20 MHz动态频谱共享的组网性能分析与验证

（中国电信股份有限公司智能网络与终端研究院，北京 102209）

0 引言

在国内5G 建设的规划中，广覆盖区域采用2.1 GHz频段实现基础覆盖层，2.1 GHz 频段的覆盖优势对于5G快速部署有重要价值，而2.1 GHz 频段又是国内运营商4G 技术扩容的重要频段，因此2.1 GHz 需要采用4G/5G动态频谱共享的策略去平衡4G/5G 的容量，在快速部署5G 的同时兼顾现网4G 容量增长需求。目前国内2.1 GHz使用情况如图1 所示，2 110—2 130 MHz 承载中国电信的LTE，主要用于流量密集地区4G 扩容以及室内分布系统；2 130—2 135 MHz 承载中国联通WCDMA 语音业务，需要长期保留，2 135—2 155 MHz 承载LTE 业务。两家运营商共建共享，未来联合使用40 MHz 带宽实现40 M DSS 网络平衡4G/5G 需求，逐步向40 M NR 网络演进[1]。

图1 国内运营商2.1 GHz频段5G演进规划

为了更快速在中低价值区域部署5G，实现5G 连续覆盖的需求，在两家运营商做好联合使用40 MHz 大带宽之前就需要在2.1 GHz 部署5G，因此20 M DSS（20 M NR+20 M LTE）在城区边缘与乡镇有一定的需求与价值。并且，这种NR 与LTE 重叠承载在小带宽频谱上的DSS技术在国外早已商用部署，欧洲在700 MHz 与2.1 GHz上分别承载了10 M DSS 与15 M DSS。

这种DSS 技术虽然可以在动态平衡4G 现网容量的同时快速部署5G，但是LTE 与NR 重叠部署带来的组网干扰也不能忽视。由于LTE 的CRS 是常开信号，且LTE 组网一般采用PCI Mod3 规划，而LTE 与NR 之间组网没有干扰降低机制，所以DSS 组网下NR 的性能会受CRS 影响降低[2]。如果为了减少LTE 对NR 的干扰不使用PCI Mod3 规划，那么LTE 之间的干扰又会加剧。目前尚没有文献论述相同带宽的两种制式DSS 组网方式下的干扰情况，本文介绍了20 M NR+20 M LTE 的DSS的技术方案，并通过理论分析与实验验证的方法对20M DSS 组网下各种通信模式的性能进行了评估与验证。

1 DSS的技术方案与理论分析

5G NR 与4G LTE 的物理层都是基于OFDM 波形设计的，且5G NR 可以选择与4G LTE 相同的参数集，即相同的子载波间隔与时隙结构，这是4G 和5G 之间实现动态频谱共享的基础。4G LTE 的CRS 与控制信道在连续的时频资源中占用特定的位置，而5G NR 的参考信号、数据信道、控制信道都具有极高的灵活性，允许进行动态配置。因此，利用NR 物理层的动态灵活性去适配相对固定的LTE，可避免两种技术之间发生冲突[3]。目前设备厂商有以下两个主流的信号冲突规避方案：基于M 子帧、基于速率匹配的打孔（分为LTE 侧打孔与NR 侧打孔）。

1.1 基于MBSFN子帧

把MBSFN 用于DSS 中的NR 时，就是将5G NR的广播信号与公共信息插入在保留的OFDM 符号里。LTE 的MBSFN 子帧，只在1-2 符号发送LTE PDCCH、PCFICH、PHICH 和CRS，其余符号空闲。因此，为了规避LTE 的CRS 和NR 发送SSB、RMSI 和paging 的冲突，可以将LTE 配置为MBSFN 子帧，LTE 中每20 ms可以配置一到多个MBSFN 子帧，不发送CRS，不会对NR 的RMSI 和SSB 产生干扰，其他符号可以用于NR。

图2 所示为一种推荐的实现DSS 功能的M 子帧配置，其中设置CFI=1 可以给NR 提供更多的时频资源；NR PDCCH 采用type0，Coreset0 选择TS 38.213 Table13-1 配置12，SearchSpaceZero 选择TS 38.213 Table13-11 配置10[4]。

图2 DSS的M子帧方案推荐配置信息

1.2 基于速率匹配的打孔

3GPP 38.214 提供了针对LTE CRS 的RE 级别的CRS速率匹配方式：LTE-CRS-ToMatchAround。当CRS 和PDSCH 冲突时PDSCH 避让CRS，对于5G 基站：LTE CRS 对应的RE，不填写NR PDSCH 下行数据。对于5G终端：读取NR PDSCH 下行数据时，不解析LTE CRS 对应的RE。而当LTE CRS 与NR 公共信号与系统消息冲突时，有两种处理方案：LTE 侧打孔或NR 侧打孔[5]。

（1）LTE 侧CRS 打孔

LTE CRS 打孔即在LTE CRS 与NR SSB 发生冲突时，LTE 侧在CRS 对应RE 上执行降功率流程，过程如图3所示。考虑到CRS 降功率会影响LTE 终端的接收性能，因此要对LTE 的下行AMC（自适应调制编码）进行优化，在LTE 打孔子帧上对基于CRS 解调的UE 采用MCS 降阶处理。LTE CRS 打孔理论上会带来的负面影响有[2]：

1）对RSRP 的测量有将近1 dB 的影响；

2）解调能力下降带来额外的容量损失基本在3%～4%以内。

图3 打孔技术方案流程示意图

（2）NR 侧系统信号打孔

NR 发送SSB、RMSI 时，此时UE 尚未接入，尚未获得对LTE CRS 的速率匹配能力。可采用NR 基站在CRS 的位置主动打孔NR 系统信号的方式，避免NR 的SSB、RMSI、Paging 等信号受到CRS 的干扰。其过程也如图3 所示，只不过在冲突位置变成了NR 打孔，根据SSB 的时频分布，LTE 2Port 时在PBCH 上打孔，LTE 4Port 时PBCH 和PSS 均打孔。NR 打孔负面影响为[2]：

1）PBCH 打孔后同时受CRS 干扰，解调性能损失1～1.4 dB；

2）LTE 采用4Port 时，PSS 打孔并受CRS 干扰性能损失1～1.5 dB；

3）为保证RMSI 的解调性能需要降低MCS。

1.3 性能理论分析

综合以上各种技术方案的利弊，以及工业界实现的选择，本文的理论分析与实验都基于M 子帧+CRS 打孔综合方案。把5G 最重要的信号NR SSB 与SIB1 放在两个不同的M 子帧当中，周期分别是20 ms 与SIB 与Paging 采用LTE 侧CRS 打孔。这种方案降低了CRS 打孔的数目，在保证NR 性能的同时把对LTE 的影响降到最低。

对于单个小区，考虑到是否开启DSS 模式，LTE 端口是2 端口还是4 端口，小区性能可以分为以下7 种通信制式进行性能评估：

（1）NR only：小区设置为NR 网络，NR 终端的性能。

（2）LTE only 2T：小区设置为2 端口LTE 网络，LTE 终端的性能。

（3）LTE only 4T：小区设置为4 端口LTE 网络，LTE 终端的性能。

（4）NR DSS 2T：小区设置为DSS 模式，其中LTE网络为2 端口时，NR 终端的性能。

（5）NR DSS 4T：小区设置为DSS 模式，其中LTE网络为4 端口时，NR 终端的性能。

（6）LTE DSS 2T：小区设置为DSS 模式，其中LTE 网络为2 端口时，LTE 终端的性能。

（7）LTE DSS 4T：小区设置为DSS 模式，其中LTE 网络为4 端口时，LTE 终端的性能。

由于NR 有更少的系统开销且系统带宽多出6RB，因此NR only 的性能无疑是最高的。在开启DSS 后，引入LTE与NR 两者的系统开销，使LTE 峰值性能下降8%左右，而NR 峰值性能损失在LTE 4 端口时接近30%，LTE 2 端口时接近25%[6]，因此LTE only ＞LTE DSS，NR only ＞NR DSS。结合NR only 速率最高的条件可以得到NR only ＞LTE only ＞LTE DSS。至于NR DSS 在上述不等式中的位置取决于NR DSS 的配置，因为相比LTE only 制式NR DSS 多出了6RB 的可用资源，但是也多了DMRS、TRS、CSI-RS 以及SSB、SIB 等系统开销，当配置较少导频信号时NR DSS 的理论性能是可以超过LTE only 的，但是在保证系统鲁棒性的配置下，一般在性能上NR only ＞LTE only ＞LTE DSS ＞NR DSS。在无线环境很好能保证4T增益时，4T 对速率的影响要强于系统开销的差异，因此NR only ＞LTE only 4T ＞LTE DSS 4T ＞NR DSS 2T ＞NR DSS 4T ＞LTE only 2T ＞LTE DSS 2T。

然而，在DSS 组网环境下存在严重的邻区干扰，这会使无线环境变得苛刻，影响以上一些通信制式的性能，使排序发生改变，图4 所示为领区干扰原因的示意图，由于CRS 为常开信号，NR 终端由于没有CRS 干扰消除机制，并且LTE 根据PCI mod3 规划，这会使得图中阴影部分NR时频资源解调受损。邻区干扰下，受到影响最大的是NR DSS 4T，其次是NR DSS 2T，虽然这两种通信制式Rank最大能到4 流，但是在邻区干扰下性能大概率会低于2T 的LTE only 2T 与LTE DSS 2T。因此，在组网条件下能确定的关系NR only ＞LTE only 4T ＞LTE DSS 4T ＞LTE only 2T＞LTE DSS 2T，且NR only ＞LTE only 4T ＞LTE DSS 4T＞NR DSS 2T ＞NR DSS 4T。而NR DSS 2T、NR DSS 4T与LTE only 2T、LTE DSS 2T 之间的关系取决于邻区干扰与无线环境好坏，需要实验验证。以上性能评估主要是基于理论开销计算得出[7]。

图4 DSS模式下邻区干扰示意图

2 多小区组网定点实验

外场实验选择20 个基站的连片区域，实验区能一起变更小区模式形成连片组网环境进行实验。为了验证不同无线环境与干扰下7 种通信制式的性能排序，我们随机选择两个小区的远、中、近点进行定点测试峰值速率，这样就相当于测试了6 个无线环境具备了测试环境的多样性。

场景1 的测试结果见表1，并绘制图5。如图5 所示，3 个测试点中NR only 永远都是最高的，4 端口增益并不明显，只有近点LTE only 模式时，4T 速率才高于2T，其余全部是2T 高于4T。这是因为在无线环境苛刻时，低Rank 更容易获得较高的MCS，并且2T 的系统开销会比4T 少接近5% 的系统开销，一旦4 端口不能在多流条件获得较好的信道质量那，那么速率就会低于2T。NR DSS 的两个模式虽然都是4 流，但是受邻区CRS 干扰严重，尤其是NR DSS 4T，因此峰值速率一般都比较低。

表1 场景1 峰值速率测试结果 Mbit/s

图5 场景1峰值速率测试结果

场景2 的测试结果见表2，并绘制图6。如图6 所示，此场景是一个干扰较少的场景，在近中远三个场景下NR DSS 4T 都很接近NR DSS 2T。在近点，多流增益比较明显，所以速率比较低的是Rank 最大值只有2 的LTE only 2T 与LTE DSS 2T。值得注意的是，这里测试出LTE DSS 4T 在中点低于NR DSS 4T，可以看出两者理论上的开销非常接近，在邻区干扰不大的区域NR DSS 的速率也可能高于LTE DSS。在小区远点，DSS 模式下的4 种通信制式都非常接近LTE only。

表2 场景2峰值速率测试结果 Mbit/s

图6 场景2峰值速率测试结果

3 多小区组网拉网实验

定点测试的数据具有一定的局限性，为了能更全面地了解DSS 组网情况，我们在20 个实验基站的测试区域中选择两条测试路径做驱车拉网实验，用多小区组网的平均性能来验证7 种通信制式的性能排序。路线1 尽量遍历实验站覆盖区域每一条路，路线2 走信号优良的大路。

路线1 的路测图如图7 所示，保持均速30 km/h 测试一圈约54 分钟。测试结果如图8 所示，NR only 组网的性能远远领先其他模式。4 种DSS 模式的性能很接近LTE only 模式，4 端口的增益非常有限。

图7 路线1信号强度路测图

图8 路线1拉网平均速率

路线2 的路测图如图9 所示，保持均速30 km/h 测试一圈约14 分钟。测试结果如图10 所示，由于路线较短且信号较好的大路巨多，各种制式的速率对比路线1 整体提高，4 端口增益有较明显的效果。Rank 最大为4 的5 种制式性能排序与第1.3 节中的理论预测完全一致，NR only＞LTE only 4T ＞LTE DSS 4T ＞NR DSS 2T ＞NR DSS 4T。第1.3 节中理论不能确定的排序在路线1 与2 的结果都是LTE only 2T ＞NR DSS 2T ＞LTE DSS 2T ＞NR DSS 4T，但是这4 者中不存在绝对的大小关系。

图9 路线2信号强度路测图

图10 路线1拉网平均速率

4 结论

本文通过理论分析、定点测试、拉网测试评估并验证了7 种通信制式的性能。通过实验，我们发现基于开销的理论分析只有在一些信号很好且干扰较小的无线环境下才适用。但是以下关系一定存在：

（1）NR only 组网是性能最好的网络；

（2）LTE only（2T,4T）的性能分别大于LTE DSS（2T,4T）；

（3）LTE only 4T ＞LTE DSS 4T ≈NR DSS 2T ＞NR DSS 4T，这四种组网方式都能到最大4 流。LTE DSS 4T 与NR DSS 4T 在开销上很接近[7]，无线环境与干扰的影响相比可忽略，但肯定低于LTE only 4T。NR DSS 4T是受到干扰最强的制式，一般是速率最低的制式。

根据以上对7 种通信制式的性能评估可见，NR only 是运营商演进网络的目标，如果非要用同频段重叠部署4G 加5G 的DSS 技术，那么LTE 用2 端口是一个折中的选择。

在DSS 模式下，4 端口对LTE 的增益很小，只有在信道条件对多径效果很好时才有效果，例如在路线1 的拉网测试中，LTE DSS 2T 的结果就比4T 更好。但LTE开4 端口对NR DSS 的体验影响非常大，NR DSS 4T 在本文所有的测试中几乎都是最低的，这样容易给用户一个5G 性能不如4G 的错觉，让用户对新技术失去期待与热情。用20 M NR+20 M 2Port LTE 的DSS 组网方式保证5G 体验不输4G 的同时完成中低价值区域5G 连续覆盖部署的任务，等待2.1 GHz 频段完成业务整合后向40 M NR+20 M LTE 的DSS 组网方式过渡，并根据4G/5G 现网流量的变化逐步向40 M NR only 演进。