5G 终端须支持动态频谱共享特性，否则不能驻留在低频段享受覆盖增益，网络还必须兼容现网的4G 终端，否则原有4G 终端无法在该4G频段发起呼叫。

硬件改造完成后，还需要对LTE 系统和NR 系统主要参数进行配置：

1）LTE 和NR 需要配置相同的中心频点和带宽；

2）LTE 需要配置LTE CRS（Cell Reference Signal）port 数；

3）LTE 和NR 需要配置PRACH（Physical Random Access Channel），配置上避免相互干扰；

4）LTE 的SRS 和NR 的SRS（Sounding Reference Signal）配置需要协同，以便避免NR 的SRS 与LTE 的PUSCH（Physical Uplink Shared Channel）产生干扰；

5）需要配置LTE CRS 和NR SSB（Single Side Band）等公共信道的避让方案；

6）LTE 侧需要配置功率信息；

7）NR 需配置SSB 和Corset0 的时频域位置；

8）需要配置DSS 的优先级。

2 4G/5G动态频谱共享关键技术方案

5G NR 物理层设计与4G LTE 物理层设计具有相似之处，这是4G 和5G 之间实现动态频谱即时频资源PRB共享的基础。在相同的子载波间隔和相似的时域结构下，4G 和5G 之间动态PRB 级别的频谱共享才能可行[6]。动态频谱共享技术的关键技术点就是，在LTE 子帧中调度NR 用户，同时确保下行链路的测量信号和同步信号不产生冲突，这样就不会对现有的4G 用户产生影响，即确保5G NR 的参考信号SSB 或DMRS（Demodulation Reference Signal）与LTE 的参考信号CRS 在时频资源分配上不会发生冲突。

LTE 标准已经非常成熟并已被广泛应用部署，系统中存在多种固定的信号需要发送。LTE CRS 是小区级别的参考信号，主要用于解调、测量等。LTE CRS 在固定的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）符号的整个系统带宽上离散发送，即CRS 分布在全带宽上，因此无论小区是否有用户接收下行数据，CRS 都会全带宽发送。此外，LTE 系统中的信号还包括同步广播信道的主同步信号PSS（Primary Synchronization Signal）、辅同步信号SSS（Secondary Synchronization Signal）和物理广播信道PBCH（Physical Broadcast Channel）。因此，在LTE 和NR 进行动态频谱共享的时候，NR 的下行信号发送不能映射到在LTE CRS 和同步广播信道所发送的时频域资源上[7]。为避免NR 调度下行业务的PDSCH 和LTE CRS 干扰，当LTE 与NR 的SCS 都为15 kHz 时，可以运用速率匹配方式，即可以配置NR 的终端在LTE 的CRS 的RE 执行速率匹配。对于NR 的公共调度的PDSCH（SSB、RMSI、paging 等），不能做速率匹配，因此对于公共调度资源上的CRS，有三种主流策略：MBSFN（Multicast Broadcast Single Frequency Network）子帧、LTE 打孔和NR 打孔。其中LTE 避让NR 方案可以采用基于MBSFN 子帧方案或者LTE CRS打孔方案，这两者叠加使用亦可。

2.1 MBSFN子帧方案

5G NR 设备需要检测同步信号块才能接入网络，为了在时间和频率上保持同步，SSB 需要通过网络定期发送。若要在已经被LTE 占用的频率信道上传输SSB，则需要定义一个发送间隔。为了在连续的LTE 传输中找到这样的间隔，其中一种方式就是使用多媒体广播单频网络（MBSFN）子帧。MBSFN 子帧不是在5G 出现的新概念，它是LTE 中已经存在的一种特殊子帧配置，LTE CRS 仅承载在每个子帧的前两个OFDM 符号上，其余的符号均没有LTE 固定信号的发送，因此可以避免NR SSB 和LTE CRS 在时频域资源上的冲突[7]。

构成LTE 无线帧的10 个子帧中有6 个可以通过网络配置为MBSFN 子帧，这些子帧可以是1、2、3、6、7 和8，如图2 所示。为了尽可能减少对LTE 性能的影响，上述6 个可用的子帧中通常会配置尽量少的MBSFN子帧，此配置由LTE 网络的系统信息块SIB2（System Information Block2）进行广播。如果将SSB 与SIB1 配置在同一个子帧上，由于UE 不能在一个周期内同时解调SSB 和SIB1，所以就需要两个周期来完成解调，这样必然会增加UE 的网络搜索时间。鉴于以上原因，在一个周期内配置合理的MBSFN 子帧数非常重要，建议优先考虑一个周期配置两个，将SSB 与SIB1 配置在不同的MBSFN 子帧上，M 子帧配置示例如图3 所示。

图2 LTE MBSFN子帧位置示意图

图3 动态频谱共享M子帧配置示例图

2.2 LTE打孔方案

LTE CRS 打孔即在LTE CRS 与NR 信号发生冲突时，LTE 侧在NR 公共调度PDSCH（SSB、RMSI、paging、Msg2、Msg4）对应RE 上执行CRS 降功率流程[3]，过程如图4 所示。LTE 的CRS 与NR 的SSB、RMSI 等信道互相冲突，LTE 主动打孔CRS，将会带来一定的容量损失，为了尽可能降低对于LTE 下行容量的影响，LTE 可在打孔的子帧上进行AMC（Adaptive Modulation and Coding）优化，对基于CRS 解调的UE 采用MCS（Modulation and Coding Scheme）降阶处理。越是近信号好的点，打孔后的损失越大，打孔的RB 越多，损失越大，打孔的RB 和损失之间并不是线性关系。DSS 场景下，LTE 打孔CRS 带来的额外容量损失基本在3%～4%以内。

图4 LTE打孔示意图

2.3 NR打孔方案

由于CRS 的普遍存在，所以无论LTE 载波负荷如何，LTE CRS 都会在固定的符号上发送。如果让NR 的PDSCH信道避开LTE CRS 所在的OFDM 符号，那将导致两个CRS子载波间的约2/3 的子载波不可用，造成资源浪费。在NR系统的设计中，为了避免LTE 和NR 之间的干扰，NR 会根据CRS 子载波位置对NR 的PDSCH 信道进行特殊的时域资源映射设计，使得PDSCH 的数据能够绕过CRS 子载波进行映射，从而能够有效利用这部分子载波。当LTE 和NR 的OFDM 参数不相同时，两者的子载波之间不完全正交，需要频域保护间隔等手段进行规避。另外，NR SSB 与LTE CRS之间的相互干扰也不能忽略，需要通过时域规避等手段来减弱干扰[8-9]。

NR 避让LTE 方案有以下几方面，配置示例如图2 所示。

（1）NR 避 让LTE 的 控 制 信 道（PCFICH、PHICH、PDCCH），NR 不在LTE PDCCH 符号上映射业务。

（2）NR 避让LTE 的同步信号和广播信号（PSS/SSS/PBCH），NR 在LTE 发送PSS/SSS/PBCH 子帧中间的部分载波上不承载业务。

（3）NR 业务避让LTE 导频，在LTE CRS 的位置上NR 不进行业务映射，并通过SIB1 通知UE 在LTE CRS 上做速率匹配。

（4）NR 导频避让LTE 导频，LTE 导频时域位置固定于符号0/4/7/11，让NR 配置业务的DMRS 避开这几个符号。

NR 基站主动打孔，此时LTE 的基站的CRS 照常发送，对于LTE 系统不产生额外的影响。打孔后要达到相同BLER的情况下需要的SINR 提升，解调性能会损失1 dB 左右。LTE 采用4Port 时，PSS 受到CRS 干扰，SSS 不受其干扰。LTE 2Port 下，PSS 和SSS 均不受CRS 的干扰。同时，为保证RMSI 的解调性能需要降低MCS。NR 在SSB 和RMSI 频域位置，在LTE 的CRS 的RE 上主动打孔，只影响NR 下行，对于NR 上行基本无影响。

3 室分2.1 GHz 20 MHz的动态频谱共享实验

在进行2.1 GHz 20 MHz 的DSS 实验时，实验场景选取了一个典型的办公楼进行测试，楼内4G 用户比较少，5G 用户只有测试终端一个，室分系统是一个2.1 GHz 频段的基站，基站原始部署是2.1 GHz 的LTE 双路室分系统，天花板蘑菇头全向天线分别覆盖多个楼层。实验选取了高中低3 个楼层的15 个测试点进行测试，在每个测试点分别将小区配置成LTE ONLY 场景、NR ONLY 场景和DSS 场景，并在每个场景下进行上下行业务并记录相关数据信息，其中PDCP 层速率和RSRP 信息见图5、图6 和图7。LTE ONLY 是只配置一个20 MHz 的2.1 G LTE 的4G 小区，可使用100 个PRB，NR ONLY 是在20 MHz 频段内仅配置了2.1 G NR 载波，可使用106 个PRB，而4G/5G DSS 方案则实现4G、5G 共享同1 个20M 载波，实行动态分配频谱资源。在实验中，为了最大化提高频谱效率，在每个时隙进行1 ms 级别动态分配频谱资源。因为小区实际话务量瞬间波动很大，如果动态转换时间过长，譬如达到100 ms，会导致某些5G 用户的流量已经从波峰切换到波谷时，小区调度器才从4G 转换到5G，而这时的5G 用户已经不再需要被调度了。

图5 各个测试点不同场景下的RSRP值

图6 各个测试点不同场景下的上行PDCP层速率

图7 各个测试点不同 场景下的下行PDCP层速率

从实验数据可以看出，在LTE only 场景、NR only场景和DSS 场景下同一测试点的RSRP 值相当，差距不大。从各个测试点的PDCP 层速率来看，NR only 性能最好。DSS NR 有时候性能会恶化很多，用户的体验比LTE用户还差，是因为DSS NR 除了开销更多之外还会受到DSS LTE 邻区的CRS 干扰。LTE only 的性能是大概率好于DSS LTE 的。实验室是在LTE 用户很少的环境下进行的，当实际在现网进行部署时，需结合现网4G 站点LTE载波负荷、新建站点4G、5G 覆盖需求等因素分场景选择，方案特点如表1 所示：

表1 20 M NR与20 M DSS方案特点

4 结论

本文介绍了动态频谱共享的背景、关键技术方案以及室分DSS 实验。2.1 G NR only 与2.1 G DSS 相比，主要差别在于频谱效率的差异，DSS 毕竟是在一定空口带宽需要支持4G/5G 两个制式，会带来两个制式的公共信道开销，带来容量损失，除了容量损失之外，DSS NR 还会受到DSS LTE 邻区的CRS 干扰。虽然4G 和5G 是动态共享的时频资源，但很显然，5G 基站消耗了4G 的频谱资源，实际上对4G LTE 的性能也造成了影响。当电联共享后，2.1 GHz 可以拿出更大的带宽来做DSS，大带宽下NR 可以拥有独享带宽，相关的系统消息都配置在独享带宽，LTE 可以不配置MBSFN 子帧，这样整个系统的性能会更优，这也是未来DSS 研究的一个很重要的方向。