何文林,劉建華,李新,江天明
(中國移動通信有限公司研究院,北京 100053)
雖然5G 網絡已經商用,但是5G 建設初期,4G 網絡仍然是主力承載網,仍面臨巨大的容量壓力,目前4G/5G同頻部署,如何將有限的頻譜資源發揮出更大的價值,對無線網絡至關重要。5G 網絡的建設,將會引入支持5G 和4G 的雙模設備,基于硬件AAU(Active Antenna Unit,有源天線單元)支持160 MHz 全頻譜和軟件支持4G/5G 共模,4G 和5G 之間將可以實現頻譜共享,即根據4G 和5G 的業務特點、用戶數及話務負載等條件,結合4G 載波間話務分配策略,在4G 進行話務遷移后再進行載波制式4G/5G快速切換,從而實現4G 和5G 之間的頻譜資源共享。事實上,多制式頻譜共享,包括GSM(Global System for Mobile Communications,全球移動通信系統)/UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移動通信系統)、GSM/LTE(Long Term Evolution,長期演進)、UMTS/LTE 制式間頻譜共享,已經在全球廣泛和成熟商用,可有效提升頻譜利用率。在同區域同頻部署4G 和5G,5G 小區帶寬為100 MHz 或80 MHz,周邊存在多個帶寬為20 MHz 的4G 小區,5G 小區與4G 可能存在20 MHz 以及40 MHz 交疊組網情況,需對4G/5G間的同頻干擾進行處理。
載波級動態頻譜共享通過4G/5G 系統間信息交互,基于各系統負載情況實現秒級載波級頻譜共享,具體實現中可設定4G/5G 共享資源釋放和請求的資源利用率門限,動態調整共享資源的分配。該方案主要實現較為簡單,但存在觸發生效時間長(秒級)的不足,需研究共享頻譜的使用方式,并保證現網用戶不受影響。
動態共享需4G/5G 系統共用MAC(Media Access Control,媒體訪問控制)層調度,實現毫秒級4G/5G 頻譜共享,實現過程中5G 需考慮PRB(Physical Resource Block,物理資源塊)間隔離、SRS(Sounding Reference Signal,信道探測參考信號)和CSI-RS(Channel State Information Reference Signal,信道狀態信息參考信號)等參考信號配置,避免對4G CRS(Cell Reference Signal,小區參考信號)、SRS 等參考信號的干擾。動態共享可支持ms 級別的4G/5G共享,其生效場景更廣泛、性能較好,但也帶來技術復雜度較高的問題,需重點研究控制信號/信道如何避免被干擾。
5G 與4G 的頻譜共享可考慮兩種方案,一是載波級的動態共享,二是PRB/TTI(Transmission Time Interval,傳輸時間間隔)級的動態共享,本文重點介紹載波級動態頻譜共享。
載波級動態共享通過4G/5G 系統間的信息交互,基于各系統負載情況實現秒級載波級頻譜共享。對于共享資源的使用,若共享資源優先給5G 使用,則在4G 忙時資源受壓縮,將影響4G 用戶的體驗;若共享資源優先給4G 使用,現網4G 用戶體驗不受影響,但5G 用戶可能達不到峰值,所以需對共享資源的使用設定規則。具體實現中可設定4G/5G 共享資源釋放和請求的資源利用率門限,在5G 有需求且4G 負荷低時,可釋放4G 占用共享頻譜,將4G 小區關閉,頻譜釋放給5G 使用;在4G 有需求且5G 負荷低時,可釋放5G 占用共享頻譜,將4G 小區激活,頻譜釋放給4G 使用。該方案主要實現較為簡單,但觸發生效時間長(秒級),對于連接態用戶可以提前通知切換到其他小區,但是空閑態用戶無法及時轉移,也需考慮對空閑態用戶的處理,保障用戶的體驗。
為保證共享資源的合理分配,可設定4G/5G 共享資源釋放和請求的資源利用率門限,通過門限的高低調整資源的使用。
(1)5G 共享資源可釋 放PRB 利用率門限(Thresh15G):PRB 利用率低于此門限時,可將共享資源釋放給4G 使用,高于此門限,則不可釋放;
(2)5G 共享資源收回PRB 利用率門限(Thresh25G):PRB 利用率高于此門限時,將通知4G,向4G 請求共享資源,4G PRB 利用率低于4G PRB 利用率門限1 時,4G將共享資源釋放給5G 使用;
(3)4G 共享資源可釋 放PRB 利用率門限(Thresh14G):PRB 利用率低于此門限時,可將共享資源釋放給5G 使用,高于此門限,則不可釋放;
(4)4G 共享資源收回PRB 利用率門限(Thresh24G):PRB 利用率高于此門限時,將通知5G,向5G 請求共享資源,5G PRB 利用率低于5G PRB 利用率門限1 時,5G將共享資源釋放給4G 使用。
PRB 利用率采用實際的PRB 占用率,且取上下行最大值。
載波級動態共享門限示意圖如圖1 所示:
圖1 載波級動態共享門限示意圖
具體實現如下,5G 基站獲取5G 的PRB 利用率:
(1)若5G PRB 利用率小于Thresh15G,則5G 可釋放占用的共享資源或者不向4G 請求共享資源;
(2)若5G PRB 利用率大于Thresh15G且小于Thresh25G,則5G 基站保持當前的資源使用狀態,占用的共享資源不可釋放;
(3)若5G 基站判斷5G PRB 利用率大于Thresh25G且4G 基站占用共享資源,將向4G 基站請求占用共享資源;若5G 基站判斷5G PRB 利用率大于Thresh25G且5G基站占用共享資源,則5G 基站保持當前的資源使用狀態;
(4)4G 基站接收到5G 基站的共享資源占用請求,獲取4G 的PRB 利用率,若4G PRB 利用率低于Thresh14G,則4G 基站需將共享資源釋放給5G 基站使用;若4G 基站PRB 利用率大于Thresh14G,則4G 占用的共享資源不可釋放4G 側,反之亦然。
載波級動態共享時,以2.6 GHz 為例,5G 可用資源為100 MHz 或80 MHz 或60 MHz,若共享資源被4G 占用,則5G 的控制信號/信道需做相應的規避,避免相互干擾。圖2 為5G 廣播信號/參考信號/控制信道分配。
圖2 5G廣播信號/參考信號/控制信道分配
(1)廣播信號
SSB(Synchronization Signal/PBCH,同步信號廣播信道塊)可以配置在低端5G 獨享帶寬內,避免與4G 間的相互干擾。
(2)參考信號
1)CSI-RS
①采用限制發送方式,只在5G 獨享帶寬內發送,若5G 可用資源為80 MHz 或100 MHz,只能用獨享帶寬(60MHz)的CQI(ChannelQualitylndicator,信道質量指示)反饋進行業務信道的調度;
②采用RRC(Radio Resource Control,無線資源控制)重配消息進行BWP 重配,CSI-RS 頻域位置隨BWP(Bandwith Part,帶寬分段)重配更新,使用對應的CQI 反饋進行業務信道的調度。
2)SRS
①按照100 MHz 全帶寬發送,與LTE 時分復用;
②采用RRC 重配消息進行BWP 重配,SRS 頻域位置隨BWP 重配更新。
(3)控制信道
1)common PDCCH(Physical Downlink Control Channel,下行物理控制信道)、common PUCCH(Physical Uplink Control Channel,上行物理控制信道)、PRACH(Physical Random Access Channel,物理隨機接入信道)配置在低端獨享帶寬內;
2)UE specific PDCCH、UE specific PUCCH 可 配置在低端獨享帶寬內,也可以隨BWP 而變;
3)PDSCH(Physical Downlink Shared Channel,下行物理共享信道)、PUSCH(Physical Uplink Shared Channel,上行物理共享信道)資源根據系統可用資源進行調度。
對于連接態用戶,可在共享載波靜默前下發切換命令,將用戶切換至其它同覆蓋小區,遷移用戶需要一定時間(秒級)。
對于空閑態用戶,如果不做特殊處理,在共享4G 小區靜默的瞬間,還未來得及重選至新的小區,將會出現短暫脫網,需要網絡側做相應處理,4G 共享載波在靜默前,提前下發廣播消息更新小區可接入狀態,將小區可接入狀態設置為barred,終端收到新的系統消息后,將會啟動異頻測量,重選到其他小區,避免共享小區靜默后脫網。
PRB 級動態頻譜共享需4G/5G 系統共用MAC 層調度,實現毫秒級4G/5G 頻譜共享,實現過程中5G 需考慮PRB 間隔離、SRS 和CSI-RS 等參考信號配置,避免對4G CRS、SRS 等參考信號的干擾。由于PRB 級動態共享可支持ms 級別的4G/5G 共享,其生效場景更廣泛、性能較好,但也帶來技術復雜度較高的問題。
兩個系統并存,共用同一段頻譜,一是需要考慮相互間的干擾,二是需要考慮對一些固定信號的避讓。若LTE 和NR 采用相同的子載波間隔,LTE 和NR 載波間可以做到子載波正交,LTE 和NR 可以頻分復用的方式進行頻譜動態共享,不會導致子載波間干擾。若NR與LTE的子載波間隔不同,則LTE 和NR 的子載波是不正交的,需要在LTE 和NR 之間預留一定的保護間隔,從而避免兩者之間產生的干擾。
(1)規避NR 對LTE 下行固定信號的干擾;
(2)規避LTE 對NR 下行固定信號的干擾;
(3)規避NR 對LTE 上行固定信號的干擾;
(4)LTE 對NR PRACH、PUCCH 與SRS 的擾規避與NR 的相同。
如表1 所示,頻譜共享可通過載波級動態共享和PRB 級動態共享兩種方式實現,但各自具有優劣勢,在具體實施時,需考慮網絡需求及終端支持情況等。
表1 載波級動態共享與PRB級動態共享的對比
在同區域同頻部署4G 和5G,5G 小區帶寬為100 MHz或80 MHz,周邊存在多個帶寬為20 MHz 的4G 小區,5G 小區與4G 小區可能存在20 MHz 或40 MHz 交疊組網情況,需對4G/5G 間的同頻干擾進行處理。5G 系統支持上/ 下行頻選調度,網絡側可以分別配置不同帶寬下的信道質量測量,并且選擇速率最高的頻率組合進行調度。目前有兩種方案實現頻選調度來降低4G/5G 間的干擾。
方案一:給5G 前60 MHz 頻段和可能有干擾的后2×20 MHz 頻段分別配置獨立的信道測量,60 MHz 配置周期CQI 測量,共享區域配置非周期測量,基站獲取前60 MHz 頻段以及后兩段20 MHz 頻段的信道測量,測量上報類型為PMI(Precoding Matrix Indicator,預編碼矩陣指示符)中的寬帶CQI,將共享頻段的CQI 和獨享頻段的CQI 進行比較,基于CQI 折算頻譜效率,選擇頻譜效率最高的資源進行調度,使得終端能獲得最大的速率。
方案二:考慮到目前標準支持CSI-RS 最小帶寬為Min{24,BWP},并且支持以4RB 為顆粒度進行測量帶寬配置。但目前大部分終端不支持最小顆粒度為4RB 的窄帶CQI 測量,導致系統側無法精確識別每RB 上的干擾。為解決上述問題可采用如下方法:
(1)對于部分最小測量帶寬20 MHz 的終端:系統側下發以20 MHz 為帶寬的CSI-RS 測量,通過CSI-RS 分段測量干擾水平,基于分段測量結果,計算最優的頻譜效率,并針對現網組網情況,從100 MHz/80 MHz/60 MHz 選擇最優的傳輸帶寬;
(2)對于測量帶寬只支持100 MHz 的終端:可以通過測量其SRS 信息和寬帶CQI 信息,與網絡存儲信息進行對比,進而確定最佳調度資源,提升速率。
為了驗證該功能的性能和效果,在現網中進行了測試驗證。測試環境選取7 個站點連片覆蓋的區域。
對于4G 現網負荷,在頻譜共享開啟前,4G 忙時平均下行PRB 利用率約為30%,平均用戶數約50;閑時平均下行PRB 利用率約為10%,平均用戶數約15。
測試時4G/5G PRB 利用率門限配置:4G 共享資源收回PRB 利用率門限為50%,共享資源可釋放PRB 利用率門限為30%;5G 共享資源收回PRB 利用率門限為60%,共享資源可釋放PRB 利用率門限為40%。
分別選擇4G 忙時和閑時,采用5G 終端進行道路拉網測試,對比開啟頻譜共享前后5G 的下行占用PRB 和下行速率提升。
載波級動態共享驗證結果如圖3 所示。
圖3 載波級動態共享驗證結果
測試結果顯示,頻譜共享打開后,配置4G/5G 共享40 M 的場景,相對于5G 60 M 基線場景,4G 忙時下行占用PRB 提升約18%,下行速率提升14%,因為4G 忙時下行平均PRB 為30%左右,4G 側頻點釋放門限為30%,有35%的小區負荷為50%~60%,所以能釋放給5G 使用的資源相對較少;4G 閑時下行占用PRB 提升約55%,下行速率提升32%(測試區域未完全移頻,存在周圍4G 站點的D1 頻點小區干擾,所以速率提升比下行占用PRB 提升略低)。
針對干擾處理方案一,進行了現網驗證,測試環境選取8 個站點連片覆蓋的區域,4G 網絡的單頻點平均PRB 利用率約為12%,忙時PRB 利用率為50%~70%,5G 網絡的平均PRB 利用率為7%。測試時4G/5G PRB 利用率門限配置:4G 共享資源收回PRB 利用率門限為80%,共享資源可釋放PRB 利用率門限為60%;5G 共享資源收回PRB 利用率門限為70%,共享資源可釋放PRB 利用率門限為50%。
開啟頻選調度前后下行速率對比如圖4 所示。
圖4 開啟頻選調度前后下行速率對比
載波級動態頻譜共享可提升5G 可用RB 數18%~55%(與60 M 相比),下行拉網速率提升14%~32%,具體與4G 網絡負荷有關。開啟4G/5G 頻譜載波級動態共享,共享D1 和D2 時,打開頻選調度相比關閉頻選,下行速率的增益為22.5%;共享D2 時,打開頻選調度相比關閉頻選,下行速率的增益為14.6%,具體增益與區域內4G小區分布和業務量有關。
PRB 級動態頻譜共享可實現精確資源共享,獲得較高的頻譜利用效率,但是實現較復雜,需規避對5G 和4G 固定信號/信道的影響,載波級動態共享實現相對簡單,兩個系統間無干擾,并且對4G 和5G 子載波間隔不同的場景無特殊要求,可在5G 網絡建設初期,有效緩解4G 網絡容量壓力,提升頻譜利用效率。4G/5G 干擾處理可有效降低4G/5G 同頻部署時4G 對5G 的干擾,具體增益與4G 小區分布和業務量有關,適用于4G D1/D2 移頻不徹底、5G 周邊存在同頻的4G 基站的區域,或5G 連片組網場景,5G 外圍與4G 相鄰區域,或開啟4G 與5G 頻譜共享的區域。