NR FDD 2.1G技術(shù)的研究和初步應(yīng)用

【摘 ?要】從雙工方式、頻段分布、物理層信道結(jié)構(gòu)、無線參數(shù)、多天線技術(shù)等方面對FDD 2.1G技術(shù)在5G中的技術(shù)方案進(jìn)行論述。通過應(yīng)用實例，從覆蓋、速率等多個指標(biāo)把2.1G FDD NR與3.5G TDD NR以及2.1G FDD LTE的性能進(jìn)行比較和分析，論述2.1G FDD NR的優(yōu)勢與不足。研究了2.1G FDD NR和2.1G FDD LTE的頻譜共享方案。該技術(shù)具有較好的技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】NR;FDD;SSB;頻譜共享;頻率重耕

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.002 ? ? ?中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號：1006-1010（2019）12-0010-06

引用格式：歐陽暉. NR FDD 2.1G技術(shù)的研究和初步應(yīng)用[J]. 移動通信， 2019，43（12）： 10-15.

On the Study and Implementation of NR FDD 2.1G Techniques

OU Yanghui

（Foshan Branch of China Telecom Co.， Ltd.， Foshan 528000， China）

[Abstract]?This paper studies how to apply 5G technologies to the existing 4G spectrum. The technical solution of FDD 2.1G technology in 5G is discussed in terms of the duplex mode， frequency band distribution， physical layer channel structure， wireless parameters and multi-antenna technology. Through the examples of practical applications， this paper analyzes and compares the performance of 2.1G FDD NR， 3.5G TDD NR and 2.1G FDD LTE with multiple metrics such as coverage and rate， and the advantages and disadvantages of 2.1G FDD NR are discussed. The spectrum sharing scheme between 2.1G FDD NR and 2.1G FDD LTE is studied， and it shows a good technical performance and application prospects.

[Key words]new radio; frequency division duplex; synchronization signal block; frequency-band sharing;frequency-band refarming

0 ? 引言

2019年10月30日三大運營商同時宣布5G正式商用。從技術(shù)發(fā)展上說，5G NR（38系列）和4G LTE/LTE-Advanced/LTE Pro的無線接入技術(shù)（36系列）一脈相承。例如愛立信研究院的“三部曲”對4G到5G的協(xié)議演進(jìn)路徑作了清晰的闡述[1-3]。

NR與LTE無線接入技術(shù)的相似性給4G/5G協(xié)同發(fā)展提供了便利。設(shè)備廠家目前也提供了這方面的產(chǎn)品，包括雙連接（Dual Connection，如著名的NSA就是一個特例）、上下行解耦（協(xié)議中定義的SUL）[4]以及頻譜共享等。

對于中國電信來說，目前擁有的LTE頻譜均為FDD（2.6G TDD頻段已經(jīng)騰退給中國移動），但目前分配給中國電信的3.5G NR頻譜卻使用TDD。2.1G FDD頻段較接近3.5G，成為未來頻段重耕的首選。因此，如何在2.1G FDD頻段引入NR是一個重要的課題。

本文研究的內(nèi)容包括NR在2.1G FDD頻段的技術(shù)特點以及實際應(yīng)用時的性能分析。通過與3.5G TDD NR以及2.1G FDD LTE的性能進(jìn)行對比，論述了2.1G FDD NR的應(yīng)用前景。

1 ? 技術(shù)方案

1.1 ?FDD與TDD

雙工方案由頻譜分配方式?jīng)Q定，對于較低的頻段，分配通常成對出現(xiàn)，如頻分雙工（FDD）;在更高的頻帶上，不成對的頻譜分配越來越普遍，如時分雙工（TDD）。鑒于NR比LTE支持更高的載波頻率，與LTE相比，對不成對頻譜的有效支持是NR更為重要的組成部分。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了全雙工技術(shù)（Full Duplex， FD）[1]，即上下行既不通過時間區(qū)分，也不通過頻率區(qū)分。這樣系統(tǒng)的容量大大提升，但會存在嚴(yán)重的下行對上行干擾問題，相應(yīng)的解決方案還在研究階段，在以后的NR版本中將會被引入。

NR可以使用一種常見的幀結(jié)構(gòu)在成對和不成對的頻譜中運行，與LTE不同，NR使用了兩種不同的幀結(jié)構(gòu)（后來在版本13中引入了對無執(zhí)照頻譜的支持時擴(kuò)展為三種）。如前所述，作為不成對頻譜分配，對于普遍應(yīng)用高頻段的NR技術(shù)，TDD的優(yōu)勢和重要性日益提高，應(yīng)用也更加廣泛。這些頻帶由于其傳播條件而不適用于非常大的小區(qū)的廣域覆蓋，但與較小的小區(qū)的局部區(qū)域的覆蓋密切相關(guān)。

1.2 ?NR的頻段分布

根據(jù)3GPP協(xié)議，頻段劃分為兩個范圍：FR1頻段，包括6 GHz以下的所有現(xiàn)有和新的頻段;FR2頻段，范圍是24.25 GHz～52.60 GHz。本文研究的是2.1G和3.5G頻段，因此均屬于FR1，采用的也是FR1的配置。根據(jù)FR1目前版本中定義的頻段，F(xiàn)DD 2.1G的頻段編號是n1，頻率范圍和LTE協(xié)議中的B1[3]完全相同。盡管如此，LTE和NR對中心頻點的定義完全不同，例如對于中國電信使用的FDD 2.1G 20M頻點，頻率范圍是上行1 920 MHz—1 980 MHz，下行2 110 MHz—2 130 MHz，對應(yīng)LTE的上下行中心頻點分別為18100和100;而對應(yīng)NR的上下行中心頻點分別為386000和424000。由于TDD技術(shù)對于波束賦形、Massive MIMO等技術(shù)更加友好，3GPP NR協(xié)議更多關(guān)注TDD，因此相比LTE協(xié)議，NR協(xié)議中定義的FDD頻段并不多。

1.3 ?物理層信道配置

（1）NR的傳輸機(jī)制和參數(shù)集（Numerology）配置

LTE和NR均采用OFDM作為上下行傳輸?shù)幕緜鬏敺绞剑ㄉ舷滦芯唧w的DFT預(yù)編碼等方式有所不同）。而OFDM設(shè)計的一個主要課題是選擇合適的參數(shù)集，特別是子載波間隔和循環(huán)前綴（Cyclic Prefix， CP），這些參數(shù)對于接收機(jī)的性能影響較大[1]。具體的參數(shù)集定義如表1所示：

實際上，NR標(biāo)準(zhǔn)以15 kHz的子載波間隔為基線定義其他子載波間隔。這主要是因為要考慮NR和LTE以及基于LTE的NB-IoT技術(shù)的共存問題。中國電信在2.1G頻段引入NR主要也是考慮到LTE與NR的共存問題，即把兩個邏輯上不同的載波（編號不同，使用的技術(shù)不同）部署在同一載波上（實際中心頻率相同，帶寬相同）。因此，應(yīng)用的FDD NR 2.1G試點小區(qū)的子載波間隔（SCS， Subcarrier Spacing）也配置為15 kHz，與LTE一致。

圖1展示了NR的子載波間隔的對齊方式。圖中第一種配置就是15 kHz子載波間隔配置，為了和LTE的設(shè)計對齊，每個NR時隙的長度應(yīng)當(dāng)保持一致，即第一個和第八個OFDM符號（對應(yīng)LTE子幀內(nèi)兩個時隙的第一個OFDM符號）的CP長度比其他符號的CP略長。

（2）公共信道的配置

NR最重要的下行公共信道（信號）是SSB，實際上是PSS、SSS和PBCH的打包，如圖2所示。對應(yīng)的這3個信號/信道在LTE中也有定義，作用也基本相同，只是具體的頻域和時域位置有所不同。在LTE FDD中，PSS和SSS在每個無線幀中的第0號和第5號子幀中進(jìn)行發(fā)送。

圖2 ? ?NR中的SSB結(jié)構(gòu)

1.4 ?多天線技術(shù)的應(yīng)用

多天線傳輸是NR標(biāo)準(zhǔn)的一項關(guān)鍵技術(shù)，特別是對部署在高頻點的NR格外重要。因為天線間存在一定距離或者處于不同的極化方向上，經(jīng)過的信道不完全相關(guān)。在發(fā)送端或者接收端使用多天線可以提供分集增益，對抗信道衰落。

通過調(diào)整發(fā)送端每個天線單元的相位和幅度，可以使發(fā)送信號存在特定的指向性，也就是將所有的發(fā)送能量集中在特定的方向（波束賦形）或者空間的特定位置。因為接收端所處位置得到了更多的發(fā)送能量，這種指向性可以提高傳輸速率以及傳輸距離。同時可以降低干擾，提高整體頻譜效率。接收天線也可以利用接收端指向性，把對特定信號的接收聚焦在對應(yīng)的方向。接收機(jī)和發(fā)射機(jī)上的多天線，可以采用空分復(fù)用技術(shù)，并行傳輸多層的數(shù)據(jù)流。

目前實驗網(wǎng)的大部分3.5G NR室外天線均采用64T64R的AAU（RRU+天線陣列）。但對于2.1G FDD，一方面采用了FDD，CSI估計精度受到很大的限制;另一方面頻率較低，天線尺寸較大，不利于Massive MIMO的應(yīng)用，因此一般最多采用4T4R的天線，而且天線和RRU還是分開的。

典型的NR/LTE終端是2T4R，在3.5G NR網(wǎng)絡(luò)下可以通過一系列算法選擇方向性和增益較高的天線單元，從而提高實際的吞吐量。但在2.1G NR網(wǎng)絡(luò)下只能使用普通的MIMO，沒有波束賦形，因此吞吐量受到較大限制。

2 ? 應(yīng)用與性能比較

2.1 ?試驗站的參數(shù)配置

表2是試驗站的參數(shù)配置：

測試結(jié)果表明，3.5G的空口時延高于2.1G，而端到端時延則2.1G略高。這說明作為FDD，2.1G NR的時延性能有一定的優(yōu)勢，但由于傳輸骨干的配置不同，這種優(yōu)勢很容易被抵消和逆轉(zhuǎn)。

（2）覆蓋能力對比

由于SSB是公共信號（信道），其RSRP反映了小區(qū)的基礎(chǔ)覆蓋能力。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中對上下行解耦的鏈路預(yù)算分析，3.5G NR和1.8G LTE/NR下行信道相差8.8 dB。假設(shè)2.1G比1.8G差1 dB，則3.5G和2.1G的差距大約是7.8 dB。根據(jù)圖3中測試結(jié)果的擬合多項式，兩者之間相差7.6 dB，與理論分析結(jié)果吻合程度較好。但由于3.5G NR采用了64T64R的Massive MIMO和波束賦形，而2.1G只采用4T4R，當(dāng)距離增大時，前者可以實現(xiàn)更好的方向性指向，CSI RSRP會超越后者，如圖4所示。

圖3 ? ?3.5G和2.1G的SSB RSRP隨距離的變化趨勢

（3）吞吐量（速率）比較

圖5中，按絕對數(shù)值，由于3.5G NR帶寬是100 MHz，相對于2.1G NR的20 MHz帶寬，下行吞吐量要高幾倍。但是如果計算頻譜效率（吞吐率/帶寬），2.1G NR反而略高，這是因為3.5G采用了7：3的TDD，吞吐率相對FDD至少下降30%。如果剔除這個因素，則由于波束賦形和Massive MIMO的作用，3.5G NR的頻譜效率略高。

圖6表明：當(dāng)距離增大時，2.1G FDD NR的上行速率優(yōu)勢比較明顯，這反過來說明3.5G NR的上下行不平衡現(xiàn)象比較明顯，因此上下行解耦目前也是研究和應(yīng)用的熱點[4]。

圖5 ? ?下行速率比較

2.3 2.1G FDD NR與2.1G FDD LTE的比較

由于兩者的頻段相同，雙工方式都是FDD，覆蓋能力相當(dāng)，因此僅比較速率，從圖7的實際測試結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）獨占頻譜時，NR的速率大約比LTE高40%，這種差異來源于NR采用的LDPC編碼和更高效的調(diào)度算法;

（2）相對于LTE，NR的速率波動較大;

（3）當(dāng)兩者共享頻譜時，NR的速率優(yōu)勢并不明顯，因為這時NR需要規(guī)避LTE的公共信道。

3 ? 頻譜共享方案

3.1 ?概述

5G NR定義了與LTE部分頻率范圍相同的頻段作為NR頻段，并且頻段號相同。在這種LTE/NR同頻部署場景下存在多種共存方式，主要分為兩大類：一類是LTE與5G NR分別有專用的帶寬，但其在同一頻段上相鄰部署;另一類是頻譜共享方式的共存，LTE與NR共享的頻譜可以是一個LTE載波的帶寬，也可以是一個LTE載波的部分帶寬。

在本文研究的案例中，采用了頻譜共享的方式，且共享了一個LTE載波的全部帶寬。

3.2 ?LTE/NR下行共享頻譜共存

如前所述，NR標(biāo)準(zhǔn)化了多種OFDM參數(shù)，包括SCS、OFDM符號的CP長度等。NR與LTE的OFDM參數(shù)可以相同，也可以不同。

在LTE/NR OFDM參數(shù)相同的情況下（如本文研究的2.1G FDD NR/LTE），當(dāng)LTE和NR的OFDM符號對齊時，LTE和NR的子載波相互正交，從而有效地避免了LTE和NR之間的載波間干擾（由于頻域嚴(yán)格對齊，NR SSB與LTE CRS之間的干擾也很?。?。這樣，在系統(tǒng)設(shè)計上，BBU（DU）控制基帶，調(diào)度算法保障LTE和NR不占用相同的子載波，以FDM方式實現(xiàn)無干擾共享頻譜。

但由于CRS的普遍存在，無論LTE載波負(fù)載如何，CRS都在固定的符號上發(fā)送。如果NR的PDSCH信道避開LTE CRS所在的OFDM符號，將導(dǎo)致兩個LTE CRS子載波間的約2/3的子載波不可用。在NR的設(shè)計中，為了避免LTE/NR之間的干擾，NR根據(jù)LTE CRS子載波位置對NR的PDSCH信道進(jìn)行了特殊的時域資源映射設(shè)計，使得PDSCH的數(shù)據(jù)能夠繞過LTE的CRS子載波進(jìn)行映射，從而能夠有效利用這部分子載波[4]。

當(dāng)LTE和NR的OFDM參數(shù)（如子載波間隔）不相同時，兩者的子載波之間不完全正交，需要頻域保護(hù)間隔等手段進(jìn)行規(guī)避。另外，NR SSB與LTE CRS之間的相互干擾也不能忽略，需要通過時域規(guī)避等手段來減弱干擾[4]。

對于SSB與LTE的PSS/SSS/PBCH之間的調(diào)度規(guī)避（NR預(yù)留資源），通過位圖來定義預(yù)留資源，對LTE的PSS/SSS周圍進(jìn)行速率匹配。一個預(yù)留資源通過{位圖-1，位圖-2，位圖-3}三元組作如下定義（如圖8）：

（1）位圖-1的長度等于頻域上NR資源塊的數(shù)目，指示了LTE的PSS和SSS在哪6個資源塊上傳輸;

（2）位圖-2的長度為14個符號（1個時隙），指示了PSS和SSS在LTE子幀的哪2個OFDM符號上傳輸;

（3）位圖-3長度為10，指示PSS和SSS在10 ms系統(tǒng)幀的哪2個子幀上傳輸。

對LTE的PBCH周圍也可以采用相同的方法進(jìn)行速率匹配，唯一的區(qū)別在于位圖-2，此時位圖-2指示的是PBCH在哪4個符號上傳輸，而位圖-3指示的是單個子幀。

3.3 ?LTE/NR上行共享頻譜共存

通常情況下，上行共存比下行更為簡單，很大程度上可以通過調(diào)度協(xié)調(diào)和限制來支持。應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)NR和LTE的上行調(diào)度，以避免LTE和NR的PUSCH傳輸沖突。NR調(diào)度器應(yīng)當(dāng)限制不使用LTE上行層1控制信令（PUCCH）的資源，反之亦然。根據(jù)eNB和gNB在哪一層交互（本文的案例中共BBU，由不同的單板負(fù)責(zé)），這類協(xié)調(diào)和限制的動態(tài)程度或多或少[1]。

4 ? 結(jié)束語

本文通過理論分析和實際應(yīng)用測試，證實了NR可以應(yīng)用于現(xiàn)有的2.1G FDD頻段，并且可以與現(xiàn)有的2.1G LTE頻點進(jìn)行頻譜共享。在相同的天線、小區(qū)、終端配置下，2.1G NR吞吐率優(yōu)于2.1G LTE，甚至某些指標(biāo)略優(yōu)于3.5G TDD NR。因此，2.1G FDD NR在5G的低成本應(yīng)用（能耗相對更低），以及后續(xù)的2.1G頻段重耕等方面具有重要意義，值得大力推廣。

后續(xù)的工作一方面是繼續(xù)研究FDD NR的參數(shù)優(yōu)化，以降低速率抖動;另一方面研究低時延應(yīng)用在FDD NR中的應(yīng)用與優(yōu)化，更好地發(fā)揮FDD的優(yōu)勢。

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