4G/5G频谱资源协同关键技术

何文林，刘建华，李新，江天明

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

虽然5G 网络已经商用，但是5G 建设初期，4G 网络仍然是主力承载网，仍面临巨大的容量压力，目前4G/5G同频部署，如何将有限的频谱资源发挥出更大的价值，对无线网络至关重要。5G 网络的建设，将会引入支持5G 和4G 的双模设备，基于硬件AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元）支持160 MHz 全频谱和软件支持4G/5G 共模，4G 和5G 之间将可以实现频谱共享，即根据4G 和5G 的业务特点、用户数及话务负载等条件，结合4G 载波间话务分配策略，在4G 进行话务迁移后再进行载波制式4G/5G快速切换，从而实现4G 和5G 之间的频谱资源共享。事实上，多制式频谱共享，包括GSM（Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统）/UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）、GSM/LTE（Long Term Evolution，长期演进）、UMTS/LTE 制式间频谱共享，已经在全球广泛和成熟商用，可有效提升频谱利用率。在同区域同频部署4G 和5G，5G 小区带宽为100 MHz 或80 MHz，周边存在多个带宽为20 MHz 的4G 小区，5G 小区与4G 可能存在20 MHz 以及40 MHz 交叠组网情况，需对4G/5G间的同频干扰进行处理。

载波级动态频谱共享通过4G/5G 系统间信息交互，基于各系统负载情况实现秒级载波级频谱共享，具体实现中可设定4G/5G 共享资源释放和请求的资源利用率门限，动态调整共享资源的分配。该方案主要实现较为简单，但存在触发生效时间长（秒级）的不足，需研究共享频谱的使用方式，并保证现网用户不受影响。

动态共享需4G/5G 系统共用MAC（Media Access Control，媒体访问控制）层调度，实现毫秒级4G/5G 频谱共享，实现过程中5G 需考虑PRB（Physical Resource Block，物理资源块）间隔离、SRS（Sounding Reference Signal，信道探测参考信号）和CSI-RS（Channel State Information Reference Signal，信道状态信息参考信号）等参考信号配置，避免对4G CRS（Cell Reference Signal，小区参考信号）、SRS 等参考信号的干扰。动态共享可支持ms 级别的4G/5G共享，其生效场景更广泛、性能较好，但也带来技术复杂度较高的问题，需重点研究控制信号/信道如何避免被干扰。

5G 与4G 的频谱共享可考虑两种方案，一是载波级的动态共享，二是PRB/TTI（Transmission Time Interval，传输时间间隔）级的动态共享，本文重点介绍载波级动态频谱共享。

1 载波级动态共享方案介绍

载波级动态共享通过4G/5G 系统间的信息交互，基于各系统负载情况实现秒级载波级频谱共享。对于共享资源的使用，若共享资源优先给5G 使用，则在4G 忙时资源受压缩，将影响4G 用户的体验；若共享资源优先给4G 使用，现网4G 用户体验不受影响，但5G 用户可能达不到峰值，所以需对共享资源的使用设定规则。具体实现中可设定4G/5G 共享资源释放和请求的资源利用率门限，在5G 有需求且4G 负荷低时，可释放4G 占用共享频谱，将4G 小区关闭，频谱释放给5G 使用；在4G 有需求且5G 负荷低时，可释放5G 占用共享频谱，将4G 小区激活，频谱释放给4G 使用。该方案主要实现较为简单，但触发生效时间长（秒级），对于连接态用户可以提前通知切换到其他小区，但是空闲态用户无法及时转移，也需考虑对空闲态用户的处理，保障用户的体验。

1.1 共享资源分配方式

为保证共享资源的合理分配，可设定4G/5G 共享资源释放和请求的资源利用率门限，通过门限的高低调整资源的使用。

（1）5G 共享资源可释 放PRB 利用率门限（Thresh15G）：PRB 利用率低于此门限时，可将共享资源释放给4G 使用，高于此门限，则不可释放；

（2）5G 共享资源收回PRB 利用率门限（Thresh25G）：PRB 利用率高于此门限时，将通知4G，向4G 请求共享资源，4G PRB 利用率低于4G PRB 利用率门限1 时，4G将共享资源释放给5G 使用；

（3）4G 共享资源可释 放PRB 利用率门限（Thresh14G）：PRB 利用率低于此门限时，可将共享资源释放给5G 使用，高于此门限，则不可释放；

（4）4G 共享资源收回PRB 利用率门限（Thresh24G）：PRB 利用率高于此门限时，将通知5G，向5G 请求共享资源，5G PRB 利用率低于5G PRB 利用率门限1 时，5G将共享资源释放给4G 使用。

PRB 利用率采用实际的PRB 占用率，且取上下行最大值。

载波级动态共享门限示意图如图1 所示：

图1 载波级动态共享门限示意图

具体实现如下，5G 基站获取5G 的PRB 利用率：

（1）若5G PRB 利用率小于Thresh15G，则5G 可释放占用的共享资源或者不向4G 请求共享资源；

（2）若5G PRB 利用率大于Thresh15G且小于Thresh25G，则5G 基站保持当前的资源使用状态，占用的共享资源不可释放；

（3）若5G 基站判断5G PRB 利用率大于Thresh25G且4G 基站占用共享资源，将向4G 基站请求占用共享资源；若5G 基站判断5G PRB 利用率大于Thresh25G且5G基站占用共享资源，则5G 基站保持当前的资源使用状态；

（4）4G 基站接收到5G 基站的共享资源占用请求，获取4G 的PRB 利用率，若4G PRB 利用率低于Thresh14G，则4G 基站需将共享资源释放给5G 基站使用；若4G 基站PRB 利用率大于Thresh14G，则4G 占用的共享资源不可释放4G 侧，反之亦然。

1.2 共享带宽内5G广播信号/参考信号/控制信道分配

载波级动态共享时，以2.6 GHz 为例，5G 可用资源为100 MHz 或80 MHz 或60 MHz，若共享资源被4G 占用，则5G 的控制信号/信道需做相应的规避，避免相互干扰。图2 为5G 广播信号/参考信号/控制信道分配。

图2 5G广播信号/参考信号/控制信道分配

（1）广播信号

SSB（Synchronization Signal/PBCH，同步信号广播信道块）可以配置在低端5G 独享带宽内，避免与4G 间的相互干扰。

（2）参考信号

1）CSI-RS

①采用限制发送方式，只在5G 独享带宽内发送，若5G 可用资源为80 MHz 或100 MHz，只能用独享带宽（60MHz）的CQI（ChannelQualitylndicator,信道质量指示）反馈进行业务信道的调度；

②采用RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）重配消息进行BWP 重配，CSI-RS 频域位置随BWP（Bandwith Part，带宽分段）重配更新，使用对应的CQI 反馈进行业务信道的调度。

2）SRS

①按照100 MHz 全带宽发送，与LTE 时分复用；

②采用RRC 重配消息进行BWP 重配，SRS 频域位置随BWP 重配更新。

（3）控制信道

1）common PDCCH（Physical Downlink Control Channel，下行物理控制信道）、common PUCCH（Physical Uplink Control Channel，上行物理控制信道）、PRACH（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）配置在低端独享带宽内；

2）UE specific PDCCH、UE specific PUCCH 可 配置在低端独享带宽内，也可以随BWP 而变；

3）PDSCH（Physical Downlink Shared Channel，下行物理共享信道）、PUSCH（Physical Uplink Shared Channel，上行物理共享信道）资源根据系统可用资源进行调度。

1.3 共享载波上4G用户迁移

对于连接态用户，可在共享载波静默前下发切换命令，将用户切换至其它同覆盖小区，迁移用户需要一定时间（秒级）。

对于空闲态用户，如果不做特殊处理，在共享4G 小区静默的瞬间，还未来得及重选至新的小区，将会出现短暂脱网，需要网络侧做相应处理，4G 共享载波在静默前，提前下发广播消息更新小区可接入状态，将小区可接入状态设置为barred，终端收到新的系统消息后，将会启动异频测量，重选到其他小区，避免共享小区静默后脱网。

1.4 与PRB级动态共享的对比

PRB 级动态频谱共享需4G/5G 系统共用MAC 层调度，实现毫秒级4G/5G 频谱共享，实现过程中5G 需考虑PRB 间隔离、SRS 和CSI-RS 等参考信号配置，避免对4G CRS、SRS 等参考信号的干扰。由于PRB 级动态共享可支持ms 级别的4G/5G 共享，其生效场景更广泛、性能较好，但也带来技术复杂度较高的问题。

两个系统并存，共用同一段频谱，一是需要考虑相互间的干扰，二是需要考虑对一些固定信号的避让。若LTE 和NR 采用相同的子载波间隔，LTE 和NR 载波间可以做到子载波正交，LTE 和NR 可以频分复用的方式进行频谱动态共享，不会导致子载波间干扰。若NR与LTE的子载波间隔不同，则LTE 和NR 的子载波是不正交的，需要在LTE 和NR 之间预留一定的保护间隔，从而避免两者之间产生的干扰。

（1）规避NR 对LTE 下行固定信号的干扰；

（2）规避LTE 对NR 下行固定信号的干扰；

（3）规避NR 对LTE 上行固定信号的干扰；

（4）LTE 对NR PRACH、PUCCH 与SRS 的扰规避与NR 的相同。

如表1 所示，频谱共享可通过载波级动态共享和PRB 级动态共享两种方式实现，但各自具有优劣势，在具体实施时，需考虑网络需求及终端支持情况等。

表1 载波级动态共享与PRB级动态共享的对比

1.5 4G/5G干扰处理

在同区域同频部署4G 和5G，5G 小区带宽为100 MHz或80 MHz，周边存在多个带宽为20 MHz 的4G 小区，5G 小区与4G 小区可能存在20 MHz 或40 MHz 交叠组网情况，需对4G/5G 间的同频干扰进行处理。5G 系统支持上/ 下行频选调度，网络侧可以分别配置不同带宽下的信道质量测量，并且选择速率最高的频率组合进行调度。目前有两种方案实现频选调度来降低4G/5G 间的干扰。

方案一：给5G 前60 MHz 频段和可能有干扰的后2×20 MHz 频段分别配置独立的信道测量，60 MHz 配置周期CQI 测量，共享区域配置非周期测量，基站获取前60 MHz 频段以及后两段20 MHz 频段的信道测量，测量上报类型为PMI（Precoding Matrix Indicator，预编码矩阵指示符）中的宽带CQI，将共享频段的CQI 和独享频段的CQI 进行比较，基于CQI 折算频谱效率，选择频谱效率最高的资源进行调度，使得终端能获得最大的速率。

方案二：考虑到目前标准支持CSI-RS 最小带宽为Min{24,BWP}，并且支持以4RB 为颗粒度进行测量带宽配置。但目前大部分终端不支持最小颗粒度为4RB 的窄带CQI 测量，导致系统侧无法精确识别每RB 上的干扰。为解决上述问题可采用如下方法：

（1）对于部分最小测量带宽20 MHz 的终端：系统侧下发以20 MHz 为带宽的CSI-RS 测量，通过CSI-RS 分段测量干扰水平，基于分段测量结果，计算最优的频谱效率，并针对现网组网情况，从100 MHz/80 MHz/60 MHz 选择最优的传输带宽；

（2）对于测量带宽只支持100 MHz 的终端：可以通过测量其SRS 信息和宽带CQI 信息，与网络存储信息进行对比，进而确定最佳调度资源，提升速率。

1.6 测试验证

为了验证该功能的性能和效果，在现网中进行了测试验证。测试环境选取7 个站点连片覆盖的区域。

对于4G 现网负荷，在频谱共享开启前，4G 忙时平均下行PRB 利用率约为30%，平均用户数约50；闲时平均下行PRB 利用率约为10%，平均用户数约15。

测试时4G/5G PRB 利用率门限配置：4G 共享资源收回PRB 利用率门限为50%，共享资源可释放PRB 利用率门限为30%；5G 共享资源收回PRB 利用率门限为60%，共享资源可释放PRB 利用率门限为40%。

分别选择4G 忙时和闲时，采用5G 终端进行道路拉网测试，对比开启频谱共享前后5G 的下行占用PRB 和下行速率提升。

载波级动态共享验证结果如图3 所示。

图3 载波级动态共享验证结果

测试结果显示，频谱共享打开后，配置4G/5G 共享40 M 的场景，相对于5G 60 M 基线场景，4G 忙时下行占用PRB 提升约18%，下行速率提升14%，因为4G 忙时下行平均PRB 为30%左右，4G 侧频点释放门限为30%，有35%的小区负荷为50%～60%，所以能释放给5G 使用的资源相对较少；4G 闲时下行占用PRB 提升约55%，下行速率提升32%（测试区域未完全移频，存在周围4G 站点的D1 频点小区干扰，所以速率提升比下行占用PRB 提升略低）。

针对干扰处理方案一，进行了现网验证，测试环境选取8 个站点连片覆盖的区域，4G 网络的单频点平均PRB 利用率约为12%，忙时PRB 利用率为50%～70%，5G 网络的平均PRB 利用率为7%。测试时4G/5G PRB 利用率门限配置：4G 共享资源收回PRB 利用率门限为80%，共享资源可释放PRB 利用率门限为60%；5G 共享资源收回PRB 利用率门限为70%，共享资源可释放PRB 利用率门限为50%。

开启频选调度前后下行速率对比如图4 所示。

图4 开启频选调度前后下行速率对比

载波级动态频谱共享可提升5G 可用RB 数18%～55%（与60 M 相比），下行拉网速率提升14%～32%，具体与4G 网络负荷有关。开启4G/5G 频谱载波级动态共享，共享D1 和D2 时，打开频选调度相比关闭频选，下行速率的增益为22.5%；共享D2 时，打开频选调度相比关闭频选，下行速率的增益为14.6%，具体增益与区域内4G小区分布和业务量有关。

2 结束语

PRB 级动态频谱共享可实现精确资源共享，获得较高的频谱利用效率，但是实现较复杂，需规避对5G 和4G 固定信号/信道的影响，载波级动态共享实现相对简单，两个系统间无干扰，并且对4G 和5G 子载波间隔不同的场景无特殊要求，可在5G 网络建设初期，有效缓解4G 网络容量压力，提升频谱利用效率。4G/5G 干扰处理可有效降低4G/5G 同频部署时4G 对5G 的干扰，具体增益与4G 小区分布和业务量有关，适用于4G D1/D2 移频不彻底、5G 周边存在同频的4G 基站的区域，或5G 连片组网场景，5G 外围与4G 相邻区域，或开启4G 与5G 频谱共享的区域。