4G/5G上行動態(tài)頻譜共享算法驗證與測試*

竇中兆，馮穗力

（華南理工大學電子與信息學院，廣東 廣州 510640）

0 引言

隨著近年來各種無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，以及用戶對無線接入速率的需求日益提高，無線頻譜資源的短缺問題日益突出?，F(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡多種技術(shù)共存，舊的制式尚未完全退出歷史舞臺，新的5G時代業(yè)已到來。據(jù)國際電聯(lián)的預測，5G的頻譜需求超過10 GHz，將帶來巨大的頻率缺口。傳統(tǒng)的固定頻譜分配管理方式導致了頻譜占用率嚴重不均衡，某些熱點頻率處于超負荷使用狀態(tài)，而大部分頻率卻未能獲得充分利用。因此，從有效利用頻譜的角度出發(fā)，基于動態(tài)頻譜共享的分配機制成為提高頻譜利用率和解決無線頻譜瓶頸問題的關(guān)鍵。

5G網(wǎng)絡在中頻C波段的上下行覆蓋不平衡，上行覆蓋能力受限，根據(jù)文獻[1-2]，以3.5 GHz頻段為例，上下行覆蓋存在8～10 dB的差異。為了彌補5G上行覆蓋不足的問題，3GPP R15版本提出補充上行（Supplemental Uplink，SUL）技術(shù)[3]。在5G技術(shù)支持上下行解耦的情況下，根據(jù)補充上行和動態(tài)頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）技術(shù)，下行可以采用中頻頻段（例如3.3 GHz—3.5 GHz），而上行在近點采用C波段的中頻頻段，遠點可以采用低頻頻段（例如700 MHz、900 MHz、1.8 GHz、2.1 GHz等），利用低頻段的較低傳播損耗特性，解決上行覆蓋不足問題，如圖1所示。

圖1 5G上行增強技術(shù)（SUL+DSS）

在5G演進初期，補充上行對應的低頻頻率仍然被2G/3G/4G現(xiàn)有系統(tǒng)占用，為保護存量站點投資和確保網(wǎng)絡平滑演進，5G網(wǎng)絡在初期快速部署時需充分考慮與現(xiàn)有系統(tǒng)的上行頻譜共享。2020年4月間，利用國外某運營商組建的試驗網(wǎng)絡，驗證和分析了4G/5G上行動態(tài)頻譜共享最新測試成果。

1 試驗網(wǎng)環(huán)境及網(wǎng)絡參數(shù)描述

國外某運營商頻率包括3.3 GHz—3.5 GHz頻段140 MHz用于5G，2 100 MHz頻段2×15 MHz用于FDD-LTE。為驗證5G與LTE的上行補充與頻譜動態(tài)共享的效果，組建試驗網(wǎng)開展相關(guān)參數(shù)設置研究。

試驗網(wǎng)選取市區(qū)典型場景約4 km2的區(qū)域為測試區(qū)域，其中包括16個基站，基站的分布如圖2的a）所示。全部基站按照4G和5G物理共站配置，試驗網(wǎng)站點參數(shù)配置如表1所示，試驗站點平均站間距420 m，平均高度43 m，4G采用16端口多頻多極化天線（三頻：700 MHz、2.1 GHz和2.6 GHz），5G采用64T64R有源天線（Active Antenna Unit，AAU）。根據(jù)5G鏈路預算，5G在3.3 GHz～3.5 GHz的上行站間距為220 m左右，下行站間距為430 m左右，上行覆蓋受限區(qū)域在220 m-430 m之間。為了驗證遠點區(qū)域的SUL和DSS效果，每個基站在遠點區(qū)域固定選取3或4個測試點，每個測試點距離基站在250 m-400 m之間，如圖2的b）所示，紅色點為測試點位置，共選取60個固定測試點。

圖2 測試區(qū)域基站及測試點分布

表1 試驗網(wǎng)站點參數(shù)配置

4G/5G試驗網(wǎng)與動態(tài)頻譜共享有關(guān)的主要測試目標如下：

1）測試4G/5G上行動態(tài)頻譜共享算法對于5G上行速率的提升效果；

2）4G/5G上行動態(tài)頻譜共享特性開啟后，對4G現(xiàn)有網(wǎng)絡性能指標KPI的影響程度；

3）4G/5G上行動態(tài)頻譜共享特性開啟后，對網(wǎng)絡上行IoT（Interference over Thermal，干擾噪聲）的上升影響程度。

現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務特點如圖3所示，不同的移動寬帶業(yè)務上下行數(shù)據(jù)業(yè)務不均衡。統(tǒng)計該運營商一個月為周期的4G網(wǎng)絡上下行負荷表明，上行負荷在5%～30%之間，上行頻譜的利用率偏低，為上行頻譜共享提供了可能的空閑頻譜資源。

圖3 現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務特點

上行頻譜動態(tài)分配方案如圖4所示，在測試區(qū)域的16個站點全部開啟上行動態(tài)頻譜共享功能，將4G的上行15 MHz設置為4G與5G的動態(tài)頻譜共享頻率，4G與5G采用基于業(yè)務比例公平的策略調(diào)度PRB資源[2]。

圖4 4G/5G上行頻譜動態(tài)分配方案

4G和5G在通過頻分方式實現(xiàn)共用載波資源時，分為5G（NR）獨享的固定預留PRB資源和4G/5G（LNR）共享的PRB資源兩個部分，如圖5所示，其中5G的PUCCH為固定預留PRB資源。共享的PRB資源部分，基于LTE和NR的業(yè)務量通過基于業(yè)務的比例公平調(diào)度的方式，在時域維度進行頻譜資源的動態(tài)共享，例如PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行控制信道）、PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機接入信道）、PUSCH（Physical Uplink Shared Channel，物理上行共享信道），均基于業(yè)務需求動態(tài)共享頻譜資源。非PRACH子幀上的PRACH資源可以給相應制式的PUSCH動態(tài)使用。圖5中帶內(nèi)/帶外指LTE有效帶寬內(nèi)/外，例如20 MHz對應有效帶寬為18 MHz，其余2 MHz為帶外。

圖5 4G/5G共享PRB資源分配原則

為保證LTE側(cè)和NR側(cè)的基本業(yè)務，要求如下：

1）LTE PUCCH占用PRB數(shù)≥4，LTE PRACH占用RB數(shù)固定為6。即LTE至少占用的PRB數(shù)為10個。

2）NR PUCCH占用PRB數(shù)=4（15 MHz帶寬中PUCCH占用的帶內(nèi)PRB數(shù)要求），NR PRACH占用的PRB數(shù)固定為6。即：NR在15 MHz帶寬時，至少占用的帶內(nèi)RB數(shù)為10個。

3）剩余的PRB資源供LTE和NR的PUSCH根據(jù)業(yè)務需求按照比例公平調(diào)度策略動態(tài)使用。

其中：總PRB個數(shù)表示帶內(nèi)PRB個數(shù)，如：15 MHz帶寬下總PRB數(shù)為75。根據(jù)上述情況，實際上行頻譜分配NR比例與配置的上行頻譜分配NR比例的對應關(guān)系如表2所示，初始化LTE和NR頻譜資源時按配置的上行頻譜分配NR比例進行分配。當配置給NR的PRB數(shù)＜10時，NR實際分配到的PRB數(shù)為10個；當配置給NR的PRB數(shù)介于10～65時，NR實際分配到的PRB數(shù)與配置值相同；當配置給NR的PRB數(shù)＞65時，由于LTE至少占用10個PRB，因此NR實際分配到的PRB數(shù)為65個。

表2 實際上行頻譜分配NR比例與配置的上行頻譜分配NR比例對應關(guān)系

2 上行動態(tài)頻譜共享技術(shù)測試與分析

2.1 SUL和DSS技術(shù)的近點與遠點場強分割點測試

在測試區(qū)域開啟上行動態(tài)頻譜共享（SUL+DSS）功能后，即4G和5G動態(tài)共享FDD LTE 2.1 GHz頻段的上行15 MHz頻率，選取60個固定位置進行點測，記錄相應場強數(shù)據(jù)及5G上行數(shù)據(jù)速率（標記為SUL上行速率）；關(guān)閉上行動態(tài)頻譜共享（SUL+DSS）功能，5G采用3.3 GHz頻段的100 MHz作為TDD頻率，按照7:3的上下行時隙配比，選取相同的60個固定位置進行點測，記錄相應場強數(shù)據(jù)及5G上行數(shù)據(jù)速率。4G/5G上行動態(tài)頻譜共享開啟前后，實測的上行性能對比如圖6所示。圖6中，SUL上行速率，表示在開啟動態(tài)頻譜共享情況下，4G/5G動態(tài)共享2.1 GHz上行15 MHz頻譜時的上行速率；5G TDD上行速率，表示在關(guān)閉動態(tài)頻譜共享情況下，5G使用3.3 GHz頻段的100 MHz頻譜（上下行時隙配比7:3）時的上行速率。

如圖6所示，測試點場強取值在[-121 dBm,-75 dBm]之間，可得出以下結(jié)論：

圖6 4G/5G上行動態(tài)頻譜共享開啟前后上行性能對比

1）當RSRP為-108 dBm時，開啟動態(tài)頻譜共享的SUL上行速率與關(guān)閉動態(tài)頻譜共享的5G TDD上行速率相比出現(xiàn)臨界點，當RSRP＞-108 dBm時，SUL上行速率將低于5G TDD上行速率。

2）RSRP越小，動態(tài)頻譜支持的SUL相對5G TDD的上行速率增益越大，最遠點上行速率從0.45 Mbps提升到3.21 Mbps；遠點弱覆蓋區(qū)域的上行速率性能提高比例在200%～700%之間。

3）將用戶的上行速率目標值設定為5 Mbps，則上行覆蓋能力由5G TDD模式的-112 dBm（對應5 Mbps上行速率目標值），提升到SUL頻譜共享模式下的-118 dBm（對應5 Mbps的上行速率目標值），SUL提升約7 dB的上行覆蓋能力。

試驗表明SUL采用上下行解耦后，遠點弱覆蓋區(qū)域利用LTE的共享頻段，改善了上行覆蓋能力7 dB，同時大大改善了遠點弱覆蓋區(qū)域的上行速率性能（200%～700%）。

2.2 三種不同策略下遠點弱覆蓋區(qū)的上行頻率增益對比測試

對比驗證三種不同頻譜使用策略情況下遠點弱覆蓋區(qū)的上行頻率增益：

1）關(guān)閉SUL及頻譜共享，即2.1 GHz的15 MHz上行頻譜只供LTE網(wǎng)絡使用，不開啟4G/5G頻譜共享；

2）開啟SUL+靜態(tài)頻譜共享，即2.1 GHz的10 MHz上行頻譜固定分配給5G使用，剩余5 MHz上行頻譜固定分配給LTE使用；

3）開啟SUL+動態(tài)頻譜共享，即4G和5G動態(tài)共享FDD LTE 2.1 GHz頻段的上行15 MHz頻率。

為驗證SUL及動態(tài)頻譜共享對于上行速率的改善情況，選取遠點弱覆蓋區(qū)域（低于-108 dBm）45個測試點進行定點測試。動態(tài)頻譜共享開啟前后的5G上行速率測試結(jié)果如圖7所示。采用SUL和動態(tài)頻率共享的上行數(shù)據(jù)速率最高，用戶上行平均數(shù)據(jù)速率為6.05 Mbps，開啟SUL和靜態(tài)頻率共享后上行平均數(shù)據(jù)速率為5.15 Mbps，關(guān)閉SUL和頻率共享的上行平均數(shù)據(jù)速率為2.44 Mbps。開啟SUL和動態(tài)頻率共享，可最大獲得平均2.43倍的上行速率增益。

圖7 動態(tài)頻譜共享開啟前后5G上行速率對比

2.3 開啟SUL和DSS功能后對現(xiàn)有4G網(wǎng)絡KPI的影響分析

鑒于該國外運營商的LTE網(wǎng)絡已經(jīng)存在試商用用戶，2020年4月間，取測試基站的一周每天特定時段的現(xiàn)網(wǎng)上行PRB負荷進行平均作為基準對比數(shù)據(jù)；考慮到該運營商5G尚未商用，對5G網(wǎng)絡進行大量點測獲取連續(xù)七天的數(shù)據(jù)確實存在實施難度，所以在測試SUL和頻譜共享開啟場景的數(shù)據(jù)時，只取測試當天凌晨0:00到7:00的測試數(shù)據(jù)。頻譜共享開啟前后上行PRB負荷的變化曲線如圖8所示。由圖8可知，開啟頻譜共享后，上行PRB利用率大大提高，平均上行PRB負荷在關(guān)閉頻譜共享情況下為10.35%，通過靜態(tài)頻譜共享，提升上行PRB利用率到22.88%，通過動態(tài)頻譜共享進一步提升上行PRB利用率到33.68%。圖中綠色斜線陰影面積部分，對應在靜態(tài)頻譜共享基礎上，通過動態(tài)頻譜共享帶來的PRB利用率增益。

圖8 動態(tài)頻譜共享開啟前后上行PRB負荷變化對比

通過對網(wǎng)絡后臺話務統(tǒng)計數(shù)據(jù)的監(jiān)測，動態(tài)頻譜共享開啟前后對4G網(wǎng)絡上行干擾電平IoT的影響如圖9所示，動態(tài)頻譜共享開啟后，SUL對應的小區(qū)的忙時上行IoT抬升4～8 dB。

圖9 動態(tài)頻譜共享開啟前后對網(wǎng)絡上行IoT的影響

對比動態(tài)頻譜共享開啟和關(guān)閉前后測試4G基站的KPI性能，如表3所示，動態(tài)頻譜共享開啟后上行PRB利用率提升明顯，符合預期。動態(tài)頻譜共享開啟和關(guān)閉前后，4G網(wǎng)絡的KPI性能基本持平，動態(tài)頻譜共享功能開啟后并未對4G網(wǎng)絡現(xiàn)有用戶的感知及4G網(wǎng)絡性能產(chǎn)生明顯的不利影響。

表3 動態(tài)頻譜共享開啟和關(guān)閉前后測試4G基站的KPI性能變化

3 結(jié)束語

本文重點討論了4G與5G的上行頻譜動態(tài)共享策略，組建4G/5G試驗網(wǎng)驗證了上行動態(tài)頻譜共享的最新測試成果。本文用于試驗的3.3 GHz～3.5 GHz以及2.1 GHz相應頻段，與國內(nèi)中國電信的5G可用頻段重合，相應結(jié)論可以為中國電信的5G網(wǎng)絡部署提供參考。試驗表明：

1）SUL技術(shù)采用上下行解耦后，遠點弱覆蓋區(qū)域利用LTE的共享頻段，改善了上行覆蓋能力7 dB，同時大大改善了遠點弱覆蓋區(qū)域的上行速率性能（200%～700%）。

2）開啟SUL和動態(tài)頻率共享，在遠點弱覆蓋區(qū)可最大獲得2.43倍的上行速率增益。

3）試驗證明通過動態(tài)頻譜共享能帶來PRB利用率增益。平均上行PRB負荷在關(guān)閉頻譜共享情況下為10.35%，通過動態(tài)頻譜共享進一步提升上行PRB利用率到33.68%。

4）動態(tài)頻譜共享開啟后，SUL對應的小區(qū)的忙時上行IoT抬升4～8 dB，但動態(tài)頻譜共享功能開啟后并未對4G網(wǎng)絡現(xiàn)有用戶的感知及4G網(wǎng)絡性能產(chǎn)生明顯的不利影響。

限于局方規(guī)定的時間限制，本文對于4G基站的KPI性能驗證是在4G閑時狀態(tài)（0:00～07:00 AM）下的驗證對比，具有一定的局限性。此外，目前測試4G/5G動態(tài)頻譜共享分配基于業(yè)務的比例公平調(diào)度，未來可對區(qū)分4G、5G不同優(yōu)先級的調(diào)度算法進行測試，研究不同調(diào)度算法下對應的動態(tài)頻譜共享的上行速率增益。