4G和5G频谱共享技术_业务场景

研究与探讨

4G和5G频谱共享技术*

李新，王伟，张涛

【摘要】目前4G向5G重耕过程中存在频谱利用不平衡的问题，可采用动态频谱共享的技术解决。基于对现有频谱共享方案的原理分析，通过理论测算和实验室测试结合的方法研究终端和基站各功能特性对于终端性能的影响。动态频谱共享对下行影响较大，对上行影响较小，不同功能选择会对性能带来差异，同时频谱方案、基站通道数同样会带来性能差异。基于结果分析，提出4G和5G频谱共享的实施方案，包括硬件配置方案、频谱选择方案、通道配置方案、功能选择方案，以改善现网的性能。

【关键词】5G；4G；频谱共享；实施方案

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.02.019

文章编号：1006-1010(2021)02-0089-06

引用格式：李新玥,王伟,张涛. 4G和5G频谱共享技术[J]. 移动通信, 2021,45(2): 89-94.

随着5G部署的深入，存量4G频段开始向5G重耕 [1] 。4G频段已经承载了部分4G用户，如果5G初期将某一4G频段完全重耕为5G，则会带来一些问题。首先会减少4G容量，给4G用户体验造成影响，此外5G初期用户少，将该4G频段全部重耕为5G后，频段利用率较低。

如果采用4G和5G频谱共享技术进行重耕，可以打破频谱之间的界限，实现RB级频谱共享，提升频谱效率，利于4G和5G之间平滑演进。3GPP R15为5G标准首版本，R15开始引入LTE/NR共存，解决LTE/NR频谱共享时存在的信道/信号冲突问题，定义了关键的协议要求wcdma同载波数据业务对语音业务的影响，第一个版本于2018年6月份冻结，R16于2018年6月启动，对动态频谱共享的部分功能进行了增强。标准中动态频谱共享是基站和终端多种feature的合集。本文在分析动态频谱共享的原理基础上，提供理论分析和实验室测试研究各个功能特性对于终端性能的影响，动态频谱共享对下行影响较大，对上行影响较小，解决同一种信道冲突不同功能的选择会对性能带来差异，同时频谱方案和基站通道数同样会带来性能差异，从而提出有效的落地实施方案，结合现网的情况给出了优化方法。

1 频谱共享原理

频谱共享存在两种方式，分别为载波级频谱共享和TTI级动态频谱共享（DSS）。载波级频谱共享为4G和5G在同一时刻无重叠的频谱，在一定的周期内频谱配置相同。TTI级动态频谱共享是同一时刻4G和5G有频谱重叠区，分为频谱重叠和频谱包含两种情况，频谱配置情况可TTI级改变，频谱利用更加灵活。

1.1 载波级共享

载波级共享是通过一定时间内调整4G和5G的带宽来达到频谱共享。以100 MHz带宽，100 MHz 5G配置3个4G载波为例进行说明。对于5G侧可以通过BWP机制自适应调整可用带宽（40 MHz或60 MHz等），对于4G载波可以开闭4G载波实现频谱配置，当载波打开时对应频谱被4G专用，当载波关闭时，载波对应频谱被5G专用。如图1所示、图2所示：

通过统计4G和5G的负载信息，当4G资源需求大的时候，开启3个载波，5G给终端配置除4G外的专用40 MHz的BWP。如果发现4G资源利用率降低，可以关闭一个4G载波，将频谱资源留给5G，此时5G给终端配置除4G外的专用60 MHz的BWP，如果发现业务量发生变化，可继续进行开闭4G载波，以达到频谱的动态利用的效果，合理分配频谱资源。

该方式可采用X2，F1接口实现4G和5G间调度信息的交互，不需要终端功能的支持即可实现。

1.2 TTI级DSS

通过物理层协议避开4G和5G PRB级干扰，实现TTI级的动态调度PRB资源。下面将介绍在下行和上行中信道冲突的解决方法 [2] 。

（1）下行

图3为5G的典型信道配置：

其中：

1）PDSCH：物理下行共享信道，用于业务数据传输；

2）PDCCH：下行控制信道，承载控制信息，时域最大三个符号；

3）DMRS：解调参考信号，用于下行解调，与业务频谱重叠；

4）SSB：主同步信号、辅同步信号、PBCH共同构成一个SSB。SSB在时域上共占用4个OFDM符号，频域共占用240个子载波（20个PRB）。

图4为4G典型信道配置：

其中：

1）PBCH：广播信道，承载的是小区ID等系统信息，用于小区搜索过程。

2）PDSCH：物理下行信道，承载的是下行用户的业务数据。

3）PDCCH：下行控制信道，传送用户数据的资源分配的控制信息。

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特性强相关的信道，承载的是控制信道在OFDM符号中的位置信息。

5）PHICH：物理HARQ指示信道，承载的是混合自动重传（HARQ）的确认/非确定（ACK/NACK）信息。

6）CRS：最基本的下行参考信号，用于信道估计或者解调。

7）CSI-RS：用于信道估计，引进CSI-RS，只针对CSI，更加灵活，使用更少的时频资源和头开销。

当4G和5G需要进行PRB级的频谱共享时，会产生信道冲突，主要是4G与5G PDCCH的冲突、4G与5G SSB的冲突、4G与5G PDSCH的冲突、4G对5G CSI-RS的冲突、5G对4G PSS/SSS/PBCH的冲突。基站和终端需要应用DSS功能进行信道冲突解决，在2.1节详述。

（2）上行

上行5G典型上行信道如图5所示：

其中：

1）PUCCH：上行控制信道，除公共PUCCH以外，其余的PUCCH可不必在两边部署；

2）PRACH：随机接入信道，最短周期10 mswcdma同载波数据业务对语音业务的影响，频域占用6个RB；

3）SRS：探测参考信号，用于估计上行信道，可频分、码分、时分，5G的SRS不局限于配置在最后一个符号；

4）DMRS：解调参考信号，伴随着PUCCH和PUSCH的传输。

4G典型上行信道如图6所示：

4G与5G的PRACH、PUCCH、PUSCH、全部采用频分方式部署，4G与5G的SRS采用时分方式避让，5G的终端需要支持上行7.5 kHz偏移。

2 TTI级DSS性能分析

2.1 功能影响

图7中红色框线给出了4G和5G各种下行信道之间的冲突，虚线里为DSS相关的功能，相同颜色的线代表对应的信道冲突和使用DSS功能的解决方案，下面列出了会带来的下行性能影响。

2.2 功能选择建议

（1）5G SSB与4G CRS的信道冲突功能特性选择

在5G SSB与4G CRS的信道冲突中，有以下三种解决方案，两种是4G侧实施，分别是4G MBSFN子帧方案和4G CRS打孔方案，一种是5G侧实施，即5G SSB打孔方案。

1）方案一：4G MBSFN子帧

在5G发送SSB的子帧4G采用MBSFN子帧，4G可以不发送CRS，只需要1～2个符号发送PCFICH、PHICH和PDCCH。按照目前DSS的配置，SSB周期20 ms，再考虑msg2msg4接入预留，在20 ms内至少需要配置3个MBSFN子帧。

MBSFN子帧不能调度4G的msg2msg4，可能导致4G的接入时延变大（2～4 ms）。其次考虑现网TM9终端渗透率较低，MBSFN子帧基本只能调度5G，4G固定容量损失至少15%。M子帧不是很灵活，一旦配置，则某个子帧将一直都是MBSFN子帧，不可灵活更改属性。该方案对5G下行业务无影响。

2）方案二：4G CRS打孔

4G基站在SSB位置主动打孔4G的CRS，不发送CRS。4G打孔CRS对4G下行有影响，带来的额外的容量损失。相比于差点终端，对处于好点的4G终端产生的容量影响更大，打孔的RB数越多，对容量的影响越大，对5G下行业务无影响。

3）方案三：5G SSB打孔

5G基站在4G的CRS的位置主动打孔。4G 2Port下，符号4/7/11的部分频段打孔，5G的PSS和SSS均不受到4G CRS的干扰，PBCH会受到干扰。4G 4Port下，会对符号4/7/8/11部分频段打孔，5G的PSS和PBCH受到4G CRS的干扰，SSS不受4G CRS的干扰，对4G下行业务无影响。

为了得出两种打孔方案的定量影响，对4G CRS打孔和5G SSB打孔进行性能的测试验证，以中国联通频段做测试，表1是测试配置：

在4G和5G共享的条件下分别做LTE CRS打孔和NR CRS打孔操作，对性能影响进行定量的分析。因为都是对下行产生影响，对上行无影响，因此做的只是下行数据业务，测试结果如表2所示：

测试中选取的是LTE和NR的好点，对于LTE系统而言，使用LTE CRS打孔比不打孔的时候速率下降2 Mbit/s，容量损失1%；对NR系统而言，NR CRS打孔比不打孔的时候速率下降1 Mbit/s，容量损失0.6%。整体来说性能影响较小。

综合考虑各方案的影响，现网4G TM9终端占比较低，对于TM9以下终端MBSFN子帧方式容量损失较大，同时配置M子帧不是很灵活。4G打孔方式会带来现网终端影响，对好点用户影响更大，5G SSB打孔对5G终端产生影响，可根据现网用户和5G用户保障的优先级选择5G SSB打孔或4G CRS打孔的方案。

（2）4G CRS与5G PDSCH信道冲突功能特性选择

在4G CRS与5G PDSCH信道的干扰中，最佳解决方案是采用RE级速率匹配，在4G CRS位置，5G主动绕开这些位置不发送PDSCH数据，避免干扰。如果终端不支持该功能，可以采用RB符号级速率匹配，5G在对应的RB符号不发送数据，相对于RE符号级速率匹配，5G的开销增加。如果终端仍不支持RB符号级速率匹配，可以采用ZP CSI-RS的方式，5G在4G CRS的位置配置ZP CSI-RS，则5G终端不会再解对应位置的数据。5G终端默认支持5G ZP-CSI-RS，但是需要多组CSI-RS以匹配4G-CRS RE，开销高，需要手动设计和预配置，不灵活。

2.3 性能分析

为了相互避让控制信道和参考信号，在没有任何4G终端接入时，5G终端在共享谱内会大幅的性能损失。在没有任何5G终端接入时，4G终端在共享谱内会有少量的性能损失。本小节对于容量的性能损失进行测算，以中国联通的4G 2.1 G重耕为例，2.1 GHz带宽为20 MHz，随着与电信的共建共享2.1 GHz带宽拓展为40 MHz，针对于中国联通，不同的情况下会存在以下两种带宽组合，20 MHz 4G+20 MHz 5G是在5G载波不共享的情况使用，20 MHz 4G+40 MHz 5G是在5G载波共享的情况使用，对每种带宽组合的损失情况进行了测算，见表3。

频谱重叠时，20 MHz 4G+20 MHz 5G，4G 2Port和4Port的容量损失如表3所示，以时域20 ms、频域20 MHz带宽来测算：

频谱包含时，由于4G下行无需避让5G，5G的RMSI和SSB承载在5G的独享谱内，4G损失开销可以降为0。以时域20 ms，频域20 MHz带宽来测算，20 MHz 4G+40 MHz 5G的结果如表4所示：