中頻段5G系統(tǒng)間共存方案研究*

劉琪 付有奇 伉沛川

(中國(guó)信息通信研究院無(wú)線電研究中心，北京 100037)

0 引言

以5G為代表的時(shí)分雙工(Time-Division Duplex，TDD)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)具有易于調(diào)整上下行比例的優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)出現(xiàn)交叉鏈路干擾(Cross-link Interference)[1]。如不同運(yùn)營(yíng)商(主體)在同一區(qū)域鄰頻部署5G網(wǎng)絡(luò)，如果相互之間沒(méi)有同步及上下行時(shí)隙配比協(xié)調(diào)，就會(huì)出現(xiàn)同一時(shí)刻某家運(yùn)營(yíng)商的基站(終端)處于發(fā)射模式，而另一家運(yùn)營(yíng)商的基站(終端)處于接收模式的情況，由于發(fā)射機(jī)的帶外輻射特性以及接收機(jī)鄰道選擇性的限制，可能造成接收機(jī)的底噪抬升甚至被阻塞，從而影響到接收機(jī)對(duì)有用信號(hào)的接收，導(dǎo)致嚴(yán)重互擾。

針對(duì)我國(guó)5G系統(tǒng)頻率許可情況，中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通5G系統(tǒng)在3.5 GHz頻段、中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)廣電5G系統(tǒng)在4.9 GHz頻段均存在鄰頻情況?？紤]到我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)處于建設(shè)初期，運(yùn)營(yíng)商采用共建共享方式部署網(wǎng)絡(luò)，目前承載業(yè)務(wù)以下行為主，所以5G系統(tǒng)尚未出現(xiàn)嚴(yán)重的交叉鏈路干擾。但隨著5G行業(yè)應(yīng)用的日益廣泛，局部區(qū)域以上行為主的業(yè)務(wù)需要調(diào)整系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)[2]，將導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)共存問(wèn)題較為復(fù)雜，需要對(duì)中頻段5G系統(tǒng)的兼容性開(kāi)展研究，制定相應(yīng)技術(shù)方案?？紤]到基站間交叉鏈路干擾最為嚴(yán)重，本文主要針對(duì)同頻段5G基站間干擾開(kāi)展共存研究。

1 5G系統(tǒng)共存方案

鄰頻5G系統(tǒng)共存方案主要有兩類，一類是同步共存方案，即通過(guò)協(xié)商實(shí)現(xiàn)不同5G系統(tǒng)間的同步運(yùn)行，即多個(gè)5G基站在同一時(shí)刻均為發(fā)射或均為接收的狀態(tài)；另一類是非同步共存方案，即通過(guò)設(shè)置保護(hù)帶、增加濾波器、空間隔離等措施減少干擾。兩類方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，滿足不同場(chǎng)景應(yīng)用需求。

1.1 同步共存方案

同步共存方案是目前國(guó)內(nèi)外主流的5G系統(tǒng)共存方案，早在4G時(shí)代我國(guó)就研究制定了相鄰頻帶多家運(yùn)營(yíng)商部署TDD系統(tǒng)的共存實(shí)現(xiàn)方案[3]。由于5G系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)配置較為靈活，同步共存方案有全同步和半同步兩種。

1.1.1 全同步模式

該模式是指5G系統(tǒng)在物理層幀層面相位和時(shí)間的同步，該模式避免了任何基站—基站和終端—終端間的干擾，因此允許鄰頻網(wǎng)絡(luò)的共存，而且無(wú)需保護(hù)帶或增加濾波器。全同步模式簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)部署，不需要額外的干擾緩解措施。典型的全同步模式例子如圖1所示：盡管幀結(jié)構(gòu)略有不同，但收發(fā)不重疊，不會(huì)造成干擾。

圖1 全同步模式示意圖

全同步模式需要選擇兼容性幀結(jié)構(gòu)，主要包括上下行時(shí)隙、幀長(zhǎng)等內(nèi)容，相關(guān)參數(shù)決定了網(wǎng)絡(luò)性能(例如時(shí)延、頻譜效率、吞吐量和覆蓋范圍)。全同步模式還需要有共同的相位時(shí)鐘參考和精度/性能約束，5G系統(tǒng)的時(shí)鐘同步誤差一般要求在(-1.5～1.5 μs)以內(nèi)。

1.1.2 半同步模式

半同步模式是指系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的部分時(shí)隙工作在全同步模式，其余部分時(shí)隙工作在非同步模式。該模式要求5G網(wǎng)絡(luò)采用固定的幀結(jié)構(gòu)，其中部分上下行時(shí)隙不做規(guī)定，所有基站在發(fā)射前實(shí)現(xiàn)幀同步。半同步模式允許不同網(wǎng)絡(luò)對(duì)幀結(jié)構(gòu)的部分時(shí)隙自定義上下行方向，由此帶來(lái)一定靈活性，但在一定程度上會(huì)導(dǎo)致額外的干擾。半同步模式如圖2所示。

圖2 半同步模式示意圖

1.2 非同步共存方案

在非同步模式下，5G網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有同步和兼容幀結(jié)構(gòu)的要求。不同5G網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立選擇最合適的幀結(jié)構(gòu)滿足業(yè)務(wù)需求，但幀結(jié)構(gòu)的靈活選擇會(huì)導(dǎo)致共存干擾較為復(fù)雜。該模式主要通過(guò)增加隔離度減少系統(tǒng)間干擾，例如采用設(shè)置保護(hù)帶、增加濾波器、空間隔離等措施。

2 5G系統(tǒng)共存技術(shù)要求及性能分析

2.1 同步共存方案的技術(shù)要求及性能分析

2.1.1 幀結(jié)構(gòu)是同步共存方案的關(guān)鍵

同步共存方案降低了系統(tǒng)靈活性，運(yùn)營(yíng)商協(xié)調(diào)確定兼容性幀結(jié)構(gòu)，無(wú)須預(yù)留保護(hù)帶就可以實(shí)現(xiàn)鄰頻5G系統(tǒng)的共存。幀結(jié)構(gòu)的選擇決定了5G系統(tǒng)上下行速率、時(shí)延、覆蓋等性能。

根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，5G系統(tǒng)幀時(shí)長(zhǎng)10 ms，包含10個(gè)時(shí)長(zhǎng)1 ms的子幀。每個(gè)幀分2個(gè)半幀，每個(gè)子幀14個(gè)符號(hào)，每個(gè)子幀的時(shí)隙、符號(hào)間隔等參數(shù)由系統(tǒng)參數(shù)集(Numerologies)確定。對(duì)于eMBB應(yīng)用，3GPP建議中頻段5G系統(tǒng)采用30 kHz子載波間隔，通過(guò)設(shè)置子幀中的符號(hào)傳輸方向?qū)崿F(xiàn)上下行配置。常用的4種典型幀結(jié)構(gòu)如下。

結(jié)構(gòu)1∶2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)，每5 ms中包含5個(gè)全下行時(shí)隙，3個(gè)全上行時(shí)隙和2個(gè)特殊時(shí)隙，特殊時(shí)隙根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，常用配置為10∶2∶2比例，幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)2：2.5 ms單周期幀結(jié)構(gòu)，每2.5 ms中包含3個(gè)全下行時(shí)隙，1個(gè)全上行時(shí)隙和1個(gè)特殊時(shí)隙，特殊時(shí)隙根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，常用配置為10∶2∶2比例，幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 2.5 ms單周期幀結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)3：每2 ms中包含2個(gè)全下行時(shí)隙，1個(gè)全上行時(shí)隙和1個(gè)特殊時(shí)隙，特殊時(shí)隙根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，常用配置為10∶2∶2比例，幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)3幀結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)4：每2.5 ms中包含5個(gè)雙向時(shí)隙，其中4個(gè)

下行為主時(shí)隙和1個(gè)上行為主時(shí)隙，常用的上行為主時(shí)隙配比為1∶1∶12，下行為主時(shí)隙配比為12∶1∶1，幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)4幀結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 不同幀結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能分析

(1)傳輸速率分析

基于符號(hào)數(shù)目的4種不同幀結(jié)構(gòu)下的容量和開(kāi)銷對(duì)比如表1所示，根據(jù)3GPP技術(shù)規(guī)范[6]，利用公式(1)對(duì)系統(tǒng)上下行速率進(jìn)行計(jì)算

表1 不同幀結(jié)構(gòu)的容量和開(kāi)銷

(1)

對(duì)于中頻段4T4R的100 MHz帶寬5G系統(tǒng)，采用不同配置下的傳輸速率有明顯差別，適用于不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，采用同步方案需要根據(jù)需求協(xié)調(diào)采用兼容幀結(jié)構(gòu)。

μs=1的參數(shù)集，不同幀結(jié)構(gòu)配置下的5G系統(tǒng)上下行峰值傳輸速率見(jiàn)表2。

表2 5G系統(tǒng)上下行峰值傳輸速率

(2)覆蓋性能分析

幀結(jié)構(gòu)中特殊子幀內(nèi)上下行轉(zhuǎn)換保護(hù)間隔(GP)數(shù)量對(duì)覆蓋有明顯影響，選擇不同GP數(shù)量會(huì)引起傳輸時(shí)延的變化，從而影響基站的最大覆蓋距離。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：

最大覆蓋距離=c·(GP-T[Rx-Tx，UE])/2

(2)

其中，c是光速，T[Rx-Tx，UE]是終端從下行接收到上行發(fā)射的轉(zhuǎn)換時(shí)間，該值與輸出功率的精確度有關(guān)，典型值是10～40 μs，假定取10 μs。對(duì)于中頻段5G系統(tǒng)，采用μ=1的參數(shù)集，特殊子幀中GP數(shù)量有所差異，基站最大覆蓋距離如表3所示。

表3 不同幀結(jié)構(gòu)的5G系統(tǒng)覆蓋性能

結(jié)構(gòu)1～3特殊子幀中GP數(shù)量都為2，單站最大覆蓋距離不超過(guò)8.5 km。

2.1.3 半同步模式干擾分析

半同步模式默認(rèn)幀結(jié)構(gòu)中的固定時(shí)隙不會(huì)產(chǎn)生干擾，靈活時(shí)隙傳輸方向不同會(huì)造成干擾，下行變上行和上行變下行產(chǎn)生的干擾有所不同。從基站間干擾看，下行變上行的5G基站不會(huì)干擾其他網(wǎng)絡(luò)，但會(huì)受到其他網(wǎng)絡(luò)的干擾。大多數(shù)情況下，由于終端通常是移動(dòng)的，間歇性發(fā)射信號(hào)，終端間干擾可以忽略不計(jì)。而上行變下行的5G基站將干擾其他網(wǎng)絡(luò)，但不會(huì)受到其他網(wǎng)絡(luò)干擾。參考?xì)W洲郵電管理委員會(huì)電子通信委員會(huì)(ECC)研究報(bào)告，半同步模式下室外微基站和室內(nèi)小基站可以鄰頻共存，室外宏站不能共存，3GPP正在研究相關(guān)干擾消除算法。半同步模式要求5G系統(tǒng)間時(shí)鐘同步誤差在(-1.5～1.5 μs)以內(nèi)。

2.2 非同步共存方案的技術(shù)要求

非同步共存方案主要是引入各種緩解措施減少系統(tǒng)間干擾，常用的緩解措施包括預(yù)留保護(hù)帶、加裝濾波器、增加空間隔離、區(qū)分室內(nèi)/外部署等。非同步方案的優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景靈活配置網(wǎng)絡(luò)，但會(huì)降低頻譜利用率或增加成本。需要對(duì)不同干擾緩解措施進(jìn)行評(píng)估以滿足干擾忍受的最低標(biāo)準(zhǔn)。目前，常用的干擾忍受準(zhǔn)則有兩種，一種是5G系統(tǒng)性能下降準(zhǔn)則，ECC建議[7]采用受擾系統(tǒng)上行平均速率下降5%作為評(píng)估準(zhǔn)則，但對(duì)于5G的URLLC場(chǎng)景應(yīng)用，評(píng)估準(zhǔn)則會(huì)更加嚴(yán)格；另一類是常用的系統(tǒng)共存準(zhǔn)則，一般采用干擾噪聲比低于-6 dB作為評(píng)估準(zhǔn)則[8]。

2.2.1 預(yù)留保護(hù)帶寬和濾波器措施

參考ECC建議書，對(duì)于中頻段采用非有源天線的5G系統(tǒng)，預(yù)留5 MHz保護(hù)帶并加裝濾波器可以解決非同步帶來(lái)的干擾。由于有源天線的復(fù)雜性，目前還沒(méi)有對(duì)其保護(hù)帶寬和濾波器的技術(shù)研究。考慮到有源天線系統(tǒng)濾波器較為復(fù)雜，預(yù)留保護(hù)帶寬會(huì)導(dǎo)致頻譜效率下降，所以該措施在實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想。ECC報(bào)告提出基于現(xiàn)有濾波器技術(shù)，需要預(yù)留20 MHz帶寬才能確保有效緩解有源天線5G系統(tǒng)的交叉鏈路干擾。

2.2.2 空間隔離措施

根據(jù)干擾忍受的兩類準(zhǔn)則，通過(guò)仿真或理論計(jì)算可以確定非同步網(wǎng)絡(luò)的隔離距離。根據(jù)ECC研究報(bào)告[9]，3400～3800 MHz頻段非同步模式在不預(yù)留保護(hù)帶的情況下，5G宏蜂窩的同頻最小間隔距離為60 km，鄰頻最小間隔距離為14 km。區(qū)分室內(nèi)/外部署可以增加隔離度，非同步模式下鄰頻的室外宏站和優(yōu)化部署(如安裝在天花板或遠(yuǎn)離窗口)的室內(nèi)小基站可以共存。

2.2.3 利用多種措施確保邊界區(qū)域信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)低于限值

根據(jù)干擾忍受準(zhǔn)則，基于傳播模型，計(jì)算邊界區(qū)域地面3 m處的干擾信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)限值。5G網(wǎng)絡(luò)必須采用降低發(fā)射功率、調(diào)整天線方向、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署等措施確保邊界區(qū)域信號(hào)低于干擾限值?？紤]到有源天線方向圖的復(fù)雜性，利用傳播模型計(jì)算邊界區(qū)域干擾場(chǎng)強(qiáng)限值較為復(fù)雜。德國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定了3700～3800 MHz頻段不同5G網(wǎng)絡(luò)邊界區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)限制[10]，要求邊界區(qū)域地面3 m及以上高度的場(chǎng)強(qiáng)限值為-32 dBμV/m/5 MHz。

3 中頻段5G系統(tǒng)共存技術(shù)方案建議

綜合分析兩類共存方案特點(diǎn)，考慮到非同步方案有預(yù)留保護(hù)帶寬、加裝濾波器以及空間隔離距離等限制條件，將導(dǎo)致5G系統(tǒng)頻譜效率降低、使用范圍有所限制、建網(wǎng)成本增加，目前國(guó)外優(yōu)先選擇同步共存方案實(shí)現(xiàn)鄰頻5G系統(tǒng)共存。對(duì)于我國(guó)中頻段5G系統(tǒng)共存有以下建議。

一是鄰頻5G系統(tǒng)優(yōu)先采用全同步共存方案。在綜合考慮頻譜效率、上下行速率和覆蓋等因素基礎(chǔ)上，建議運(yùn)營(yíng)商協(xié)調(diào)選取兼容的幀結(jié)構(gòu)。盡管幀結(jié)構(gòu)限制會(huì)降低5G系統(tǒng)靈活性并帶來(lái)部分頻譜效率的降低，但該方案簡(jiǎn)便易行，是優(yōu)先推薦的共存方案。

二是在運(yùn)營(yíng)商無(wú)法達(dá)成全同步共存協(xié)議或鄰頻兩個(gè)5G系統(tǒng)上下行比差異較大情況下，可以采用半同步共存方案和非同步共存方案，但系統(tǒng)間會(huì)產(chǎn)生交叉鏈路干擾，半同步共存方案干擾小于非同步共存方案。運(yùn)營(yíng)商仍需達(dá)成協(xié)調(diào)協(xié)議，明確邊界場(chǎng)強(qiáng)限值，綜合利用預(yù)留保護(hù)帶、增加空間隔離、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署等多種干擾緩解措施確保5G網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

三是由監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定5G網(wǎng)絡(luò)的共存協(xié)議框架，指導(dǎo)相關(guān)運(yùn)營(yíng)商達(dá)成鄰頻5G系統(tǒng)共存方案。對(duì)于全同步方案明確相關(guān)技術(shù)參數(shù)(包括參考時(shí)鐘、參考幀結(jié)構(gòu)、同步技術(shù))、部署區(qū)域；對(duì)于半同步方案還需要明確靈活子幀中下行時(shí)隙變?yōu)樯闲袝r(shí)隙的位置；對(duì)于非同步方案需要明確使用區(qū)域、隔離度要求、邊界場(chǎng)強(qiáng)限值等指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)同頻段5G系統(tǒng)共存問(wèn)題，本文分析了兩類技術(shù)方案，綜合考慮多個(gè)因素，全同步共存是較優(yōu)的解決方案，半同步方案和非同步方案會(huì)造成一定干擾，需要引入干擾緩解措施。隨著5G行業(yè)應(yīng)用日益廣泛，鄰頻5G共存問(wèn)題將日漸突出，監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定共存框架有利于指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)商達(dá)成協(xié)議，實(shí)現(xiàn)頻率資源的高效使用。