陳曉冬，林衡華

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

5G新空口與LTE載波共享技術(shù)的研究*

陳曉冬，林衡華

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

結(jié)合目前5G新空口頻率分配現(xiàn)狀，針對5G NR頻段無線傳播能力不足的問題，提出NR與LTE上行載波共享方案，同時(shí)深入分析方案中涉及的NR頻域子載波配置、時(shí)域時(shí)間偏移和路徑損耗估算等關(guān)鍵技術(shù)問題，以及對NR與LTE組網(wǎng)性能的影響，并結(jié)合技術(shù)分析提出載波共享技術(shù)的配置建議、局限性與發(fā)展前景。

5G NR LTE 載波共享

1 引言

5G作為新一代移動通信系統(tǒng)，在系統(tǒng)速率、時(shí)延和可靠性上都提出了更高的設(shè)計(jì)目標(biāo)，相應(yīng)地在空口頻率帶寬上也提出了更高的需求[1]。目前3 GHz以下低頻段基本已分配給現(xiàn)有3G/4G移動通信系統(tǒng)，難以騰出足夠的空閑頻譜供5G使用。因此，世界無線電通信會議（WRC）所確定的5G候選頻率大多數(shù)集中在3 GHz甚至6 GHz以上的中高頻段[2]。

我國在2017年也將3.3 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5 GHz兩個頻段確定為國內(nèi)5G頻段[3]，3.5 GHz和5 GHz頻段相比國內(nèi)運(yùn)營商已商用的移動通信頻率而言，無線傳播能力明顯不足，根據(jù)業(yè)界市區(qū)環(huán)境通用的COST.231-HATA無線傳播模型[4]計(jì)算，3.5 GHz相比1.8 GHz（中國電信4G頻段）在鏈路預(yù)算上相差近10 dB。若5G基站在目前LTE站址基礎(chǔ)上采用1：1共站組網(wǎng)，難免出現(xiàn)覆蓋空洞。

對目前的3G/4G系統(tǒng)頻譜進(jìn)行重耕，是從根本上解決5G系統(tǒng)中高頻覆蓋劣勢的有效方法。但是3G/4G系統(tǒng)頻譜短期內(nèi)無法騰挪出足夠的固定帶寬用于5G系統(tǒng)，因此通過5G新空口（NR）和4G（LTE）間的協(xié)作實(shí)現(xiàn)LTE載波的共享，成為提升5G無線覆蓋的熱點(diǎn)研究方向之一。

2 NR與LTE載波共享技術(shù)原理

NR與LTE載波共享技術(shù)是指在不影響原有LTE協(xié)議的基礎(chǔ)上，NR與LTE通過時(shí)分或頻分等方式，共用LTE載波頻率。從NR與LTE共享載波的鏈路方向上劃分，可以分為下行載波共享和上行載波共享[5]，如圖1所示：

圖1 NR與LTE載波共享空口時(shí)頻資源分配示意圖

NR與LTE載波共享技術(shù)中，業(yè)務(wù)信道（PDSCH/PUSCH）可以通過空口時(shí)頻資源塊（RB）的靈活調(diào)度以避免干擾，而對于LTE中位置相對固定的信號和信道的干擾規(guī)避，如同步信號（PSS/SSS）、下行廣播信道（PBCH）、控制信道（PDCCH/PUCCH）、參考信號（CRS/DMRS/CSI RS/SRS）等，則是該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

從NR與LTE載波共享的站址位置上劃分，可以分為共站場景和非共站場景[6]，如圖2所示：

圖2 NR與LTE載波共享應(yīng)用場景

對于NR與LTE共站場景，載波共享的關(guān)鍵是空口時(shí)頻資源的多系統(tǒng)復(fù)用機(jī)制，典型的復(fù)用方案如圖2所示。而對于NR與LTE非共站場景，載波共享的關(guān)鍵是同頻異系統(tǒng)的鄰區(qū)干擾協(xié)調(diào)機(jī)制，理論上可以沿用LTE鄰區(qū)干擾協(xié)調(diào)方法。因此，共站場景是NR與LTE載波共享技術(shù)的優(yōu)先研究場景。

3 NR與LTE上行載波共享技術(shù)方案與關(guān)鍵問題

3.1 NR與LTE上行共享載波技術(shù)方案

針對5G新空口技術(shù)特點(diǎn)和LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀，目前NR與LTE載波共享技術(shù)研究熱點(diǎn)集中在對上行載波共享技術(shù)方案的性能評估和標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)上，具體源于以下兩方面考慮：

（1）5G引入Massive MIMO技術(shù)后，針對下行將會產(chǎn)生更大的波束賦形覆蓋增益，但上行仍是覆蓋受限因素，因此改善5G上行是提升5G覆蓋的最直接方法；

（2）國內(nèi)外絕大多數(shù)的LTE網(wǎng)絡(luò)采用FDD成對頻率，以下行業(yè)務(wù)量為主的用戶模型決定其LTE下行網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷遠(yuǎn)高于上行，因此LTE相對空閑的上行載波將最有可能用于NR共享。

NR與LTE上行載波共享技術(shù)方案[7]如圖3所示，假設(shè)NR與LTE共站部署，LTE采用成對頻率F1（上行）和F2（下行），NR采用非成對頻率F3，其中NR與LTE共享頻率F1。由于F3位于中高頻，無線覆蓋能力遠(yuǎn)低于F1/F2，因此在F3的覆蓋范圍內(nèi)，NR終端上下行都使用F3作為工作頻率，而從F3進(jìn)入F1覆蓋范圍后，NR終端上行與LTE共享F1上行載波。

圖3 NR與LTE上行載波共享技術(shù)方案

3.2 NR與LTE上行載波共享關(guān)鍵問題

（1）NR與LTE頻域子載波配置問題

在同一時(shí)隙內(nèi)，共享上行載波的NR與LTE，必須通過合理的空口子載波資源調(diào)度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)所使用的子載波資源位于共享載波的不同頻域位置，如圖4所示。由于NR與LTE的子載波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，因此為避免NR對LTE無線性能的影響，共享載波方案可能會對NR的子載波配置提出了一定的限制。目前，LTE的子載波間隔固定為15 kHz，且中心子載波相對直流子載波（DC）存在7.5 kHz的偏移；而NR子載波至少可配置為15 kHz/30 kHz/60 kHz等多種間隔，NR中心子載波是否需要進(jìn)行同樣的7.5 kHz的偏移也尚無定論。

圖4 NR與LTE頻域共享示意圖

對于NR與LTE上行載波共享的頻域子載波配置，目前主要?dú)w納為兩類方案[8]：

1）方案1：NR中心子載波不進(jìn)行7.5 kHz的偏移；

2）方案2：NR中心子載波進(jìn)行7.5 kHz的偏移。

如圖5所示，對以上兩類方案的仿真評估表明[9]，如果采用方案1，NR與LTE間必須預(yù)留頻率保護(hù)帶（GP=1 PRB），否則LTE性能會由于NR干擾而出現(xiàn)明顯的惡化，此時(shí)LTE性能惡化在采用高階調(diào)制時(shí)會更為明顯，因此方案2為優(yōu)選方案。

圖5 NR與LTE上行載波共享對LTE網(wǎng)絡(luò)性能影響仿真結(jié)果

（2）NR與LTE時(shí)域時(shí)間偏移問題

NR與LTE上行載波共享技術(shù)方案中，若NR采用TDD雙工方式，則不同的NR基站/小區(qū)間需保持嚴(yán)格的時(shí)間同步；若LTE采用FDD雙工方式，則不同的LTE基站/小區(qū)間無需進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間同步。因此，可能出現(xiàn)共享上行載波的NR與LTE間存在時(shí)間偏移的情況，如圖6所示：

圖6 NR與LTE上行載波共享中時(shí)間偏移示意圖

目前對于NR與LTE上行載波共享中的時(shí)間偏移解決方案，主要?dú)w納為網(wǎng)絡(luò)側(cè)方案與終端側(cè)方案兩類：

1）網(wǎng)絡(luò)側(cè)解決方案：LTE基站/小區(qū)側(cè)通過連接GPS或其他同步源，以實(shí)現(xiàn)站間/小區(qū)間的嚴(yán)格時(shí)間同步；

2）終端側(cè)解決方案：NR基站通過空口消息將NR基站/小區(qū)與LTE基站/小區(qū)間的時(shí)間偏移值告知NR終端，以實(shí)現(xiàn)NR側(cè)的時(shí)間對齊。

兩方案各有利弊，網(wǎng)絡(luò)側(cè)方案無需對NR空口協(xié)議提出改動需求，但需要對LTE基站/小區(qū)進(jìn)行工程改造；終端側(cè)解決方案則反之。

（3）NR與LTE路徑損耗估計(jì)問題

NR和LTE的上行功率控制機(jī)制類似，都包括開環(huán)功率控制與閉環(huán)功率控制，其中開環(huán)功率控制機(jī)制中一個關(guān)鍵因素是上行路徑損耗的估計(jì)，NR和LTE的上行路徑損耗估算都采用對下行鏈路的參考信號的測量來實(shí)現(xiàn)。

但是在NR與LTE上行鏈路共享技術(shù)中，NR的載波F3往往位于中高頻，NR與LTE的上行共享載波F1往往位于低頻，通過F3載波上的下行參考信號估算出來的F1載波上行路徑損耗，往往會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于F1載波的實(shí)際損耗。上行路徑損耗的偏差則會直接影響上行功率控制的準(zhǔn)確性，從而降低NR上行鏈路性能。

如表1所示，仿真結(jié)果表明[10]，若直接使用NR載波F3進(jìn)行F1共享載波的上行路徑損耗估計(jì)，會明顯降低NR上行速率，特別是邊緣速率。而在F3與F1的路徑損耗差固定的情況下，NR通過某種方式獲取F3與F1的路徑損耗差，并加入到上行路徑損耗的估計(jì)中，則將大大減少由于上行功控不準(zhǔn)確所導(dǎo)致的NR上行鏈路速率損失。

表1 不同上行鏈路損耗估計(jì)方案下NR上行鏈路性能仿真結(jié)果

注：方案1：NR終端通過LTE F2載波下行參考信號直接進(jìn)行路徑損耗估計(jì)；方案2：NR終端通過NR F3載波下行參考信號，并考慮F3和LTE上行載波F1間路徑損耗差來進(jìn)行路徑損耗估計(jì)；方案3：NR終端通過NR F3載波下行參考信號直接進(jìn)行路徑損耗估計(jì)，不考慮F3與F1間路徑損耗差。

因此，目前上行路徑損耗估算的最基本解決方案是NR基站通過空口消息，告知NR終端F1載波上行路徑損耗與F3載波路徑損耗的固定差異。但這種解決方案僅適用于在小區(qū)的不同位置，F(xiàn)3載波與F1載波路徑損耗的差值基本固定的情況。

4 結(jié)束語

5G NR在中高頻率上無線傳播能力的不足，是制約5G部署的關(guān)鍵因素之一。上文結(jié)合國內(nèi)運(yùn)營商4G和5G頻率使用現(xiàn)狀，所提出的NR與LTE上行載波共享技術(shù)，將LTE FDD上行載波用于NR上行鏈路，可以有效地提升5G上行覆蓋，是目前5G領(lǐng)域重點(diǎn)研究的覆蓋增強(qiáng)技術(shù)之一。而針對NR與LTE上行載波共享技術(shù)方案在實(shí)現(xiàn)中涉及頻域子載波配置、時(shí)域時(shí)間偏移和路徑損耗估算等難題，文中也給出了可行的解決方案。但由于該技術(shù)對NR與LTE間的耦合性要求很高，必然造成在應(yīng)用場景上的諸多局限，比如4G/5G同廠家部署、4G/5G共站部署等，因此NR與LTE載波共享技術(shù)距離全面組網(wǎng)應(yīng)用尚有一定的差距。

[1] 3GPP TR 38.913. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[S]. 2017.

[2] ITU. World Radiocommunication Conference 2015 Temporary Final File[R]. 2015.

[3] 工業(yè)和信息化部. 工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代國際移動通信系統(tǒng)（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段相關(guān)事宜的通知（征求意見稿）[EB/OL]. (2017-06-05)[2017-08-25]. http：//www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057735/n3057748/c5672371/content.html.

[4] COST 231 TD(90) 119 Rev2. Urban transmission loss models for mobile radio in the 900 and 1800 MHz bands(recision 2)[R]. 1991.

[5] R1-1611681. Coexistence between NR and LTE[R]. 2016.

[6] R1-1613034. LTE-NR Coexistence[R]. 2016.

[7] R1-1701668. Considerations of NR UL operation[R].2017.

[8] R1-1704815. On uplink half-tone shift and LTE/NR co-existence[R]. 2017.

[9] R1-1709560. LTE performance in NR-LTE UL sharing[R]. 2017.

[10] R1-1706905. Overview of NR UL for LTE-NR coexistence[R]. 2017. ★

Research on 5G New Air Interface and LTE Carrier Sharing

CHEN Xiaodong, LIN Henghua
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

According to the status of existing 5G new air interface frequency allocation and the de fi ciency of 5G NR frequency band in RF propagation capability, the sharing scheme of NR and LTE uplink carrier was proposed. The key technical problems in the scheme such as subcarrier con fi guration in NR frequency domain, time offset in time domain and path loss estimation were analyzed in depth. Besides, the impact of NR and LTE sharing performance was addressed. Finally, the suggested con fi guration, limitation and developmental perspective of carrier sharing were presented based on technical analysis.

5G NR LTE carrier sharing

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.002

TN92

A

1006-1010(2017)17-0008-04

陳曉冬,林衡華. 5G新空口與LTE載波共享技術(shù)的研究[J]. 移動通信, 2017,41(17)： 8-11.

國家重大科技專項(xiàng)：5G高速連續(xù)廣域覆蓋技術(shù)方案與試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)（2016ZX03001009）；增強(qiáng)移動寬帶5G系統(tǒng)概念樣機(jī)研發(fā)（2017ZX03001001）

2017-08-25

責(zé)任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn

陳曉冬：高級工程師，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事移動通信新技術(shù)研究與試驗(yàn)工作。

林衡華：工程師，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事移動通信射頻技術(shù)研究與試驗(yàn)工作。