4.9 GHz灵活双工性能分析及优化方案

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100032）

0 引言

4.9GHz 是全球5G 部署核心频段之一，相比于5G 2.6 GHz频段采用5 ms 帧结构配置，5G 4.9 GHz 频段可实现较灵活的帧配置，其在特定配置下的性能存在明显优势。但差异化的帧结构配置虽然满足不同场景的业务需求，也可能导致不同基站之间、终端之间存在干扰问题。中国移动在灵活双工方面建立了干扰共存评估体系，实现了蜂窝系统首次使用TDD 频段灵活双工组网，开展了干扰优化方案研究和试点，进一步引导产业提升灵活双工性能和技术成熟度。

本文将从灵活双工配置方案需求和目标出发，聚焦于干扰共存评估体系和干扰优化方案的研究进展，并根据试点结果提供相应的应用建议。

1 灵活双工配置方案

考虑到4.9 GHz 的频段特征、帧结构灵活配置，以及产业进展等因素，5G 4.9 GHz 可用于补盲补热场景、上行大带宽场景、2.6 GHz/4.9 GHz 双频组网场景、低时延高可靠场景以及封闭和孤立等场景[1]。

面向5G 个人用户，相比于5G 2.6 GHz 频段，4.9 GHz频段的传播损耗高8～10 dB，穿透损耗高6～8 dB，覆盖能力稍弱。因此，建议考虑2.6 GHz 作为基础覆盖，4.9 GHz 用于补盲补热，匹配用户需求。

如图1 所示，面向5G 行业用户，由于业务种类繁杂，速率要求、时延要求、安全要求等相比于个人用户存在较大差异。上行大带宽是5G 行业应用的一大特点。视频监控、远程控制和机器视觉等为行业的典型应用场景，均存在对大上行能力的要求。例如，高清视频监控、轮吊远程操控、AR/4K/8K 高清娱乐直播等场景，单终端上行速率可达30 Mbit/s，且经常多终端业务并发，要求单小区上行速率至少达到300 Mbit/s；工业视觉检测、数据转储等场景，单终端上行速率可达600 Mbit/s。

图1 垂直行业需求[2]

因此，5G 2.6 GHz 频段在典型配置下的上行能力相对受限，难以满足大上行应用需求。而4.9 GHz 频段具备差异化帧结构配置的可行性，可获得差异化的上行和下行能力，进而提供更高的用户体验和小区容量。综合考虑公网、行业网需求，4.9 GHz 实际能力限制，各帧结构配置性能以及产业支持程度，协议标准支持情况等多方面因素，4.9 GHz 在2 保护符号（GP）30 kHz 子载波间隔下采用了如图2 所示两种帧结构：

图2 大上行与大下行帧结构示意图

2 灵活双工干扰共存评估体系

当两个TDD 系统在覆盖重叠区域使用4.9 GHz 频段差异化帧结构配置时，如4.9 GHz 行业网采用1D1S3U（受扰站），公网采用5D2S3U（施扰站），可能存在交叉时隙干扰问题，如图3 所示：

图3 异帧组网交叉干扰示意图

4.9GHz 产业成熟度较低，交叉干扰试验网络环境搭建复杂（测试样本点少、信道环境复杂、工参多样化），提供普适性的干扰共存技术结论和灵活双工组网建设指导建议存在风险。首先，受限于施工建设和物业协调，可供测试的场景样本点较少；然后，信道环境多边且难以拟合准确，无法通过理论分析推导出交叉部署指导建议；最后，实际外场工程规划和建设情况呈多样化，无法给出普适性的技术结论。因此，本节建立了灵活双工干扰共存评估体系，含创新测试方案和理论分析模型，其涉及的应用场景如下。

（1）场景一：宏站与宏站，下行对上行干扰；

（2）场景二：宏站与皮站，宏站下行对皮站上行干扰；

（3）场景三：微站与皮站，微站下行对皮站上行干扰。

2.1 创新测试方案

针对上述问题，为降低施工建设复杂度和提高测试效率，本节创新提出了2 步映射测试方案，具体步骤如下：

（1）根据现网典型工参，如站高、下倾角、方位角，天线衰减等，理论推导出受扰站底噪抬升NdB 所需的隔离距离dI，选择最接近的实际站址开展测试，记为施扰站A，受扰站B，隔离距离dI。

（2）如图4 所示，在施扰站A 和受扰站B 的组网区域内，保持孤站场景，开启施扰站A，发射功率记为P。加扰终端UE1位于施扰站A 与受扰站B 的连线方向小区边缘位置发起下行满灌包业务。在步骤1 中推导出的隔离距离dI，上下浮动一定距离，步长为d，记录此时的实际隔离距离DI，记为{…,d1-d,d1,d1+d,…}。并将扫频仪放置于在隔离距离为DI的楼宇中模拟受扰站建设位置，统计底噪抬升值，找到底噪抬升值为NdB 的模拟站点，记录所有模拟站点的扫频仪底噪抬升值与实际环境配置参数，得到不同隔离距离与扫频仪底噪的关系，记为：

图4 步骤2，通过扫频仪获取不同距离底噪抬升值过程的示意图

（3）如图5 所示，将扫频仪放置于受扰站B 处，以一定步长，逐步降低施扰站A 的发射功率，找到步骤2 中所记录的扫频仪底噪值，此时记录施扰站A 的发射功率为{P1,P2,…,Pn}。开启受扰站B，施扰站A 分别配置发射功率为{P1,P2,…,Pn}，测试终端UE2发起上行full buffer 业务，锁定受扰站进行遍历测试，记录SSB RSRP 与上行速率，得到扫频仪底噪与业务速率ThpUL的关系，记为：

图5 步骤3，通过降功率模拟不同底噪抬升水平，获取扫频仪底噪与业务速率关系的示意图

（4）将步骤2 中所得到的隔离距离与扫频仪底噪的关系，映射到步骤3 中得到的扫频仪底噪与业务速率关系，最终可以得到不同隔离距离下的业务速率，记为：

2.2 理论分析模型

针对典型现网环境，本节建立了干扰共存的理论分析模型，以获取灵活双工组网的隔离度要求。

（1）单站组网场景

针对单站组网场景，本设计方案的具体流程如下：

1）如图6 所示，当受扰站B 的底噪抬升NdB 时，所接收到施扰站A 的干扰信号强度PI为：

图6 交叉干扰组网中施扰站和受扰站的示意图

其中，PI的单位为dBm/MHz，NF 为受扰站的噪声系数，-174 dBm/Hz 为理论白噪声。

2）由设备参数计算出底噪抬升NdB 时，所需要的隔离度（MCL）要求，记为：

其中，PA为施扰站发射功率，GA和GB分别为施扰站和受扰站的系统总增益，GD为下倾角的损耗，loss 为墙体穿透损耗。

3）根据MCL 要求，基于3GPP 协议信道估计模型推导得出相应的隔离距离要求[3-4]，其中，信道模型包括典型城区（Uma）与非直视（NLOS）两种场景，分别记为：

其中，W为施扰站与受扰站连线方向上的平均街道宽，h为平均楼宇高度，hUT和hBS为受扰站高和施扰站高，fc为中心频率，d3D为所需的隔离距离。

基于上述理论分析模型，干扰共存隔离度的评估结果如下：

1）场景一（宏站与宏站）：如表1 所示，非直视场景需要5～34 km 隔离距离，基站高度越低、平均楼宇越高、隔离距离越大，交叉干扰越小。

表1 场景一：理论隔离距离要求

2）场景二（宏站与皮站）：如表2 所示，非直视场景需要0.3～1.7 km（钢混材质）、1.2～3.0 km（玻璃幕）隔离距离，除基站和楼宇高度等影响因素以外，墙体穿透损耗越大，隔离距离越大，交叉干扰越小。

表2 场景二：理论隔离距离要求

3）场景三（微站与皮站）：如表3 所示，非直视场景隔离距离需要0.3～0.7 km（钢混材质）、0.4～1.0 km（玻璃幕），交叉干扰程度的影响因素与场景二相同。

表3 场景三：理论隔离距离要求

理论分析的隔离距离区间较大，原因主要为不同外场的环境参数差异较大，其中基站站高、平均楼宇高度为影响隔离距离的主要因素。

（2）多站组网场景

针对多站组网场景，如图7 所示，考虑19 个施扰站小连片组网区域干扰强度的线性叠加，获取干扰共存的隔离度的评估结果如下。

图7 多对单小连片场景网络拓扑示意图

1）场景一（宏站与宏站）：如图8 所示，隔离距离要求40～102 km。

图8 宏对宏多对单场景隔离距离与底噪抬升值的理论计算曲线

2）场景二（宏站与皮站）：如图9 所示，钢混材质，隔离距离要求1.5～4.4 km；玻璃幕材质，2.5～6.9 km。

图9 宏对皮多对单场景隔离距离与底噪抬升值的理论计算曲线

3）场景三（微站与皮站）：如图10 所示，钢混材质，隔离距离要求0.45～1.5 km；玻璃幕材质，0.78～2.5 km。

图10 微对皮多对单场景隔离距离与底噪抬升值的理论计算曲线

2.3 干扰共存结论

（1）场景及网络配置

3 个场景（宏对宏、宏对皮、微对皮）3 个城市完成单站环境准备和测试验证，涵盖密集城区和一般城区，其基本环境和配置参数如表4 和表5 所示。

表4 测试环境基本配置

表5 施扰/受扰侧基站工参

（2）干扰共存结论

根据创新测试方案和理论评估结果开展了相应的外场测试验证，实测隔离距离基本符合理论预期。干扰共存能力与基站站高、周围楼宇高度、墙体穿透、传播环境、产品配置等因素有关，外场的速率测试结果如表6 所示，干扰共存隔离度的评估结果如下：

表6 实测隔离距离要求

1）场景一（宏站与宏站）：若要交叉时隙干扰可控，隔离距离要求4.2 km，对应的上行底噪抬升1 dB，上行速率损失小于10%。

2）场景二（宏站与皮站）：若要交叉时隙干扰可控，隔离距离为0.6～2.8 km（钢混材质）和0.71～4.7 km（玻璃幕），对应的上行底噪抬升1 dB，上行速率损失小于10%。

3）场景三（微站与皮站）：若要交叉时隙干扰可控，隔离距离为0.45 km（钢混材质）和0.82 km（玻璃幕），对应的上行底噪抬升1 dB，上行速率损失约7%。

3 灵活双工优化方案及应用效果

根据灵活双工试验结果，其上行速率损失仍有优化空间，为进一步降低交叉时隙干扰，提升灵活双工性能为目标，本节提出系列干扰优化方案，预估相同隔离距离要求下的速率损失可减少至5～15 个百分点，进而相同速率损失下的共存干扰要求也会相应放宽。下文将分别从技术方案原理、试点效果或理论预期、应用建议等方面展开介绍。

3.1 施扰侧方案

（1）时隙关闭

1）技术原理

时隙关闭，通过关闭宏站资源中会对皮站产生干扰的时隙资源，从而减少对皮站的干扰。时隙关闭基本方案通过手动配置去关闭施扰站资源，关闭时隙固定不可变，实现较为简单。增强方案可根据施扰站负荷、受扰站干扰程度、受扰站负荷等自适应关闭施扰站的部分/全部交叉下行时隙，或关闭受扰站的部分/全部交叉上行时隙。

2）测试结果

为验证时隙关闭功能对于施扰站和受扰站性能的影响，设计了关闭全部宏站干扰下行时隙，受扰站不变的方案进行验证，如图11 所示：

图11 宏对皮干扰示意图

如图12 所示，测试结果显示：

图12 时隙关闭方案测试数据

受扰站上行速率：功能开启后，速率基本恢复至无交叉干扰水平。

施扰站下行速率：功能开启后，速率下降约45%。

3）应用建议

该方案导致施扰站可用下行资源的减少，可能影响下行速率，因此，建议施扰侧处于中低负荷场景下使用。

（2）调度协同

1）技术原理

本设计方案不仅可通过上下行资源固定错开调度来避免交叉时隙干扰，也可灵活配置资源的起始位置，资源带宽和分配颗粒度，包括控制信道和业务信道。此外，还可根据受扰侧上行干扰程度，基于站间交互方式动态实现调度协同。

2）测试结果

针对固定错开调度方案，如图13 所示，将5G 4.9 GHz网络100 M 带宽共计273 个RB 进行错开分配，施扰站下行配置RBG0-RBG8 发送下行业务数据（RB0-RB143），受扰站上行配置RBG9-RBG17 接收上行数据（RB144-RB 272）。

图13 调度协同方案示意图

如图14 所示，测试结果显示：

图14 调度协同方案测试数据

受扰站上行速率：当RSRP=-96 dBm，受扰站底噪抬升58 dB 时，开启调度协同后，相比未开启，速率提升26%；当RSRP=-85 dBm，受扰站底噪抬升3 dB 时，开启调度协同后，相比未开启，速率提升9%。

施扰站下行速率：开启调度协同后，速率下降30%～43%。

3）应用建议

本设计方案通过上下行频域资源协同调度的方式规避交叉时隙干扰，减少了施扰/ 受扰可用资源（其程度依施扰/ 受扰侧资源分配比例而定），在一定程度下可能会影响上下行吞吐量，因此，该方案建议在施扰/ 受扰侧负荷不均衡、受扰侧覆盖水平较好时使用。

（3）降低功率

1）技术原理

如图15 所示，本设计方案不仅可通过降低施扰站发射功率的方式来减少施扰侧对受扰侧的干扰，还可基于站间交互，根据施扰站符合、受扰站上行干扰程度和负荷等自适应调整施扰站的发射功率。

图15 降低功率方案

2）测试结果

如图16 所示，测试结果显示：

图16 降低功率方案测试数据

受扰站上行速率：当RSRP=-97 dB，皮站底噪抬升58 dB 时，开启功率降低3 dB 后，相比未开启，速率提升21%，降低功率6 dB 后，速率提升79%；当RSRP=-85 dB，受扰站底噪抬升3 dB 时，开启功率降低3 dB 后，相比未开启速率提升4%～5%，降低功率6 dB 后，速率提升9%～14%。

施扰站下行速率：开启功率3 dB 后，速率下降6%～8%，降低功率6 dB 后，速率下降13%～21%。

3）应用建议

本设计方案可能影响施扰站覆盖水平和下行速率，因此，建议施扰侧覆盖水平较好的场景下使用，避免覆盖收缩，影响用户体验。

（4）波束协同

1）技术原理

如图17 所示，施扰/ 受扰侧的交叉时隙干扰可能只存在于某个特定方向。本设计方案可避免干扰波束产生，提升受扰站的上行吞吐量。受扰站识别施扰站来源和波束方向，并将干扰源信息反馈给施扰站。施扰站接收到干扰源信息后，通过天线权值优化等手段调整波束方向避开干扰方向，从而避免对受扰站产生交叉时隙干扰。

图17 波束协同方案

与此同时，波束协同方案对施扰站覆盖有影响，造成覆盖盲区，不具有普遍适用性。

2）测试结果：如图18 所示，随着干扰波束与施扰站受扰站连线的夹角越大，上行吞吐率性能越好，上行PDCP 层速率损失从90% 减小到50% 左右，受扰站上行性能提升约4.6 倍。

图18 波速协同测试结果

3）应用建议

本设计方案虽然可以大幅度提升受扰站的上行性能，但其对施扰站的特定方向的覆盖能力和用户体验有影响，建议在干扰源方向集中，施扰侧负荷较低时使用。

（5）工程手段

1）技术原理

工程手段可应用于施扰站，如通过优化下倾角和方位角的方式，使施扰站避开受扰站所在位置。也可应用于受扰站，如通过增加受扰站的进深，降低干扰信号在受扰站位置的强度，从而降低交叉时隙干扰，提升上行吞吐率水平。

2）应用建议

工程手段效果虽然明显，但是对全网规划和性能影响较大，建议在不影响现网规划和性能前提下使用。

3.2 受扰侧方案

（1）干扰识别

1）技术原理

施扰站干扰源和波束方向的定位是交叉时隙干扰抑制的前提，针对该问题，本节基于RIM-RS（远端干扰管理）机制，提出交叉时隙干扰识别方案。对于该方案，施扰站开销几乎为0，受扰站开销为RIM-RS 的检测、计算、存储开销。由于交叉时隙干扰关系固定，受扰站不需要始终检测RIM-RS，因此受扰站开销可控。综合来看，基于RIM-RS 的干扰识别方案具有可行性。

与远端干扰管理干扰不同，交叉时隙干扰具有一定特点：干扰关系固定，干扰方向为单向，只有5D2S3U帧结构对1D1S3U 帧结构有干扰；另外，干扰范围小、干扰源数量有限，对自动的干扰告知机制需求不迫切，干扰源定位后可逐一解决。

如图19 所示，当交叉时隙干扰发生时，施扰站在约定的时隙及符号位置发送RIM-RS 信号，RIM-RS 可携带小区ID 信息、波束ID 信息等。受扰站检测RIM-RS，得到干扰信息后，将干扰信息发送给施扰站，施扰站应用干扰解决方案。

图19 干扰识别流程

2）应用建议

本涉及方案可应用于所有交叉时隙干扰场景。通过定义RIM-RS 中承载的信息，可灵活判定干扰源粒度，实现小区级别和波束级别干扰源的定位。

（2）链路自适应

1）技术原理

现有链路自适应算法（AMC），MCS 调度无法区分交叉时隙和非交叉时隙。在交叉时隙部署场景中，交叉时隙和非交叉时隙信道状态差异较大，若不区分时隙进行MCS 调度，交叉时隙干扰会导致整体MCS 水平偏低，从而导致整体吞吐率水平降低。基于时隙的链路自适应方案，可有效避免以上问题。方案对施扰站无影响，受扰侧的影响在于，由1 套链路自适应增加至3 套AMC，MCS 内环和外环增加了系统内存和处理开销，整体影响可控，方案具有可行性。

链路自适应方案中，MCS 调度算法中4 项关键参数可区分交叉时隙单独配置，包括DL 对UL，S 对UL 和UL 对UL，并通过现网摸索优化值，可提高频谱效率。同时，结合调度协调方案，近中点用户与一般业务，使用交叉干扰时隙，终端发射功率余量可以抵消一部分干扰；远点用户与高可靠业务，使用非受干扰时隙。

MCS 调度影响因素如图20 所示：

图20 MCS调度影响因素

2）理论预期

链路自适应方案可确保1D1S3U 上行速率至少高于5D2S3U。在高干扰场景下，与性能优化前相比，初步估算上行速率可以提升20%～30%。

3）应用建议

该方案为受扰侧应用方案，不影响施扰侧的性能，建议按需应用于交叉时隙干扰场景。

（3）配置优化

1）技术原理

交叉时隙场景中，施扰站SSB/CSI-RS 以及受扰站SRS 由于配置不合理，会导致产生交叉时隙干扰，影响受扰站上行吞吐率性能。针对以上参考信号进行配置优化，可有效降低干扰，不会对施扰站造成影响，具有可行性。

SSB 配置优化方案：受扰站采用SSB 波束加密为7波束或者打孔的方式，避免SSB 的干扰。该方案对施扰站无影响，具有可行性。

CSI-RS 配置优化方案：施扰站可以优化CSI-RS 的时隙位置，将CSI-RS 配置在Slot0，因为Slot 0 为非交叉时隙，从而可以有效避免CSI-RS 对受扰站产生干扰。

SRS 配置优化方案：在交叉时隙干扰较强场景，将SRS 资源配置迁移到非交叉干扰UL 时隙中，并维护交叉时隙和非交叉时隙两套不同的MCS 初始选阶；在交叉时隙干扰较弱场景，交叉时隙干扰影响较小，维持现有SRS 资源配置。

SRS 迁移方案如图21 所示：

图21 SRS迁移方案

2）理论预期

SSB、CSI-RS 配置优化方案性能暂未评估，SRS 配置优化方案与链路自适应方案联合使用，初步估算上行吞吐率性能可提升20%～30%。

3）应用建议

以上配置优化方案不影响施扰站性能，建议按需应用于交叉时隙干扰场景。

（4）基带对消

1）技术原理

基带对消总体架构设计如图22 所示，包括基于导频获取信道架构和基于搜索算法重建信道。

图22 基带对消总体架构设计

本节聚焦基于导频的基带对消方案，其系统工作流程如下。

◆步骤1，受扰站上行接收信号PR，其表达式为：

其中假设施扰站为64TR，DMRS 4 port。信号信道响应HI为4×64 矩阵；下行波束赋形WI为64×4 矩阵；单用户下行4 流频域数据SI为4×1 矩阵。PD为受扰站上行有用信号，表达式为：

其中受扰站为4TR，CSI-RS 4 port。信号信道响应HD为4×4 矩阵；码本WD为4×4 矩阵；单用户上行4 流频域数据SD为4×1 矩阵。

◆步骤2，通过站间交互方式，受扰站依次获取施扰站下行导频信息和频域数据，进而分别得到施扰站和受扰站的信道估计。

◆步骤3，根据施扰站信道估计与频域数据，重构干扰信号并实现消除，得到上行干扰消除信号，其表达式为：

◆步骤4，根据受扰站信道估计与上行干扰消除信号，均衡解调获取最终的上行信号。

2）应用建议

基带对消方案理论上可完全消除站间的干扰，可作为灵活双工组网中交叉时隙干扰和全双工自干扰的主要优化方案[5-7]，但其涉及宏微协同，导频增强和精准信道估计与重构等重要研究和增强方向，无论在标准和产业上仍然有很多工作和关键问题需要完成。因此，建议初期研究其应用在环境与配置较为简单的灵活双工交叉时隙干扰场景中，在交叉干扰场景中充分验证方案可行性与基本性能，可逐步推广到全双工系统。

4 结束语

本文从干扰共存评估体系和干扰优化应用方面介绍了灵活双工方案的研究进展。干扰共存评估体系包括：一是提出创新测试方案，降低施工建设复杂度和测试执行效率；二是基于建立理论分析模型，分析室内外各场景的共存能力和隔离度要求，为首次实现TDD 蜂窝网络灵活双工配置奠定基础。干扰优化方案介绍了施扰侧和受扰侧等方案的技术原理、理论预期，并且在现网开展测试验证，根据验证结果给出相应的应用建议。