（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

隨著5G 部署的深入，存量4G 頻段開始向5G 重耕[1]。4G 頻段已經(jīng)承載了部分4G 用戶，如果5G 初期將某一4G 頻段完全重耕為5G，則會(huì)帶來(lái)一些問題。首先會(huì)減少4G 容量，給4G 用戶體驗(yàn)造成影響，此外5G 初期用戶少，將該4G 頻段全部重耕為5G 后，頻段利用率較低。

如果采用4G 和5G 頻譜共享技術(shù)進(jìn)行重耕，可以打破頻譜之間的界限，實(shí)現(xiàn)RB 級(jí)頻譜共享，提升頻譜效率，利于4G 和5G 之間平滑演進(jìn)。3GPP R15 為5G 標(biāo)準(zhǔn)首版本，R15 開始引入LTE/NR 共存，解決LTE/NR 頻譜共享時(shí)存在的信道/ 信號(hào)沖突問題，定義了關(guān)鍵的協(xié)議要求，第一個(gè)版本于18 年6 月份凍結(jié)，R16 于2018 年6 月啟動(dòng)，對(duì)動(dòng)態(tài)頻譜共享的部分功能進(jìn)行了增強(qiáng)。標(biāo)準(zhǔn)中動(dòng)態(tài)頻譜共享是基站和終端多種feature 的合集。本文在分析動(dòng)態(tài)頻譜共享的原理基礎(chǔ)上，提供理論分析和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試研究各個(gè)功能特性對(duì)于終端性能的影響，動(dòng)態(tài)頻譜共享對(duì)下行影響較大，對(duì)上行影響較小，解決同一種信道沖突不同功能的選擇會(huì)對(duì)性能帶來(lái)差異，同時(shí)頻譜方案和基站通道數(shù)同樣會(huì)帶來(lái)性能差異，從而提出有效的落地實(shí)施方案，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)的情況給出了優(yōu)化方法。

1 頻譜共享原理

頻譜共享存在兩種方式，分別為載波級(jí)頻譜共享和TTI 級(jí)動(dòng)態(tài)頻譜共享（DSS）。載波級(jí)頻譜共享為4G 和5G 在同一時(shí)刻無(wú)重疊的頻譜，在一定的周期內(nèi)頻譜配置相同。TTI 級(jí)動(dòng)態(tài)頻譜共享是同一時(shí)刻4G 和5G 有頻譜重疊區(qū)，分為頻譜重疊和頻譜包含兩種情況，頻譜配置情況可TTI 級(jí)改變，頻譜利用更加靈活。

1.1 載波級(jí)共享

載波級(jí)共享是通過一定時(shí)間內(nèi)調(diào)整4G 和5G 的帶寬來(lái)達(dá)到頻譜共享。以100 MHz 帶寬，100 MHz 5G 配置3 個(gè)4G 載波為例進(jìn)行說明。對(duì)于5G 側(cè)可以通過BWP機(jī)制自適應(yīng)調(diào)整可用帶寬（40 MHz 或60 MHz 等），對(duì)于4G 載波可以開閉4G 載波實(shí)現(xiàn)頻譜配置，當(dāng)載波打開時(shí)對(duì)應(yīng)頻譜被4G 專用，當(dāng)載波關(guān)閉時(shí)，載波對(duì)應(yīng)頻譜被5G 專用。如圖1 所示、圖2 所示：

圖1 4G載波全部打開的頻譜配置

圖2 關(guān)閉一個(gè)4G載波的頻譜配置

通過統(tǒng)計(jì)4G 和5G 的負(fù)載信息，當(dāng)4G 資源需求大的時(shí)候，開啟3 個(gè)載波，5G 給終端配置除4G 外的專用40 MHz 的BWP。如果發(fā)現(xiàn)4G 資源利用率降低，可以關(guān)閉一個(gè)4G 載波，將頻譜資源留給5G，此時(shí)5G 給終端配置除4G 外的專用60 MHz 的BWP，如果發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)量發(fā)生變化，可繼續(xù)進(jìn)行開閉4G 載波，以達(dá)到頻譜的動(dòng)態(tài)利用的效果，合理分配頻譜資源。

該方式可采用X2，F(xiàn)1接口實(shí)現(xiàn)4G 和5G 間調(diào)度信息的交互，不需要終端功能的支持即可實(shí)現(xiàn)。

1.2 TTI級(jí)DSS

通過物理層協(xié)議避開4G 和5G PRB 級(jí)干擾，實(shí)現(xiàn)TTI 級(jí)的動(dòng)態(tài)調(diào)度PRB 資源。下面將介紹在下行和上行中信道沖突的解決方法[2]。

（1）下行

圖3 為5G 的典型信道配置：

圖3 5G的典型信道配置

其中：

1）PDSCH：物理下行共享信道，用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸；

2）PDCCH：下行控制信道，承載控制信息，時(shí)域最大三個(gè)符號(hào)；

3）DMRS：解調(diào)參考信號(hào)，用于下行解調(diào)，與業(yè)務(wù)頻譜重疊；

4）SSB：主同步信號(hào)、輔同步信號(hào)、PBCH 共同構(gòu)成一個(gè)SSB。SSB 在時(shí)域上共占用4 個(gè)OFDM 符號(hào)，頻域共占用240 個(gè)子載波（20 個(gè)PRB）。

圖4 為4G 典型信道配置：

圖4 4G典型下行信道配置

其中：

1）PBCH：廣播信道，承載的是小區(qū)ID 等系統(tǒng)信息，用于小區(qū)搜索過程。

2）PDSCH：物理下行信道，承載的是下行用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

3）PDCCH：下行控制信道，傳送用戶數(shù)據(jù)的資源分配的控制信息。

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 特性強(qiáng)相關(guān)的信道，承載的是控制信道在OFDM 符號(hào)中的位置信息。

5）PHICH：物理HARQ 指示信道，承載的是混合自動(dòng)重傳（HARQ）的確認(rèn)/非確定（ACK/NACK）信息。

6）CRS：最基本的下行參考信號(hào)，用于信道估計(jì)或者解調(diào)。

7）CSI-RS：用于信道估計(jì)，引進(jìn)CSI-RS，只針對(duì)CSI，更加靈活，使用更少的時(shí)頻資源和頭開銷。

當(dāng)4G 和5G 需要進(jìn)行PRB 級(jí)的頻譜共享時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信道沖突，主要是4G 與5G PDCCH 的沖突、4G 與5G SSB 的沖突、4G 與5G PDSCH 的沖突、4G 對(duì)5G CSIRS 的沖突、5G 對(duì)4G PSS/SSS/PBCH 的沖突?；竞徒K端需要應(yīng)用DSS 功能進(jìn)行信道沖突解決，在2.1 節(jié)詳述。

（2）上行

上行5G 典型上行信道如圖5 所示：

圖5 5G典型上行信道

其中：

1）PUCCH：上行控制信道，除公共PUCCH 以外，其余的PUCCH 可不必在兩邊部署；

2）PRACH：隨機(jī)接入信道，最短周期10 ms，頻域占用6 個(gè)RB；

3）SRS：探測(cè)參考信號(hào)，用于估計(jì)上行信道，可頻分、碼分、時(shí)分，5G 的SRS 不局限于配置在最后一個(gè)符號(hào)；

4）DMRS：解調(diào)參考信號(hào)，伴隨著PUCCH 和PUSCH 的傳輸。

4G 典型上行信道如圖6 所示：

圖6 4G典型上行信道

4G 與5G 的PRACH、PUCCH、PUSCH、全部采用頻分方式部署，4G 與5G 的SRS 采用時(shí)分方式避讓，5G的終端需要支持上行7.5 kHz 偏移。

2 TTI級(jí)DSS性能分析

2.1 功能影響

圖7 中紅色框線給出了4G 和5G 各種下行信道之間的沖突，虛線里為DSS 相關(guān)的功能，相同顏色的線代表對(duì)應(yīng)的信道沖突和使用DSS 功能的解決方案，下面列出了會(huì)帶來(lái)的下行性能影響。

2.2 功能選擇建議

（1）5G SSB 與4G CRS 的信道沖突功能特性選擇

在5G SSB 與4G CRS 的信道沖突中，有以下三種解決方案，兩種是4G 側(cè)實(shí)施，分別是4G MBSFN 子幀方案和4G CRS 打孔方案，一種是5G 側(cè)實(shí)施，即5G SSB打孔方案。

1）方案一：4G MBSFN 子幀

在5G 發(fā)送SSB 的子幀4G 采用MBSFN 子幀，4G 可以不發(fā)送CRS，只需要1～2 個(gè)符號(hào)發(fā)送PCFICH、PHICH和PDCCH。按照目前DSS 的配置，SSB 周期20 ms，再考慮msg2msg4 接入預(yù)留，在20 ms 內(nèi)至少需要配置3個(gè)MBSFN 子幀。

MBSFN 子幀不能調(diào)度4G 的msg2msg4，可能導(dǎo)致4G 的接入時(shí)延變大（2～4 ms）。其次考慮現(xiàn)網(wǎng)TM9 終端滲透率較低，MBSFN 子幀基本只能調(diào)度5G，4G 固定容量損失至少15%。M 子幀不是很靈活，一旦配置，則某個(gè)子幀將一直都是MBSFN 子幀，不可靈活更改屬性。該方案對(duì)5G 下行業(yè)務(wù)無(wú)影響。

2）方案二：4G CRS 打孔

圖7 4G和5G各種信道沖突的解決方法和影響

4G 基站在SSB 位置主動(dòng)打孔4G 的CRS，不發(fā)送CRS。4G 打孔CRS 對(duì)4G 下行有影響，帶來(lái)的額外的容量損失。相比于差點(diǎn)終端，對(duì)處于好點(diǎn)的4G 終端產(chǎn)生的容量影響更大，打孔的RB 數(shù)越多，對(duì)容量的影響越大，對(duì)5G 下行業(yè)務(wù)無(wú)影響。

3）方案三：5G SSB 打孔

5G 基站在4G 的CRS 的位置主動(dòng)打孔。4G 2Port 下，符號(hào)4/7/11 的部分頻段打孔，5G 的PSS 和SSS 均不受到4G CRS 的干擾，PBCH 會(huì)受到干擾。4G 4Port 下，會(huì)對(duì)符號(hào)4/7/8/11 部分頻段打孔，5G 的PSS 和PBCH 受到4G CRS 的干擾，SSS 不受4G CRS 的干擾，對(duì)4G 下行業(yè)務(wù)無(wú)影響。

為了得出兩種打孔方案的定量影響，對(duì)4G CRS 打孔和5G SSB 打孔進(jìn)行性能的測(cè)試驗(yàn)證，以中國(guó)聯(lián)通頻段做測(cè)試，表1 是測(cè)試配置：

表1 測(cè)試配置表

在4G 和5G 共享的條件下分別做LTE CRS 打孔和NR CRS 打孔操作，對(duì)性能影響進(jìn)行定量的分析。因?yàn)槎际菍?duì)下行產(chǎn)生影響，對(duì)上行無(wú)影響，因此做的只是下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，測(cè)試結(jié)果如表2 所示：

表2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試中選取的是LTE 和NR 的好點(diǎn)，對(duì)于LTE 系統(tǒng)而言，使用LTE CRS 打孔比不打孔的時(shí)候速率下降2 Mbit/s，容量損失1%；對(duì)NR 系統(tǒng)而言，NR CRS 打孔比不打孔的時(shí)候速率下降1 Mbit/s，容量損失0.6%。整體來(lái)說性能影響較小。

綜合考慮各方案的影響，現(xiàn)網(wǎng)4G TM9 終端占比較低，對(duì)于TM9 以下終端MBSFN 子幀方式容量損失較大，同時(shí)配置M 子幀不是很靈活。4G 打孔方式會(huì)帶來(lái)現(xiàn)網(wǎng)終端影響，對(duì)好點(diǎn)用戶影響更大，5G SSB 打孔對(duì)5G 終端產(chǎn)生影響，可根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)用戶和5G 用戶保障的優(yōu)先級(jí)選擇5G SSB 打孔或4G CRS 打孔的方案。

（2）4G CRS 與5G PDSCH 信道沖突功能特性選擇

在4G CRS 與5G PDSCH 信道的干擾中，最佳解決方案是采用RE 級(jí)速率匹配，在4G CRS 位置，5G 主動(dòng)繞開這些位置不發(fā)送PDSCH 數(shù)據(jù)，避免干擾。如果終端不支持該功能，可以采用RB 符號(hào)級(jí)速率匹配，5G 在對(duì)應(yīng)的RB 符號(hào)不發(fā)送數(shù)據(jù)，相對(duì)于RE 符號(hào)級(jí)速率匹配，5G 的開銷增加。如果終端仍不支持RB 符號(hào)級(jí)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，則5G 終端不會(huì)再解對(duì)應(yīng)位置的數(shù)據(jù)。5G 終端默認(rèn)支持5G ZP-CSI-RS，但是需要多組CSI-RS 以匹配4G-CRS RE，開銷高，需要手動(dòng)設(shè)計(jì)和預(yù)配置，不靈活。

2.3 性能分析

為了相互避讓控制信道和參考信號(hào)，在沒有任何4G終端接入時(shí)，5G 終端在共享譜內(nèi)會(huì)大幅的性能損失。在沒有任何5G 終端接入時(shí)，4G 終端在共享譜內(nèi)會(huì)有少量的性能損失。本小節(jié)對(duì)于容量的性能損失進(jìn)行測(cè)算，以中國(guó)聯(lián)通的4G 2.1 G 重耕為例，2.1 GHz 帶寬為20 MHz，隨著與電信的共建共享2.1 GHz 帶寬拓展為40 MHz，針對(duì)于中國(guó)聯(lián)通，不同的情況下會(huì)存在以下兩種帶寬組合，20 MHz 4G+20 MHz 5G 是在5G 載波不共享的情況使用，20 MHz 4G+40 MHz 5G 是在5G 載波共享的情況使用，對(duì)每種帶寬組合的損失情況進(jìn)行了測(cè)算，見表3。

頻譜重疊時(shí)，20 MHz 4G+20 MHz 5G，4G 2Port 和4Port 的容量損失如表3 所示，以時(shí)域20 ms、頻域20 MHz帶寬來(lái)測(cè)算：

表3 20 MHz 4G+20 MHz 5G時(shí)DSS帶來(lái)的容量損失

頻譜包含時(shí)，由于4G 下行無(wú)需避讓5G，5G 的RMSI 和SSB 承載在5G 的獨(dú)享譜內(nèi)，4G 損失開銷可以降為0。以時(shí)域20 ms，頻域20 MHz 帶寬來(lái)測(cè)算，20 MHz 4G+40 MHz 5G 的結(jié)果如表4 所示：

表4 20 MHz 4G+40 MHz 5G時(shí)DSS帶來(lái)的容量損失

3 頻譜共享實(shí)施方案

3.1 頻譜共享方案選擇

載波級(jí)頻譜共享可以通過X2進(jìn)行4G 和5G 之間的調(diào)度信息交互，解除了4G 和5G 需同框部署的限制，部署起來(lái)方式更加靈活，同時(shí)對(duì)終feature 沒有要求；但該方式是通過開閉4G 載波實(shí)現(xiàn)帶寬的調(diào)整，頻譜分配不夠靈活，并且需要考慮載波關(guān)閉后的用戶遷移問題。

TTI 級(jí)DSS 調(diào)度需要4G 和5G 同框部署，并通過私有協(xié)議進(jìn)行4G 和5G 之間的調(diào)度信息交互，才能保證時(shí)延滿足TTI 級(jí)調(diào)度，同時(shí)對(duì)終端feature 有要求。

40 MHz 5G+20 MHz 4G 和20 MHz 5G+20 MHz 4G情況，如果采用載波級(jí)頻譜共享，由于切分出來(lái)的4G 小于20 MHz，還需要現(xiàn)網(wǎng)改造，改變鄰區(qū)配置，建議采用TTI 級(jí)DSS 的方式實(shí)現(xiàn)。

3.2 頻譜共享硬件配置

5G 與4G 的頻譜共享最有可能采用的跨板、跨框等方式，載波級(jí)共享與TTI 級(jí)DSS 的配置要求不同。

載波級(jí)共享4G 與5G 的基帶板可以同廠家或異廠家。對(duì)于同廠家的情況，5G 與4G 可部署在同一個(gè)BBU 機(jī)框的兩個(gè)槽位，也可以4G 和5G 部署于兩個(gè)不同機(jī)框，可采用內(nèi)部私有協(xié)議交互。對(duì)于異廠家的情況，5G 與4G基帶板部署在不同機(jī)框，采用公共協(xié)議交互調(diào)度信息。

TTI 級(jí)DSS 要求4G 和5G 基帶板同廠家，并部署在同一機(jī)框，采用私有協(xié)議交互，才能保證交互時(shí)延小于1 ms。

3.3 TTI級(jí)DSS通道配置

5G 配置2 port 和4 port 對(duì)4G 容量影響較小。4G 基站配置4port 的CRS，4G 本身CRS 開銷增大，DSS 下5G 需要避讓的CRS 增多，導(dǎo)致5G 損失更大。

5G 建議配置4 端口，4R 終端下行最大可以到4 流（基站CRS 4port），流量相比2 端口時(shí)增加100%。如現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)4R 終端占比較少，建議4G 配置2port；否則可以配置4port。

3.4 TTI級(jí)DSS頻譜配置

通過對(duì)比20 MHz 4G+20 MHz 5G、20 MHz 4G+40 MHz 5G 兩種配置的4G 和5G 的容量損失，20 MHz 4G+20 MHz 5G 和4G 的性能損失最大，20 MHz 4G+40 MHz 5G 中4G和5G 的性能損失最小。

建議在頻段允許條件下實(shí)施大帶寬40 MHz 的動(dòng)態(tài)頻譜共享，優(yōu)先40 MHz 5G+20 MHz 4G 的頻譜配置方式。

3.5 TTI級(jí)DSS功能建議

在實(shí)現(xiàn)全動(dòng)態(tài)頻譜共享下，為現(xiàn)網(wǎng)4G 用戶性能不受影響，同時(shí)減小對(duì)5G 的性能的影響，建議基站必須支持以下feature：

（1）5G 支持針對(duì)4G C_RS 的速率匹配；

（2）5G 支持正常的速率匹配（RB,符號(hào)）；

（3）4G 和5G 支持ZP CSI_RS；

（4）5G 專用業(yè)務(wù)PDSCH 支持TypeB；

（5）5G 支持addtional DMRS 與4G CRS 的沖突解決；

（6）4G 支持MBSFN 子幀；

（7）5G 支持SSB 打孔；

（8）4G 支持CRS 打孔。

對(duì)于終端，需要支持以下功能：

（1）支持針對(duì)4G C_RS 的速率匹配；

（2）支持正常的速率匹配（RB，符號(hào)）；

（3）UE 專用業(yè)務(wù)PDSCH 支持TypeB；

（4）支持addtional DMRS 與4G CRS 的沖突解決。

4 全動(dòng)態(tài)頻譜共享案例

在2.1 GHz 的20 MHz 帶寬上，傳統(tǒng)的重耕方案是10 MHz 用于5G，10 MHz 用于4G，如果使用全動(dòng)態(tài)頻譜共享，則5G 和4G 的RB 資源可動(dòng)態(tài)共享，避免了靜態(tài)配置，RB 資源未充分利用的情況。目前實(shí)施方案中多選擇20 MHz LTE/NR 4T 的實(shí)現(xiàn)方式，本文對(duì)不同通道數(shù)的DSS 增益進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G 為NSA，可見基站采用4T 大幅相對(duì)于2T 時(shí)增益減少，因此在實(shí)施中建議采用2T 的配置。如果2.1 GHz 帶寬可進(jìn)一步拓展，建議采用該頻譜包含的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜共享，可以進(jìn)一步提高NR 的增益。

使用DSS 前后的增益如表5 所示：

表5 使用DSS前后的增益

5 結(jié)論

本文分析了頻譜共享技術(shù)原理，基于理論測(cè)算和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得出了其技術(shù)特性對(duì)終端性能定性和定量的影響。動(dòng)態(tài)頻譜共享對(duì)下行影響較大，其中對(duì)LTE 的影響較小，對(duì)NR 的影響較大，同時(shí)基站采用2 端口比采用4端口NR 性能更優(yōu)，采用頻譜包含的方案可進(jìn)一步降低LTE 容量損失，因此基于功能和配置性能的分析，從實(shí)施角度提出了硬件配置方案、通道配置方案、頻譜配置方案，并提出了基站和終端的功能建議，用以改善現(xiàn)網(wǎng)性能。