許珺，李佳俊，李軼群，胡榮貽

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

1 引言

5G NSA（Non-Standalone，非獨立方式）組網(wǎng)方案（如圖1所示）是一種5G NR（New Radio，新無線）過渡方案，以提升熱點區(qū)域帶寬作為主要目標，沒有獨立信令面，在已部署LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，增加新的NR頻譜資源，是5G NR初期部署的重要備選場景之一，因此受到運營商的廣泛關(guān)注[1]。

在NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，要求終端在上行保持LTE頻段和NR頻段同時發(fā)射，但由于射頻器件的非線性特性，上行雙天線同時發(fā)射可能會帶來交調(diào)和諧波干擾問題，對終端接收機射頻指標產(chǎn)生影響，主要體現(xiàn)在MSD（Maximum Sensitivity Degradation，接收機最大接收靈敏度回退）指標，而接收機靈敏度下降將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量和下行覆蓋收縮。因此本文接下來將對5G NSA場景下終端自干擾問題對網(wǎng)絡(luò)性能的影響進行分析[2]。

圖1 NSA非獨立部署組網(wǎng)

2 5G終端接收機自干擾來源

2.1 交調(diào)干擾

交調(diào)干擾是兩個足夠強的有用信號f1和f2作用于接收機的非線性射頻器件，由于相加性產(chǎn)生干擾信號，再與本振信號作用后變到中頻fIF，落入接收機頻譜帶寬內(nèi)，影響接收機工作[1]。交調(diào)干擾頻率成分可由式(1)表示：

例如，在兩個頻譜發(fā)送信號，例如f1、f2，組合疊加形成的信號分量：f1-f2、2f1-f2、2f2-f1等，恰好落入接收通道頻譜范圍內(nèi)，形成交調(diào)干擾。交調(diào)階數(shù)越高交調(diào)組合方式越多，階數(shù)越高，表示交調(diào)產(chǎn)物的干擾功率越低，干擾問題越小。對于移動通信系統(tǒng)，通常主要考慮二階、三階和四階交調(diào)[3]。

2.2 諧波干擾

諧波產(chǎn)生的主要原因是由于非線性負載過大，由于電流經(jīng)過負載時，和電壓不能構(gòu)成線性關(guān)系，所以諧波會隨著非正弦電流產(chǎn)生。諧波屬于正弦波的一種，各個諧波有其自身特定頻率、幅度以及相角。當基波為f1時，二次諧波為2f1，三次諧波為3f1。

例如，在f1上發(fā)送信號經(jīng)過放大后，由于存在非線性，出現(xiàn)了2f1、3f1等信號分量恰好落入終端接收通道頻譜范圍造成n次諧波干擾的情況。諧波階數(shù)越高，表示諧波產(chǎn)物的功率越低，自干擾問題越小[4]。

3 NSA Band3+n78場景干擾影響分析

中國聯(lián)通現(xiàn)有Band3頻譜資源上下行各30 MHz，上行1735 MHz—1765 MHz/下行1830 MHz—1860 MHz，NR n78頻譜范圍為3400 MHz—3600 MHz。

3.1 交調(diào)產(chǎn)物影響分析及解決方案

（1）頻譜分析

以中國聯(lián)通現(xiàn)有頻譜資源為例，在NSA場景中，當LTE@1.8 GHz和NR@3.5 GHz上行同時發(fā)送信號時，其產(chǎn)生的二階和四階交調(diào)產(chǎn)物落入LTE@1.8 GHz下行頻譜范圍內(nèi)，如表1所示，當NR頻譜分配3500 MHz—3600 MHz時，與聯(lián)通1.8G上行頻譜產(chǎn)生的二階交調(diào)干擾1765 MHz—1865 MHz，完全包含聯(lián)通1.8G下行頻段1830 MHz—1860 MHz。如表2所示，當NR頻譜分配3400 MHz—3500 MHz時，與聯(lián)通1.8G上行頻譜產(chǎn)生的四階交調(diào)干擾1705 MHz—1895 MHz，完全包含聯(lián)通1.8G下行頻段1830 MHz—1860 MHz。換而言之，無論分配3.5G頻段中任意的100 MHz頻譜，中國聯(lián)通NSA場景都無法避免交調(diào)產(chǎn)物的干擾。

表1 二階交調(diào)產(chǎn)物頻譜分析

表2 四階交調(diào)產(chǎn)物頻譜分析

（2）干擾分析及解決方案

參考3GPP中LTE頻譜組合B3+B42（1.8G+3.5G）的MSD指標，如表3所示，終端滿功率發(fā)射時的二階交調(diào)產(chǎn)物將帶來的29.8 dB功率回退，四階交調(diào)產(chǎn)物的MSD為8 dB。目前，交調(diào)產(chǎn)物難以通過射頻器件設(shè)計層面進行改善，那么對于二階交調(diào)造成的29.8 dB接收功率回退，可預(yù)見的是將直接導(dǎo)致LTE下行無法正常工作，因此根據(jù)3GPP標準建議，對于二階交調(diào)產(chǎn)物，將通過配置終端為LTE/NR上行時分單發(fā)方案，也就是終端上行發(fā)射時LTE和NR時域上交替進行，來消除交調(diào)干擾。在此方案下，若需要使用LTE下行傳輸資源，則需要LTE TDD-FDD載波聚合的HARQ反饋時序。

3.2 諧波產(chǎn)物影響分析及解決方案

（1）頻譜分析

在NSA場景中，當LTE@1.8GHz上行發(fā)送信號時，產(chǎn)生的二次諧波產(chǎn)物落入NR@3.5GHz下行頻譜范圍內(nèi)，如表4所示，情況1中1.8G上行1735 MHz—1765 MHz產(chǎn)生的二次諧波落入3470 MHz—3530 MHz頻譜，也就是說，無論NR頻譜分配3400 MHz—3500 MHz或3500 MHz—3600 MHz中任意100 MHz帶寬，均會有30 MHz二次諧波干擾落入NR下行。那么表5中的情況體現(xiàn)了在分配LTE上行單載波（20 MHz）時，可以根據(jù)NR分配3400 MHz—3500 MHz或3500 MHz—3600 MHz，通過靈活調(diào)配LTE上行頻點1735 MHz—1755 MHz或1745 MHz—1765 MHz，盡可能錯開干擾頻譜范圍，將落入NR下行的二次諧波干擾帶寬縮小至10 MHz。

表4 二次諧波產(chǎn)物頻譜分析

（2）干擾分析及解決方案

如表6所示，3GPP TS 36.101 V15.0.0中描述了當存在二次諧波時，MSD值為20 dB~22 dB左右。

同時，可以從圖2觀察二次諧波功率與頻譜之間的關(guān)系，二次諧波第二旁瓣比主瓣功率衰減了-15 dB，也就是說二次諧波的干擾功率主要集中在主瓣上。那么，進一步分析主瓣功率與頻譜之間的關(guān)系，不難看出在主瓣窗口中諧波功率在頻譜上近似均勻分布。由此，結(jié)合前面對二次諧波的頻譜分析，僅有1/4或1/2二次諧波落入NR頻譜，當終端處于非小區(qū)近點且滿功率發(fā)射，聯(lián)通NR受到的二次諧波干擾最大功率回退僅為1/4或1/2，加之考慮到NR終端的4根天線的自然物理隔離屬性，至少2根天線不受二次諧波干擾。

那么，當處于小區(qū)極近點的終端，其發(fā)射功率較?。蛇_0 dBm甚至更低），因此二次諧波對NR的下行峰值速率的影響較小。

表3 2DL/2UL帶間參考靈敏度QPSK PREFSENS[5]

表5 LTE上行20 MHz單載波產(chǎn)生二次諧波干擾頻譜

表6 載波聚合接收機靈敏度QPSK PREFSENS, CA[5]

圖2 二次諧波功率與頻譜帶寬關(guān)系

未來預(yù)計在射頻器件層面，通過諧波陷波濾波器、PCB隔離、匹配電路、器件性能等手段有望進一步改善二次諧波所導(dǎo)致的MSD，因此從對終端接收機射頻指標的影響來看，與諧波導(dǎo)致的MSD相比，交調(diào)導(dǎo)致的MSD更為嚴重。

4 5G終端自干擾對NSA容量影響評估

4.1 條件及方法

首先確定5G終端射頻能力為NR 2Tx4Rx、LTE 1Tx4Rx，對于二次諧波干擾，考慮終端天線天然物理隔離，NR接收天線中有兩路下行接收不受諧波干擾影響，另外兩路受二次諧波干擾的MSD分別為8 dB和20 dB。四階交調(diào)干擾直接導(dǎo)致LTE接收靈敏度降低8 dB。NSA場景網(wǎng)絡(luò)能力，NR配置100 MHz帶寬（3400 MHz—3500 MHz/3500 MHz—3600 MHz）、4×4 MIMO、上下行資源配比1:3（特殊時隙配比10:2:2）；LTE下行支持三載波50 MHz帶寬/單載波20 MHz帶寬，上行支持雙載波30 MHz帶寬/單載波20 MHz帶寬、4×4 MIMO。

根據(jù)諧波和交調(diào)干擾終端下行接收SNR回退值，參考LTE FDD 4×4 MIMO/4×2 MIMO/2×2 MIMO現(xiàn)網(wǎng)實測數(shù)據(jù)，建立SNR與吞吐率映射模型。

4.2 結(jié)果及分析

（1）四階交調(diào)干擾影響

在NSA場景下，LTE DL 50 MHz/UL 20 MHz+NR@3400 MHz—3500 MHz采用上行雙發(fā)射方案，根據(jù)上文所述，將對LTE下行產(chǎn)生8 dB功率回退，其干擾對吞吐率影響如表7所示。在不考慮諧波干擾的情況下，NR@3500 MHz—3600 MHz對吞吐率的影響如表8所示，作為無四階交調(diào)干擾的吞吐率基準，通過比較得到，NSA在近、中、遠點吞吐率折損為13.90%、15.70%、40.00%。

表7 LTE DL 50 MHz/UL 20 MHz+NR@3400 MHz—3500 MHz對吞吐率的影響

表8 LTE DL 50 MHz/UL 20 MHz+NR 3500 MHz—3600 MHz對吞吐率的影響

那么，對于LTE DL 20 MHz的情況下，四階交調(diào)干擾對吞吐率的影響如表9所示。在不考慮諧波干擾的情況下，NR@3500 MHz—3600 MHz對吞吐率的影響如表10所示，作為無四階交調(diào)干擾的吞吐率基準，通過比較得到，NSA在近、中、遠點吞吐率折損為7.30%、8.30%、21.20%。可以看出NSA存在四階交調(diào)場景將對網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生較大影響，小區(qū)近點下行吞吐率最多可降低21.20%，因此建議在極好點位置終端上行可采用NR和LTE雙發(fā)射方案，其它場景建議采用單發(fā)射方案。

表9 LTE DL 20 MHz/UL 20 MHz+NR3400 MHz—3500 MHz對吞吐率的影響

（2）二次諧波干擾影響

根據(jù)上文所述，在NSA場景下，NR@3500 MHz —3600 MHz僅僅存在二次諧波干擾的問題，LTE DL 50 MHz/UL 20 MHz+NR@3500 MHz—3600 MHz和LTE DL 50 MHz/UL30 MHz+NR@3500 MHz—3600 MHz的干擾帶寬分別為10 MHz和30 MHz，如表10和表11所示。如以無諧波干擾作為吞吐率基準，那么可以比較得到，當NR下行受到30 MHz帶寬二次諧波干擾時，NSA在近、中、遠點吞吐率折損分別為2.00%、7.40%、12.40%；當NR下行受到10 MHz帶寬二次諧波干擾時，NSA在近、中、遠點吞吐率折損分別為0.80%、2.50%、4.40%。

由此可以看出，二次諧波干擾對小區(qū)近點下行吞吐率影響較小，在小區(qū)遠點吞吐率最多降低4.40%。

（3）NSA與SA容量增益對比分析

表10 LTE DL 20 MHz/UL 20 MHz+NR3500 MHz—3600 MHz對吞吐率的影響

表12 NSA與SA吞吐率增益

表11 LTE DL 50 MHz/UL 30 MHz+NR3500 MHz—3600 MHz對吞吐率的影響

N S A相比S A場景，在N R的基礎(chǔ)上疊加了LTE的吞吐率，理論上NSA峰值比SA下行將增加150 Mbit·s-1~1 Gbit·s-1。那么以SA場景吞吐率作為基準，NSA下行吞吐率最大提升66.50%。

5 結(jié)束語

本文以中國聯(lián)通頻譜資源為例，通過計算終端二次諧波和交調(diào)干擾，評估NSA組網(wǎng)帶來的網(wǎng)絡(luò)容量影響：二階交調(diào)產(chǎn)物可以通過配置終端為LTE/NR上行時分單發(fā)方案，此時上行峰值速率減半；四階交調(diào)產(chǎn)物將導(dǎo)致下行峰值速率降低21.20%；二次諧波干擾對小區(qū)近點下行吞吐率影響較小，下行峰值速率最多降低2%。

NSA是電信運營商后續(xù)LTE和NR融合演進的重點潛在場景，而Band3和n78又是全球主流運營商部署LTE和NR sub-6G的主力頻譜資源，因此Band3+n78帶來的終端自干擾問題成為NSA場景部署難以回避的問題。如何真正有效解決終端自干擾將是運營商持續(xù)關(guān)注的重點，同時也會影響運營商5G初期SA或NSA選擇以及5G NR頻譜申請策略和部署規(guī)劃等問題的決策。