20 MHz動(dòng)態(tài)頻譜共享的組網(wǎng)性能分析與驗(yàn)證

（中國電信股份有限公司智能網(wǎng)絡(luò)與終端研究院，北京 102209）

0 引言

在國內(nèi)5G 建設(shè)的規(guī)劃中，廣覆蓋區(qū)域采用2.1 GHz頻段實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)覆蓋層，2.1 GHz 頻段的覆蓋優(yōu)勢對于5G快速部署有重要價(jià)值，而2.1 GHz 頻段又是國內(nèi)運(yùn)營商4G 技術(shù)擴(kuò)容的重要頻段，因此2.1 GHz 需要采用4G/5G動(dòng)態(tài)頻譜共享的策略去平衡4G/5G 的容量，在快速部署5G 的同時(shí)兼顧現(xiàn)網(wǎng)4G 容量增長需求。目前國內(nèi)2.1 GHz使用情況如圖1 所示，2 110—2 130 MHz 承載中國電信的LTE，主要用于流量密集地區(qū)4G 擴(kuò)容以及室內(nèi)分布系統(tǒng)；2 130—2 135 MHz 承載中國聯(lián)通WCDMA 語音業(yè)務(wù)，需要長期保留，2 135—2 155 MHz 承載LTE 業(yè)務(wù)。兩家運(yùn)營商共建共享，未來聯(lián)合使用40 MHz 帶寬實(shí)現(xiàn)40 M DSS 網(wǎng)絡(luò)平衡4G/5G 需求，逐步向40 M NR 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)[1]。

圖1 國內(nèi)運(yùn)營商2.1 GHz頻段5G演進(jìn)規(guī)劃

為了更快速在中低價(jià)值區(qū)域部署5G，實(shí)現(xiàn)5G 連續(xù)覆蓋的需求，在兩家運(yùn)營商做好聯(lián)合使用40 MHz 大帶寬之前就需要在2.1 GHz 部署5G，因此20 M DSS（20 M NR+20 M LTE）在城區(qū)邊緣與鄉(xiāng)鎮(zhèn)有一定的需求與價(jià)值。并且，這種NR 與LTE 重疊承載在小帶寬頻譜上的DSS技術(shù)在國外早已商用部署，歐洲在700 MHz 與2.1 GHz上分別承載了10 M DSS 與15 M DSS。

這種DSS 技術(shù)雖然可以在動(dòng)態(tài)平衡4G 現(xiàn)網(wǎng)容量的同時(shí)快速部署5G，但是LTE 與NR 重疊部署帶來的組網(wǎng)干擾也不能忽視。由于LTE 的CRS 是常開信號，且LTE 組網(wǎng)一般采用PCI Mod3 規(guī)劃，而LTE 與NR 之間組網(wǎng)沒有干擾降低機(jī)制，所以DSS 組網(wǎng)下NR 的性能會受CRS 影響降低[2]。如果為了減少LTE 對NR 的干擾不使用PCI Mod3 規(guī)劃，那么LTE 之間的干擾又會加劇。目前尚沒有文獻(xiàn)論述相同帶寬的兩種制式DSS 組網(wǎng)方式下的干擾情況，本文介紹了20 M NR+20 M LTE 的DSS的技術(shù)方案，并通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對20M DSS 組網(wǎng)下各種通信模式的性能進(jìn)行了評估與驗(yàn)證。

1 DSS的技術(shù)方案與理論分析

5G NR 與4G LTE 的物理層都是基于OFDM 波形設(shè)計(jì)的，且5G NR 可以選擇與4G LTE 相同的參數(shù)集，即相同的子載波間隔與時(shí)隙結(jié)構(gòu)，這是4G 和5G 之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜共享的基礎(chǔ)。4G LTE 的CRS 與控制信道在連續(xù)的時(shí)頻資源中占用特定的位置，而5G NR 的參考信號、數(shù)據(jù)信道、控制信道都具有極高的靈活性，允許進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。因此，利用NR 物理層的動(dòng)態(tài)靈活性去適配相對固定的LTE，可避免兩種技術(shù)之間發(fā)生沖突[3]。目前設(shè)備廠商有以下兩個(gè)主流的信號沖突規(guī)避方案：基于M 子幀、基于速率匹配的打孔（分為LTE 側(cè)打孔與NR 側(cè)打孔）。

1.1 基于MBSFN子幀

把MBSFN 用于DSS 中的NR 時(shí)，就是將5G NR的廣播信號與公共信息插入在保留的OFDM 符號里。LTE 的MBSFN 子幀，只在1-2 符號發(fā)送LTE PDCCH、PCFICH、PHICH 和CRS，其余符號空閑。因此，為了規(guī)避LTE 的CRS 和NR 發(fā)送SSB、RMSI 和paging 的沖突，可以將LTE 配置為MBSFN 子幀，LTE 中每20 ms可以配置一到多個(gè)MBSFN 子幀，不發(fā)送CRS，不會對NR 的RMSI 和SSB 產(chǎn)生干擾，其他符號可以用于NR。

圖2 所示為一種推薦的實(shí)現(xiàn)DSS 功能的M 子幀配置，其中設(shè)置CFI=1 可以給NR 提供更多的時(shí)頻資源；NR PDCCH 采用type0，Coreset0 選擇TS 38.213 Table13-1 配置12，SearchSpaceZero 選擇TS 38.213 Table13-11 配置10[4]。

圖2 DSS的M子幀方案推薦配置信息

1.2 基于速率匹配的打孔

3GPP 38.214 提供了針對LTE CRS 的RE 級別的CRS速率匹配方式：LTE-CRS-ToMatchAround。當(dāng)CRS 和PDSCH 沖突時(shí)PDSCH 避讓CRS，對于5G 基站：LTE CRS 對應(yīng)的RE，不填寫NR PDSCH 下行數(shù)據(jù)。對于5G終端：讀取NR PDSCH 下行數(shù)據(jù)時(shí)，不解析LTE CRS 對應(yīng)的RE。而當(dāng)LTE CRS 與NR 公共信號與系統(tǒng)消息沖突時(shí)，有兩種處理方案：LTE 側(cè)打孔或NR 側(cè)打孔[5]。

（1）LTE 側(cè)CRS 打孔

LTE CRS 打孔即在LTE CRS 與NR SSB 發(fā)生沖突時(shí)，LTE 側(cè)在CRS 對應(yīng)RE 上執(zhí)行降功率流程，過程如圖3所示?？紤]到CRS 降功率會影響LTE 終端的接收性能，因此要對LTE 的下行AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼）進(jìn)行優(yōu)化，在LTE 打孔子幀上對基于CRS 解調(diào)的UE 采用MCS 降階處理。LTE CRS 打孔理論上會帶來的負(fù)面影響有[2]：

1）對RSRP 的測量有將近1 dB 的影響；

2）解調(diào)能力下降帶來額外的容量損失基本在3%～4%以內(nèi)。

圖3 打孔技術(shù)方案流程示意圖

（2）NR 側(cè)系統(tǒng)信號打孔

NR 發(fā)送SSB、RMSI 時(shí)，此時(shí)UE 尚未接入，尚未獲得對LTE CRS 的速率匹配能力?？刹捎肗R 基站在CRS 的位置主動(dòng)打孔NR 系統(tǒng)信號的方式，避免NR 的SSB、RMSI、Paging 等信號受到CRS 的干擾。其過程也如圖3 所示，只不過在沖突位置變成了NR 打孔，根據(jù)SSB 的時(shí)頻分布，LTE 2Port 時(shí)在PBCH 上打孔，LTE 4Port 時(shí)PBCH 和PSS 均打孔。NR 打孔負(fù)面影響為[2]：

1）PBCH 打孔后同時(shí)受CRS 干擾，解調(diào)性能損失1～1.4 dB；

2）LTE 采用4Port 時(shí)，PSS 打孔并受CRS 干擾性能損失1～1.5 dB；

3）為保證RMSI 的解調(diào)性能需要降低MCS。

1.3 性能理論分析

綜合以上各種技術(shù)方案的利弊，以及工業(yè)界實(shí)現(xiàn)的選擇，本文的理論分析與實(shí)驗(yàn)都基于M 子幀+CRS 打孔綜合方案。把5G 最重要的信號NR SSB 與SIB1 放在兩個(gè)不同的M 子幀當(dāng)中，周期分別是20 ms 與SIB 與Paging 采用LTE 側(cè)CRS 打孔。這種方案降低了CRS 打孔的數(shù)目，在保證NR 性能的同時(shí)把對LTE 的影響降到最低。

對于單個(gè)小區(qū)，考慮到是否開啟DSS 模式，LTE 端口是2 端口還是4 端口，小區(qū)性能可以分為以下7 種通信制式進(jìn)行性能評估：

（1）NR only：小區(qū)設(shè)置為NR 網(wǎng)絡(luò)，NR 終端的性能。

（2）LTE only 2T：小區(qū)設(shè)置為2 端口LTE 網(wǎng)絡(luò)，LTE 終端的性能。

（3）LTE only 4T：小區(qū)設(shè)置為4 端口LTE 網(wǎng)絡(luò)，LTE 終端的性能。

（4）NR DSS 2T：小區(qū)設(shè)置為DSS 模式，其中LTE網(wǎng)絡(luò)為2 端口時(shí)，NR 終端的性能。

（5）NR DSS 4T：小區(qū)設(shè)置為DSS 模式，其中LTE網(wǎng)絡(luò)為4 端口時(shí)，NR 終端的性能。

（6）LTE DSS 2T：小區(qū)設(shè)置為DSS 模式，其中LTE 網(wǎng)絡(luò)為2 端口時(shí)，LTE 終端的性能。

（7）LTE DSS 4T：小區(qū)設(shè)置為DSS 模式，其中LTE 網(wǎng)絡(luò)為4 端口時(shí)，LTE 終端的性能。

由于NR 有更少的系統(tǒng)開銷且系統(tǒng)帶寬多出6RB，因此NR only 的性能無疑是最高的。在開啟DSS 后，引入LTE與NR 兩者的系統(tǒng)開銷，使LTE 峰值性能下降8%左右，而NR 峰值性能損失在LTE 4 端口時(shí)接近30%，LTE 2 端口時(shí)接近25%[6]，因此LTE only ＞LTE DSS，NR only ＞NR DSS。結(jié)合NR only 速率最高的條件可以得到NR only ＞LTE only ＞LTE DSS。至于NR DSS 在上述不等式中的位置取決于NR DSS 的配置，因?yàn)橄啾萀TE only 制式NR DSS 多出了6RB 的可用資源，但是也多了DMRS、TRS、CSI-RS 以及SSB、SIB 等系統(tǒng)開銷，當(dāng)配置較少導(dǎo)頻信號時(shí)NR DSS 的理論性能是可以超過LTE only 的，但是在保證系統(tǒng)魯棒性的配置下，一般在性能上NR only ＞LTE only ＞LTE DSS ＞NR DSS。在無線環(huán)境很好能保證4T增益時(shí)，4T 對速率的影響要強(qiáng)于系統(tǒng)開銷的差異，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 組網(wǎng)環(huán)境下存在嚴(yán)重的鄰區(qū)干擾，這會使無線環(huán)境變得苛刻，影響以上一些通信制式的性能，使排序發(fā)生改變，圖4 所示為領(lǐng)區(qū)干擾原因的示意圖，由于CRS 為常開信號，NR 終端由于沒有CRS 干擾消除機(jī)制，并且LTE 根據(jù)PCI mod3 規(guī)劃，這會使得圖中陰影部分NR時(shí)頻資源解調(diào)受損。鄰區(qū)干擾下，受到影響最大的是NR DSS 4T，其次是NR DSS 2T，雖然這兩種通信制式Rank最大能到4 流，但是在鄰區(qū)干擾下性能大概率會低于2T 的LTE only 2T 與LTE DSS 2T。因此，在組網(wǎng)條件下能確定的關(guān)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與LTE only 2T、LTE DSS 2T 之間的關(guān)系取決于鄰區(qū)干擾與無線環(huán)境好壞，需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以上性能評估主要是基于理論開銷計(jì)算得出[7]。

圖4 DSS模式下鄰區(qū)干擾示意圖

2 多小區(qū)組網(wǎng)定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

外場實(shí)驗(yàn)選擇20 個(gè)基站的連片區(qū)域，實(shí)驗(yàn)區(qū)能一起變更小區(qū)模式形成連片組網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證不同無線環(huán)境與干擾下7 種通信制式的性能排序，我們隨機(jī)選擇兩個(gè)小區(qū)的遠(yuǎn)、中、近點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)測試峰值速率，這樣就相當(dāng)于測試了6 個(gè)無線環(huán)境具備了測試環(huán)境的多樣性。

場景1 的測試結(jié)果見表1，并繪制圖5。如圖5 所示，3 個(gè)測試點(diǎn)中NR only 永遠(yuǎn)都是最高的，4 端口增益并不明顯，只有近點(diǎn)LTE only 模式時(shí)，4T 速率才高于2T，其余全部是2T 高于4T。這是因?yàn)樵跓o線環(huán)境苛刻時(shí)，低Rank 更容易獲得較高的MCS，并且2T 的系統(tǒng)開銷會比4T 少接近5% 的系統(tǒng)開銷，一旦4 端口不能在多流條件獲得較好的信道質(zhì)量那，那么速率就會低于2T。NR DSS 的兩個(gè)模式雖然都是4 流，但是受鄰區(qū)CRS 干擾嚴(yán)重，尤其是NR DSS 4T，因此峰值速率一般都比較低。

表1 場景1 峰值速率測試結(jié)果 Mbit/s

圖5 場景1峰值速率測試結(jié)果

場景2 的測試結(jié)果見表2，并繪制圖6。如圖6 所示，此場景是一個(gè)干擾較少的場景，在近中遠(yuǎn)三個(gè)場景下NR DSS 4T 都很接近NR DSS 2T。在近點(diǎn)，多流增益比較明顯，所以速率比較低的是Rank 最大值只有2 的LTE only 2T 與LTE DSS 2T。值得注意的是，這里測試出LTE DSS 4T 在中點(diǎn)低于NR DSS 4T，可以看出兩者理論上的開銷非常接近，在鄰區(qū)干擾不大的區(qū)域NR DSS 的速率也可能高于LTE DSS。在小區(qū)遠(yuǎn)點(diǎn)，DSS 模式下的4 種通信制式都非常接近LTE only。

表2 場景2峰值速率測試結(jié)果 Mbit/s

圖6 場景2峰值速率測試結(jié)果

3 多小區(qū)組網(wǎng)拉網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

定點(diǎn)測試的數(shù)據(jù)具有一定的局限性，為了能更全面地了解DSS 組網(wǎng)情況，我們在20 個(gè)實(shí)驗(yàn)基站的測試區(qū)域中選擇兩條測試路徑做驅(qū)車?yán)W(wǎng)實(shí)驗(yàn)，用多小區(qū)組網(wǎng)的平均性能來驗(yàn)證7 種通信制式的性能排序。路線1 盡量遍歷實(shí)驗(yàn)站覆蓋區(qū)域每一條路，路線2 走信號優(yōu)良的大路。

路線1 的路測圖如圖7 所示，保持均速30 km/h 測試一圈約54 分鐘。測試結(jié)果如圖8 所示，NR only 組網(wǎng)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先其他模式。4 種DSS 模式的性能很接近LTE only 模式，4 端口的增益非常有限。

圖7 路線1信號強(qiáng)度路測圖

圖8 路線1拉網(wǎng)平均速率

路線2 的路測圖如圖9 所示，保持均速30 km/h 測試一圈約14 分鐘。測試結(jié)果如圖10 所示，由于路線較短且信號較好的大路巨多，各種制式的速率對比路線1 整體提高，4 端口增益有較明顯的效果。Rank 最大為4 的5 種制式性能排序與第1.3 節(jié)中的理論預(yù)測完全一致，NR only＞LTE only 4T ＞LTE DSS 4T ＞NR DSS 2T ＞NR DSS 4T。第1.3 節(jié)中理論不能確定的排序在路線1 與2 的結(jié)果都是LTE only 2T ＞NR DSS 2T ＞LTE DSS 2T ＞NR DSS 4T，但是這4 者中不存在絕對的大小關(guān)系。

圖9 路線2信號強(qiáng)度路測圖

圖10 路線1拉網(wǎng)平均速率

4 結(jié)論

本文通過理論分析、定點(diǎn)測試、拉網(wǎng)測試評估并驗(yàn)證了7 種通信制式的性能。通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)基于開銷的理論分析只有在一些信號很好且干擾較小的無線環(huán)境下才適用。但是以下關(guān)系一定存在：

（1）NR only 組網(wǎng)是性能最好的網(wǎng)絡(luò)；

（2）LTE only（2T,4T）的性能分別大于LTE DSS（2T,4T）；

（3）LTE only 4T ＞LTE DSS 4T ≈NR DSS 2T ＞NR DSS 4T，這四種組網(wǎng)方式都能到最大4 流。LTE DSS 4T 與NR DSS 4T 在開銷上很接近[7]，無線環(huán)境與干擾的影響相比可忽略，但肯定低于LTE only 4T。NR DSS 4T是受到干擾最強(qiáng)的制式，一般是速率最低的制式。

根據(jù)以上對7 種通信制式的性能評估可見，NR only 是運(yùn)營商演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，如果非要用同頻段重疊部署4G 加5G 的DSS 技術(shù)，那么LTE 用2 端口是一個(gè)折中的選擇。

在DSS 模式下，4 端口對LTE 的增益很小，只有在信道條件對多徑效果很好時(shí)才有效果，例如在路線1 的拉網(wǎng)測試中，LTE DSS 2T 的結(jié)果就比4T 更好。但LTE開4 端口對NR DSS 的體驗(yàn)影響非常大，NR DSS 4T 在本文所有的測試中幾乎都是最低的，這樣容易給用戶一個(gè)5G 性能不如4G 的錯(cuò)覺，讓用戶對新技術(shù)失去期待與熱情。用20 M NR+20 M 2Port LTE 的DSS 組網(wǎng)方式保證5G 體驗(yàn)不輸4G 的同時(shí)完成中低價(jià)值區(qū)域5G 連續(xù)覆蓋部署的任務(wù)，等待2.1 GHz 頻段完成業(yè)務(wù)整合后向40 M NR+20 M LTE 的DSS 組網(wǎng)方式過渡，并根據(jù)4G/5G 現(xiàn)網(wǎng)流量的變化逐步向40 M NR only 演進(jìn)。