4G和5G頻譜共享技術*

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

隨著5G 部署的深入，存量4G 頻段開始向5G 重耕[1]。4G 頻段已經(jīng)承載了部分4G 用戶，如果5G 初期將某一4G 頻段完全重耕為5G，則會帶來一些問題。首先會減少4G 容量，給4G 用戶體驗造成影響，此外5G 初期用戶少，將該4G 頻段全部重耕為5G 后，頻段利用率較低。

如果采用4G 和5G 頻譜共享技術進行重耕，可以打破頻譜之間的界限，實現(xiàn)RB 級頻譜共享，提升頻譜效率，利于4G 和5G 之間平滑演進。3GPP R15 為5G 標準首版本，R15 開始引入LTE/NR 共存，解決LTE/NR 頻譜共享時存在的信道/ 信號沖突問題，定義了關鍵的協(xié)議要求，第一個版本于18 年6 月份凍結(jié)，R16 于2018 年6 月啟動，對動態(tài)頻譜共享的部分功能進行了增強。標準中動態(tài)頻譜共享是基站和終端多種feature 的合集。本文在分析動態(tài)頻譜共享的原理基礎上，提供理論分析和實驗室測試研究各個功能特性對于終端性能的影響，動態(tài)頻譜共享對下行影響較大，對上行影響較小，解決同一種信道沖突不同功能的選擇會對性能帶來差異，同時頻譜方案和基站通道數(shù)同樣會帶來性能差異，從而提出有效的落地實施方案，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)的情況給出了優(yōu)化方法。

1 頻譜共享原理

頻譜共享存在兩種方式，分別為載波級頻譜共享和TTI 級動態(tài)頻譜共享（DSS）。載波級頻譜共享為4G 和5G 在同一時刻無重疊的頻譜，在一定的周期內(nèi)頻譜配置相同。TTI 級動態(tài)頻譜共享是同一時刻4G 和5G 有頻譜重疊區(qū)，分為頻譜重疊和頻譜包含兩種情況，頻譜配置情況可TTI 級改變，頻譜利用更加靈活。

1.1 載波級共享

載波級共享是通過一定時間內(nèi)調(diào)整4G 和5G 的帶寬來達到頻譜共享。以100 MHz 帶寬，100 MHz 5G 配置3 個4G 載波為例進行說明。對于5G 側(cè)可以通過BWP機制自適應調(diào)整可用帶寬（40 MHz 或60 MHz 等），對于4G 載波可以開閉4G 載波實現(xiàn)頻譜配置，當載波打開時對應頻譜被4G 專用，當載波關閉時，載波對應頻譜被5G 專用。如圖1 所示、圖2 所示：

圖1 4G載波全部打開的頻譜配置

圖2 關閉一個4G載波的頻譜配置

通過統(tǒng)計4G 和5G 的負載信息，當4G 資源需求大的時候，開啟3 個載波，5G 給終端配置除4G 外的專用40 MHz 的BWP。如果發(fā)現(xiàn)4G 資源利用率降低，可以關閉一個4G 載波，將頻譜資源留給5G，此時5G 給終端配置除4G 外的專用60 MHz 的BWP，如果發(fā)現(xiàn)業(yè)務量發(fā)生變化，可繼續(xù)進行開閉4G 載波，以達到頻譜的動態(tài)利用的效果，合理分配頻譜資源。

該方式可采用X2，F(xiàn)1接口實現(xiàn)4G 和5G 間調(diào)度信息的交互，不需要終端功能的支持即可實現(xiàn)。

1.2 TTI級DSS

通過物理層協(xié)議避開4G 和5G PRB 級干擾，實現(xiàn)TTI 級的動態(tài)調(diào)度PRB 資源。下面將介紹在下行和上行中信道沖突的解決方法[2]。

（1）下行

圖3 為5G 的典型信道配置：

圖3 5G的典型信道配置

其中：

1）PDSCH：物理下行共享信道，用于業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸；

2）PDCCH：下行控制信道，承載控制信息，時域最大三個符號；

3）DMRS：解調(diào)參考信號，用于下行解調(diào)，與業(yè)務頻譜重疊；

4）SSB：主同步信號、輔同步信號、PBCH 共同構(gòu)成一個SSB。SSB 在時域上共占用4 個OFDM 符號，頻域共占用240 個子載波（20 個PRB）。

圖4 為4G 典型信道配置：

圖4 4G典型下行信道配置

其中：

1）PBCH：廣播信道，承載的是小區(qū)ID 等系統(tǒng)信息，用于小區(qū)搜索過程。

2）PDSCH：物理下行信道，承載的是下行用戶的業(yè)務數(shù)據(jù)。

3）PDCCH：下行控制信道，傳送用戶數(shù)據(jù)的資源分配的控制信息。

4）PCFICH：物理控制格式指示信道，指明了控制信息所在的位置。PCFICH 是4G 的OFDM 特性強相關的信道，承載的是控制信道在OFDM 符號中的位置信息。

5）PHICH：物理HARQ 指示信道，承載的是混合自動重傳（HARQ）的確認/非確定（ACK/NACK）信息。

6）CRS：最基本的下行參考信號，用于信道估計或者解調(diào)。

7）CSI-RS：用于信道估計，引進CSI-RS，只針對CSI，更加靈活，使用更少的時頻資源和頭開銷。

當4G 和5G 需要進行PRB 級的頻譜共享時，會產(chǎn)生信道沖突，主要是4G 與5G PDCCH 的沖突、4G 與5G SSB 的沖突、4G 與5G PDSCH 的沖突、4G 對5G CSIRS 的沖突、5G 對4G PSS/SSS/PBCH 的沖突。基站和終端需要應用DSS 功能進行信道沖突解決，在2.1 節(jié)詳述。

（2）上行

上行5G 典型上行信道如圖5 所示：

圖5 5G典型上行信道

其中：

1）PUCCH：上行控制信道，除公共PUCCH 以外，其余的PUCCH 可不必在兩邊部署；

2）PRACH：隨機接入信道，最短周期10 ms，頻域占用6 個RB；

3）SRS：探測參考信號，用于估計上行信道，可頻分、碼分、時分，5G 的SRS 不局限于配置在最后一個符號；

4）DMRS：解調(diào)參考信號，伴隨著PUCCH 和PUSCH 的傳輸。

4G 典型上行信道如圖6 所示：

圖6 4G典型上行信道

4G 與5G 的PRACH、PUCCH、PUSCH、全部采用頻分方式部署，4G 與5G 的SRS 采用時分方式避讓，5G的終端需要支持上行7.5 kHz 偏移。

2 TTI級DSS性能分析

2.1 功能影響

圖7 中紅色框線給出了4G 和5G 各種下行信道之間的沖突，虛線里為DSS 相關的功能，相同顏色的線代表對應的信道沖突和使用DSS 功能的解決方案，下面列出了會帶來的下行性能影響。

2.2 功能選擇建議

（1）5G SSB 與4G CRS 的信道沖突功能特性選擇

在5G SSB 與4G CRS 的信道沖突中，有以下三種解決方案，兩種是4G 側(cè)實施，分別是4G MBSFN 子幀方案和4G CRS 打孔方案，一種是5G 側(cè)實施，即5G SSB打孔方案。

1）方案一：4G MBSFN 子幀

在5G 發(fā)送SSB 的子幀4G 采用MBSFN 子幀，4G 可以不發(fā)送CRS，只需要1～2 個符號發(fā)送PCFICH、PHICH和PDCCH。按照目前DSS 的配置，SSB 周期20 ms，再考慮msg2msg4 接入預留，在20 ms 內(nèi)至少需要配置3個MBSFN 子幀。

MBSFN 子幀不能調(diào)度4G 的msg2msg4，可能導致4G 的接入時延變大（2～4 ms）。其次考慮現(xiàn)網(wǎng)TM9 終端滲透率較低，MBSFN 子幀基本只能調(diào)度5G，4G 固定容量損失至少15%。M 子幀不是很靈活，一旦配置，則某個子幀將一直都是MBSFN 子幀，不可靈活更改屬性。該方案對5G 下行業(yè)務無影響。

2）方案二：4G CRS 打孔

圖7 4G和5G各種信道沖突的解決方法和影響

4G 基站在SSB 位置主動打孔4G 的CRS，不發(fā)送CRS。4G 打孔CRS 對4G 下行有影響，帶來的額外的容量損失。相比于差點終端，對處于好點的4G 終端產(chǎn)生的容量影響更大，打孔的RB 數(shù)越多，對容量的影響越大，對5G 下行業(yè)務無影響。

3）方案三：5G SSB 打孔

5G 基站在4G 的CRS 的位置主動打孔。4G 2Port 下，符號4/7/11 的部分頻段打孔，5G 的PSS 和SSS 均不受到4G CRS 的干擾，PBCH 會受到干擾。4G 4Port 下，會對符號4/7/8/11 部分頻段打孔，5G 的PSS 和PBCH 受到4G CRS 的干擾，SSS 不受4G CRS 的干擾，對4G 下行業(yè)務無影響。

為了得出兩種打孔方案的定量影響，對4G CRS 打孔和5G SSB 打孔進行性能的測試驗證，以中國聯(lián)通頻段做測試，表1 是測試配置：

表1 測試配置表

在4G 和5G 共享的條件下分別做LTE CRS 打孔和NR CRS 打孔操作，對性能影響進行定量的分析。因為都是對下行產(chǎn)生影響，對上行無影響，因此做的只是下行數(shù)據(jù)業(yè)務，測試結(jié)果如表2 所示：

表2 測試結(jié)果

測試中選取的是LTE 和NR 的好點，對于LTE 系統(tǒng)而言，使用LTE CRS 打孔比不打孔的時候速率下降2 Mbit/s，容量損失1%；對NR 系統(tǒng)而言，NR CRS 打孔比不打孔的時候速率下降1 Mbit/s，容量損失0.6%。整體來說性能影響較小。

綜合考慮各方案的影響，現(xiàn)網(wǎng)4G TM9 終端占比較低，對于TM9 以下終端MBSFN 子幀方式容量損失較大，同時配置M 子幀不是很靈活。4G 打孔方式會帶來現(xiàn)網(wǎng)終端影響，對好點用戶影響更大，5G SSB 打孔對5G 終端產(chǎn)生影響，可根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)用戶和5G 用戶保障的優(yōu)先級選擇5G SSB 打孔或4G CRS 打孔的方案。

（2）4G CRS 與5G PDSCH 信道沖突功能特性選擇

在4G CRS 與5G PDSCH 信道的干擾中，最佳解決方案是采用RE 級速率匹配，在4G CRS 位置，5G 主動繞開這些位置不發(fā)送PDSCH 數(shù)據(jù)，避免干擾。如果終端不支持該功能，可以采用RB 符號級速率匹配，5G 在對應的RB 符號不發(fā)送數(shù)據(jù)，相對于RE 符號級速率匹配，5G 的開銷增加。如果終端仍不支持RB 符號級速率匹配，可以采用ZP CSI-RS 的方式，5G 在4G CRS 的位置配置ZP CSI-RS，則5G 終端不會再解對應位置的數(shù)據(jù)。5G 終端默認支持5G ZP-CSI-RS，但是需要多組CSI-RS 以匹配4G-CRS RE，開銷高，需要手動設計和預配置，不靈活。

2.3 性能分析

為了相互避讓控制信道和參考信號，在沒有任何4G終端接入時，5G 終端在共享譜內(nèi)會大幅的性能損失。在沒有任何5G 終端接入時，4G 終端在共享譜內(nèi)會有少量的性能損失。本小節(jié)對于容量的性能損失進行測算，以中國聯(lián)通的4G 2.1 G 重耕為例，2.1 GHz 帶寬為20 MHz，隨著與電信的共建共享2.1 GHz 帶寬拓展為40 MHz，針對于中國聯(lián)通，不同的情況下會存在以下兩種帶寬組合，20 MHz 4G+20 MHz 5G 是在5G 載波不共享的情況使用，20 MHz 4G+40 MHz 5G 是在5G 載波共享的情況使用，對每種帶寬組合的損失情況進行了測算，見表3。

頻譜重疊時，20 MHz 4G+20 MHz 5G，4G 2Port 和4Port 的容量損失如表3 所示，以時域20 ms、頻域20 MHz帶寬來測算：

表3 20 MHz 4G+20 MHz 5G時DSS帶來的容量損失

頻譜包含時，由于4G 下行無需避讓5G，5G 的RMSI 和SSB 承載在5G 的獨享譜內(nèi)，4G 損失開銷可以降為0。以時域20 ms，頻域20 MHz 帶寬來測算，20 MHz 4G+40 MHz 5G 的結(jié)果如表4 所示：

表4 20 MHz 4G+40 MHz 5G時DSS帶來的容量損失

3 頻譜共享實施方案

3.1 頻譜共享方案選擇

載波級頻譜共享可以通過X2進行4G 和5G 之間的調(diào)度信息交互，解除了4G 和5G 需同框部署的限制，部署起來方式更加靈活，同時對終feature 沒有要求；但該方式是通過開閉4G 載波實現(xiàn)帶寬的調(diào)整，頻譜分配不夠靈活，并且需要考慮載波關閉后的用戶遷移問題。

TTI 級DSS 調(diào)度需要4G 和5G 同框部署，并通過私有協(xié)議進行4G 和5G 之間的調(diào)度信息交互，才能保證時延滿足TTI 級調(diào)度，同時對終端feature 有要求。

40 MHz 5G+20 MHz 4G 和20 MHz 5G+20 MHz 4G情況，如果采用載波級頻譜共享，由于切分出來的4G 小于20 MHz，還需要現(xiàn)網(wǎng)改造，改變鄰區(qū)配置，建議采用TTI 級DSS 的方式實現(xiàn)。

3.2 頻譜共享硬件配置

5G 與4G 的頻譜共享最有可能采用的跨板、跨框等方式，載波級共享與TTI 級DSS 的配置要求不同。

載波級共享4G 與5G 的基帶板可以同廠家或異廠家。對于同廠家的情況，5G 與4G 可部署在同一個BBU 機框的兩個槽位，也可以4G 和5G 部署于兩個不同機框，可采用內(nèi)部私有協(xié)議交互。對于異廠家的情況，5G 與4G基帶板部署在不同機框，采用公共協(xié)議交互調(diào)度信息。

TTI 級DSS 要求4G 和5G 基帶板同廠家，并部署在同一機框，采用私有協(xié)議交互，才能保證交互時延小于1 ms。

3.3 TTI級DSS通道配置

5G 配置2 port 和4 port 對4G 容量影響較小。4G 基站配置4port 的CRS，4G 本身CRS 開銷增大，DSS 下5G 需要避讓的CRS 增多，導致5G 損失更大。

5G 建議配置4 端口，4R 終端下行最大可以到4 流（基站CRS 4port），流量相比2 端口時增加100%。如現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)4R 終端占比較少，建議4G 配置2port；否則可以配置4port。

3.4 TTI級DSS頻譜配置

通過對比20 MHz 4G+20 MHz 5G、20 MHz 4G+40 MHz 5G 兩種配置的4G 和5G 的容量損失，20 MHz 4G+20 MHz 5G 和4G 的性能損失最大，20 MHz 4G+40 MHz 5G 中4G和5G 的性能損失最小。

建議在頻段允許條件下實施大帶寬40 MHz 的動態(tài)頻譜共享，優(yōu)先40 MHz 5G+20 MHz 4G 的頻譜配置方式。

3.5 TTI級DSS功能建議

在實現(xiàn)全動態(tài)頻譜共享下，為現(xiàn)網(wǎng)4G 用戶性能不受影響，同時減小對5G 的性能的影響，建議基站必須支持以下feature：

（1）5G 支持針對4G C_RS 的速率匹配；

（2）5G 支持正常的速率匹配（RB,符號）；

（3）4G 和5G 支持ZP CSI_RS；

（4）5G 專用業(yè)務PDSCH 支持TypeB；

（5）5G 支持addtional DMRS 與4G CRS 的沖突解決；

（6）4G 支持MBSFN 子幀；

（7）5G 支持SSB 打孔；

（8）4G 支持CRS 打孔。

對于終端，需要支持以下功能：

（1）支持針對4G C_RS 的速率匹配；

（2）支持正常的速率匹配（RB，符號）；

（3）UE 專用業(yè)務PDSCH 支持TypeB；

（4）支持addtional DMRS 與4G CRS 的沖突解決。

4 全動態(tài)頻譜共享案例

在2.1 GHz 的20 MHz 帶寬上，傳統(tǒng)的重耕方案是10 MHz 用于5G，10 MHz 用于4G，如果使用全動態(tài)頻譜共享，則5G 和4G 的RB 資源可動態(tài)共享，避免了靜態(tài)配置，RB 資源未充分利用的情況。目前實施方案中多選擇20 MHz LTE/NR 4T 的實現(xiàn)方式，本文對不同通道數(shù)的DSS 增益進行了實驗室測試，網(wǎng)絡架構(gòu)5G 為NSA，可見基站采用4T 大幅相對于2T 時增益減少，因此在實施中建議采用2T 的配置。如果2.1 GHz 帶寬可進一步拓展，建議采用該頻譜包含的方式實現(xiàn)動態(tài)頻譜共享，可以進一步提高NR 的增益。

使用DSS 前后的增益如表5 所示：

表5 使用DSS前后的增益

5 結(jié)論

本文分析了頻譜共享技術原理，基于理論測算和實驗室測試得出了其技術特性對終端性能定性和定量的影響。動態(tài)頻譜共享對下行影響較大，其中對LTE 的影響較小，對NR 的影響較大，同時基站采用2 端口比采用4端口NR 性能更優(yōu)，采用頻譜包含的方案可進一步降低LTE 容量損失，因此基于功能和配置性能的分析，從實施角度提出了硬件配置方案、通道配置方案、頻譜配置方案，并提出了基站和終端的功能建議，用以改善現(xiàn)網(wǎng)性能。