錢 會

（中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

當前頻譜管理多采用固定的頻譜分配策略，這種做法在避免各用戶之間相互干擾的同時，可能存在獨占頻譜造成的頻譜閑置、利用不充分等問題。隨著用戶業(yè)務數(shù)據(jù)的快速增以及5G網(wǎng)絡的大規(guī)模部署，對頻譜資源的需求也會快速增長，當前的移動網(wǎng)絡需采用更先進的頻譜資源管理方法來滿足業(yè)務增長的需求，如通過頻譜共享技術、使用現(xiàn)有IMT頻段和5G其他關鍵技術，從而提高頻譜利用率，緩解頻譜資源緊缺的矛盾。

1 頻譜共享與技術方向

如今，頻譜資源共享作為新型的頻譜管理技術受到業(yè)界比較多的關注。頻譜共享技術是認知無線電網(wǎng)絡中的重要技術，核心的理念是機會式頻譜利用。

1.1 分類方式

頻譜共享技術包含多種分類方式：一是基于頻譜資源授權方式，分為免許可頻譜共享和授權頻譜共享；二是基于頻譜資源分配方式，分為靜態(tài)共享和動態(tài)共享；三是基于頻譜資源分配行為，分為共存式共享和非協(xié)作式共享[4]。

目前，頻譜共享技術的研究包括異系統(tǒng)間共享、多RAT間共享、系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)間共享和不同制式間共享頻譜資源。共享者之間對頻譜可有相同占用等級，也可以有不同占用等級。頻譜共享技術主要利用認知無線電技術探測頻譜，也可通過查詢頻譜數(shù)據(jù)庫獲取可用頻譜資源，然后進行高效的頻譜管理，實現(xiàn)頻譜資源的最大化的利用。

1.2 4G/5G頻譜動態(tài)共享DSS

一般來說，頻譜共享的主要應用場景包括：運營商內(nèi)無線接入技術（RAT）間的頻譜共享；運營商間的頻譜共享；免授權頻段的頻譜共享；次級接入頻譜共享。本文探討的場景主要是運營商內(nèi)部無線接入技術即4G/5G（LTE/NR）之間跨系統(tǒng)的動態(tài)頻譜共享技術。

從技術上來說，4G和5G之所以可以共享，主要是由于5G協(xié)議棧設計源于4G，具有較高的繼承性和相似性。以2.1 GHz頻段為例：首先，4G/5G具有相同的幀結構：10 ms幀，1 ms子幀（slot）；其次，4G/5G具有相同的子載波間隔：15 kHz；最后，4G/5G兼容的多址方式：下行CP-OFDM，上行DFT-S-OFDM（4G/5G）和CPOFDM（5G）可共存。

1.3 動態(tài)頻譜共享涉及的技術方向

目前，頻譜共享技術需要研究的關鍵問題包括新型網(wǎng)絡架構，無線接口設計，物理層技術如頻譜檢測機制和算法，高層技術如頻譜資源管理與分配，射頻技術如支持靈活帶寬和工作頻點的新型射頻技術以及多系統(tǒng)整合帶來的安全性問題[1]。

（1）網(wǎng)絡架構與接口。修改網(wǎng)絡架構，以集中式架構為主，結合分布式架構，設計新增節(jié)點的接口和共享節(jié)點間的接口。在現(xiàn)有共享節(jié)點之上新增高級頻譜管理節(jié)點，用于維護管理共享資源池、獲取共享節(jié)點的需求申請、執(zhí)行頻譜分配決策。各共享節(jié)點進行測量和需求統(tǒng)計，并接收頻譜分配結果，執(zhí)行節(jié)點內(nèi)的資源重配置。

（2）高層技術。研究頻譜共享的高層技術，解決頻譜共享導致的頻譜資源動態(tài)變化和多優(yōu)先級網(wǎng)絡共存問題?；诓煌到y(tǒng)架構，研究對于所獲取的大量零散頻譜資源進行高效分析與管理、多共享節(jié)點間的頻譜最優(yōu)與公平協(xié)商、基于預測和代價分析等的頻譜切換、接入控制、跨層設計等，并分析對現(xiàn)有的網(wǎng)絡接入、業(yè)務流管理、移動性等流程的影響。

（3）物理層技術。研究頻譜共享的物理層技術，通過頻譜檢測等方式獲得頻譜使用狀況，設計測量與反饋機制、信道和參考信號等，實現(xiàn)結果上報和頻譜資源的配置與使用，研究基于主動干擾認知等方式的干擾管理，適應頻譜共享帶來的干擾環(huán)境變化。結合認知網(wǎng)絡技術，分析可能的多址方式。

（4）射頻技術。對于射頻技術，在多模多頻芯片成為市場主流的情況下，分析面向未來的支持頻譜共享技術的新型射頻，能夠支持更廣的頻率范圍，在多通道同時工作時有效處理互干擾，能支持靈活帶寬的射頻，支持在相同頻譜中接入不同系統(tǒng)時的靈活調(diào)制，以及通過多路檢測或壓縮感知等方式的寬頻譜檢測等功能，尋求射頻參考結構與參數(shù)。

此外，還包括共享頻譜的系統(tǒng)間共存、各場景下的組網(wǎng)方案設計、多系統(tǒng)整合帶來的安全性技術問題等。

2 DSS技術應用分析

2.1 NSA組網(wǎng)下DSS技術分析

NSA組網(wǎng)下部署DSS技術一般需要使用異頻LTE載波為錨點，即需要兩個4G載波，一個作為錨點，在另一個載波上做LTE和NR的DSS。

在NSA組網(wǎng)下部署DSS優(yōu)勢包括：支持基于現(xiàn)網(wǎng)設備的快速部署，提升NR覆蓋，通過5G圖標提升品牌影響力。

在NSA組網(wǎng)下部署DSS劣勢包括：SA即將到來，提供網(wǎng)絡切片的差異化服務（時延），NSA DSS價值需根據(jù)SA商用時間做重新評估[2]：

（1）NSA下終端若要支持FDD+TDD NR的載波聚合，需要支持3個頻段，這種情況優(yōu)先級較低。

（2）因NSA DSS需要兩個LTE頻段，勢必會與聯(lián)通的NSA 5G共建共享方案有所沖突，對于4G錨點基站的負荷會進一步增大，同時還需與聯(lián)通進行溝通協(xié)調(diào)，具體影響還需根據(jù)各種共享方案評估。

2.2 動態(tài)頻譜共享設計

盡管動態(tài)頻譜共享技術非常有吸引力，但是技術的實現(xiàn)難度依然很大。一方面是如何規(guī)避LTE和NR之間的信號/信道沖突干擾，另一方面是如何實現(xiàn)LTE和NR用戶的最優(yōu)調(diào)度，主要通過系統(tǒng)廠商私有資源分配調(diào)度算法實現(xiàn)。

動態(tài)頻譜共享設計要求：一是避免4G和5G重要的接入信道和參考信號間發(fā)生沖突，5G NR的下行參考信號有SSB、DMRS等，LTE的下行參考信號有CRS等。二是不會對LTE用戶產(chǎn)生任何影響。

總的來說，動態(tài)頻譜共享的主要設計思想為以動適靜，LTE優(yōu)先，NR適時插入。這主要是由于LTE各種物理信道和信號配置相對粗放，控制信道、參考信號等均為全頻帶映射。NR同樣存在各種物理信道和信號，因此，存在信道間沖突的可能性。

從原理上看，在動態(tài)頻譜共享技術下，由于4G信令和5G信令共存，會帶來一定的信道容量損失。容量損失的大小考驗設備商的解決方案。

此外，動態(tài)頻譜共享實現(xiàn)的顆粒度也是衡量解決方案的標尺之一。由于動態(tài)頻譜共享需跨越不同制式的網(wǎng)絡調(diào)度，調(diào)度程序需在1-100 ms之間的顆粒度范圍內(nèi)響應不斷變化的流量需求。

2.3 DSS開銷分析

5G NR空口繼承了LTE正交頻分多址技術，引入Filtered-OFDM，更好地控制發(fā)射信號在系統(tǒng)帶外的泄露，降低NR系統(tǒng)帶寬內(nèi)的保護間隔的開銷，提升頻譜利用率。以20 MHz帶寬、15 kHz子載波間隔為例，LTE可用子載波為100 RB，NR可用子載波為106 RB，頻譜利用率提升約6%[3]。

NR取消了小區(qū)級參考信號CRS，保留UE級參考信號DMRS、CSI-RS和SRS，并針對高頻場景中的相位噪聲，引入?yún)⒖夹盘朠TRS。NR主要的參考信號僅在連接態(tài)或有調(diào)度時傳輸，降低了基站的能耗和組網(wǎng)干擾的同時，進一步提升頻率利用率。

然而在部署DSS時，不可避免地存在LTE與NR系統(tǒng)同時共存的情況，例如在20 MHz或以下帶寬內(nèi)中實現(xiàn)DSS，此時即使在NR空載時，也會對LTE系統(tǒng)帶來額外的開銷。

表1 DSS開銷分析

NR系統(tǒng)配置：下行SSB（20RB）和RMSI（24RB），周期20 ms；NR other SIB （96 RB），640 ms；NR Msg2/4（48 RB），10 ms；NR Paging（48 RB），320 ms。上 行NR PRACH （6RB），10 ms；NR SRS 20 ms。

在優(yōu)先保障LTE的原則下，當LTE下行PRB負荷增大時，NR可用資源和可調(diào)度的用戶數(shù)會下降。

表2 DSS支持的用戶數(shù)示意

注：1.假設每個用戶平均占用3CCE。2.以上NR支持用戶數(shù)，為上行調(diào)度用戶和下

行調(diào)度用戶的總和。雖然在DSS中可以設置LTE調(diào)度優(yōu)先，但是NR還是有些必要開銷，例如SSB RMSI MSG2/4 Paging這些固定開銷，以及調(diào)度機制造成整體資源利用率的下降，其對LTE系統(tǒng)的影響，只能通過2.1 GHz申請相鄰的新頻率來減小甚至避免。

DSS技術本身無法解決上下行資源不平衡的問題。NR上行資源的需要通過下行NR PDCCH調(diào)度，在DSS的下行設計中，即使沒有NR下行數(shù)據(jù)包，同一RB內(nèi)NR PDCCH后的RE資源，也不能被LTE使用。

2.4 4G/5G共享對DSS的影響

DSS載波由于同時為4G/5G用戶服務，在網(wǎng)絡共享并疊加制式間調(diào)度排序，將進一步引入復雜性。

（1）支持LTE優(yōu)先以及NR優(yōu)先，默認LTE優(yōu)先。無論哪種制式優(yōu)先，另外一種制式的基礎體驗需要得到保證，另外一種制式的基礎體驗滿足程度可以依據(jù)運營商的需求進行調(diào)整。

（2）不同運營商共建共享時，例如電聯(lián)共享20M，同時開啟DSS，建議制式優(yōu)先，制式內(nèi)部可進行運營商之間的共享策略。比如，電聯(lián)的4G業(yè)務優(yōu)先，在4G業(yè)務內(nèi)部可以采用4G的網(wǎng)絡共享策略；然后再考慮分配電聯(lián)5G用戶的資源。建議采用這種方案，以盡可能降低在DSS下對于4G業(yè)務的影響。

3 結束語

本文首先概述了頻譜共享的概念，提出了4G/5G動態(tài)頻譜共享技術方案，并進行了性能分析及實驗室測試，最后提出了4G/5G動態(tài)頻譜共享的部署策略，提升已有頻譜資源利用率的同時，快速實現(xiàn)低建網(wǎng)成本的5G基礎覆蓋。