5G NSA场景下终端自干扰问题对网络性能的影响分析

许珺，李佳俊，李轶群，胡荣贻

（中国联合网络通信集团有限公司网络技术研究院，北京 100048）

1 引言

5G NSA（Non-Standalone，非独立方式）组网方案（如图1所示）是一种5G NR（New Radio，新无线）过渡方案，以提升热点区域带宽作为主要目标，没有独立信令面，在已部署LTE网络基础上，增加新的NR频谱资源，是5G NR初期部署的重要备选场景之一，因此受到运营商的广泛关注[1]。

在NSA网络架构中，要求终端在上行保持LTE频段和NR频段同时发射，但由于射频器件的非线性特性，上行双天线同时发射可能会带来交调和谐波干扰问题，对终端接收机射频指标产生影响，主要体现在MSD（Maximum Sensitivity Degradation，接收机最大接收灵敏度回退）指标，而接收机灵敏度下降将导致网络容量和下行覆盖收缩。因此本文接下来将对5G NSA场景下终端自干扰问题对网络性能的影响进行分析[2]。

图1 NSA非独立部署组网

2 5G终端接收机自干扰来源

2.1 交调干扰

交调干扰是两个足够强的有用信号f1和f2作用于接收机的非线性射频器件，由于相加性产生干扰信号，再与本振信号作用后变到中频fIF，落入接收机频谱带宽内，影响接收机工作[1]。交调干扰频率成分可由式(1)表示：

例如，在两个频谱发送信号，例如f1、f2，组合叠加形成的信号分量：f1-f2、2f1-f2、2f2-f1等，恰好落入接收通道频谱范围内，形成交调干扰。交调阶数越高交调组合方式越多，阶数越高，表示交调产物的干扰功率越低，干扰问题越小。对于移动通信系统，通常主要考虑二阶、三阶和四阶交调[3]。

2.2 谐波干扰

谐波产生的主要原因是由于非线性负载过大，由于电流经过负载时，和电压不能构成线性关系，所以谐波会随着非正弦电流产生。谐波属于正弦波的一种，各个谐波有其自身特定频率、幅度以及相角。当基波为f1时，二次谐波为2f1，三次谐波为3f1。

例如，在f1上发送信号经过放大后，由于存在非线性，出现了2f1、3f1等信号分量恰好落入终端接收通道频谱范围造成n次谐波干扰的情况。谐波阶数越高，表示谐波产物的功率越低，自干扰问题越小[4]。

3 NSA Band3+n78场景干扰影响分析

中国联通现有Band3频谱资源上下行各30 MHz，上行1735 MHz—1765 MHz/下行1830 MHz—1860 MHz，NR n78频谱范围为3400 MHz—3600 MHz。

3.1 交调产物影响分析及解决方案

（1）频谱分析

以中国联通现有频谱资源为例，在NSA场景中，当LTE@1.8 GHz和NR@3.5 GHz上行同时发送信号时，其产生的二阶和四阶交调产物落入LTE@1.8 GHz下行频谱范围内，如表1所示，当NR频谱分配3500 MHz—3600 MHz时，与联通1.8G上行频谱产生的二阶交调干扰1765 MHz—1865 MHz，完全包含联通1.8G下行频段1830 MHz—1860 MHz。如表2所示，当NR频谱分配3400 MHz—3500 MHz时，与联通1.8G上行频谱产生的四阶交调干扰1705 MHz—1895 MHz，完全包含联通1.8G下行频段1830 MHz—1860 MHz。换而言之，无论分配3.5G频段中任意的100 MHz频谱，中国联通NSA场景都无法避免交调产物的干扰。

表1 二阶交调产物频谱分析

表2 四阶交调产物频谱分析

（2）干扰分析及解决方案

参考3GPP中LTE频谱组合B3+B42（1.8G+3.5G）的MSD指标，如表3所示，终端满功率发射时的二阶交调产物将带来的29.8 dB功率回退，四阶交调产物的MSD为8 dB。目前，交调产物难以通过射频器件设计层面进行改善，那么对于二阶交调造成的29.8 dB接收功率回退，可预见的是将直接导致LTE下行无法正常工作，因此根据3GPP标准建议，对于二阶交调产物，将通过配置终端为LTE/NR上行时分单发方案，也就是终端上行发射时LTE和NR时域上交替进行，来消除交调干扰。在此方案下，若需要使用LTE下行传输资源，则需要LTE TDD-FDD载波聚合的HARQ反馈时序。

3.2 谐波产物影响分析及解决方案

（1）频谱分析

在NSA场景中，当LTE@1.8GHz上行发送信号时，产生的二次谐波产物落入NR@3.5GHz下行频谱范围内，如表4所示，情况1中1.8G上行1735 MHz—1765 MHz产生的二次谐波落入3470 MHz—3530 MHz频谱，也就是说，无论NR频谱分配3400 MHz—3500 MHz或3500 MHz—3600 MHz中任意100 MHz带宽，均会有30 MHz二次谐波干扰落入NR下行。那么表5中的情况体现了在分配LTE上行单载波（20 MHz）时，可以根据NR分配3400 MHz—3500 MHz或3500 MHz—3600 MHz，通过灵活调配LTE上行频点1735 MHz—1755 MHz或1745 MHz—1765 MHz，尽可能错开干扰频谱范围，将落入NR下行的二次谐波干扰带宽缩小至10 MHz。

表4 二次谐波产物频谱分析

（2）干扰分析及解决方案

如表6所示，3GPP TS 36.101 V15.0.0中描述了当存在二次谐波时，MSD值为20 dB~22 dB左右。

同时，可以从图2观察二次谐波功率与频谱之间的关系，二次谐波第二旁瓣比主瓣功率衰减了-15 dB，也就是说二次谐波的干扰功率主要集中在主瓣上。那么，进一步分析主瓣功率与频谱之间的关系，不难看出在主瓣窗口中谐波功率在频谱上近似均匀分布。由此，结合前面对二次谐波的频谱分析，仅有1/4或1/2二次谐波落入NR频谱，当终端处于非小区近点且满功率发射，联通NR受到的二次谐波干扰最大功率回退仅为1/4或1/2，加之考虑到NR终端的4根天线的自然物理隔离属性，至少2根天线不受二次谐波干扰。

那么，当处于小区极近点的终端，其发射功率较小（可达0 dBm甚至更低），因此二次谐波对NR的下行峰值速率的影响较小。

表3 2DL/2UL带间参考灵敏度QPSK PREFSENS[5]

表5 LTE上行20 MHz单载波产生二次谐波干扰频谱

表6 载波聚合接收机灵敏度QPSK PREFSENS, CA[5]

图2 二次谐波功率与频谱带宽关系

未来预计在射频器件层面，通过谐波陷波滤波器、PCB隔离、匹配电路、器件性能等手段有望进一步改善二次谐波所导致的MSD，因此从对终端接收机射频指标的影响来看，与谐波导致的MSD相比，交调导致的MSD更为严重。

4 5G终端自干扰对NSA容量影响评估

4.1 条件及方法

首先确定5G终端射频能力为NR 2Tx4Rx、LTE 1Tx4Rx，对于二次谐波干扰，考虑终端天线天然物理隔离，NR接收天线中有两路下行接收不受谐波干扰影响，另外两路受二次谐波干扰的MSD分别为8 dB和20 dB。四阶交调干扰直接导致LTE接收灵敏度降低8 dB。NSA场景网络能力，NR配置100 MHz带宽（3400 MHz—3500 MHz/3500 MHz—3600 MHz）、4×4 MIMO、上下行资源配比1:3（特殊时隙配比10:2:2）；LTE下行支持三载波50 MHz带宽/单载波20 MHz带宽，上行支持双载波30 MHz带宽/单载波20 MHz带宽、4×4 MIMO。

根据谐波和交调干扰终端下行接收SNR回退值，参考LTE FDD 4×4 MIMO/4×2 MIMO/2×2 MIMO现网实测数据，建立SNR与吞吐率映射模型。

4.2 结果及分析

（1）四阶交调干扰影响

在NSA场景下，LTE DL 50 MHz/UL 20 MHz+NR@3400 MHz—3500 MHz采用上行双发射方案，根据上文所述，将对LTE下行产生8 dB功率回退，其干扰对吞吐率影响如表7所示。在不考虑谐波干扰的情况下，NR@3500 MHz—3600 MHz对吞吐率的影响如表8所示，作为无四阶交调干扰的吞吐率基准，通过比较得到，NSA在近、中、远点吞吐率折损为13.90%、15.70%、40.00%。

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

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

那么，对于LTE DL 20 MHz的情况下，四阶交调干扰对吞吐率的影响如表9所示。在不考虑谐波干扰的情况下，NR@3500 MHz—3600 MHz对吞吐率的影响如表10所示，作为无四阶交调干扰的吞吐率基准，通过比较得到，NSA在近、中、远点吞吐率折损为7.30%、8.30%、21.20%。可以看出NSA存在四阶交调场景将对网络性能产生较大影响，小区近点下行吞吐率最多可降低21.20%，因此建议在极好点位置终端上行可采用NR和LTE双发射方案，其它场景建议采用单发射方案。

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

（2）二次谐波干扰影响

根据上文所述，在NSA场景下，NR@3500 MHz —3600 MHz仅仅存在二次谐波干扰的问题，LTE DL 50 MHz/UL 20 MHz+NR@3500 MHz—3600 MHz和LTE DL 50 MHz/UL30 MHz+NR@3500 MHz—3600 MHz的干扰带宽分别为10 MHz和30 MHz，如表10和表11所示。如以无谐波干扰作为吞吐率基准，那么可以比较得到，当NR下行受到30 MHz带宽二次谐波干扰时，NSA在近、中、远点吞吐率折损分别为2.00%、7.40%、12.40%；当NR下行受到10 MHz带宽二次谐波干扰时，NSA在近、中、远点吞吐率折损分别为0.80%、2.50%、4.40%。

由此可以看出，二次谐波干扰对小区近点下行吞吐率影响较小，在小区远点吞吐率最多降低4.40%。

（3）NSA与SA容量增益对比分析

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

表12 NSA与SA吞吐率增益

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

N S A相比S A场景，在N R的基础上叠加了LTE的吞吐率，理论上NSA峰值比SA下行将增加150 Mbit·s-1~1 Gbit·s-1。那么以SA场景吞吐率作为基准，NSA下行吞吐率最大提升66.50%。

5 结束语

本文以中国联通频谱资源为例，通过计算终端二次谐波和交调干扰，评估NSA组网带来的网络容量影响：二阶交调产物可以通过配置终端为LTE/NR上行时分单发方案，此时上行峰值速率减半；四阶交调产物将导致下行峰值速率降低21.20%；二次谐波干扰对小区近点下行吞吐率影响较小，下行峰值速率最多降低2%。

NSA是电信运营商后续LTE和NR融合演进的重点潜在场景，而Band3和n78又是全球主流运营商部署LTE和NR sub-6G的主力频谱资源，因此Band3+n78带来的终端自干扰问题成为NSA场景部署难以回避的问题。如何真正有效解决终端自干扰将是运营商持续关注的重点，同时也会影响运营商5G初期SA或NSA选择以及5G NR频谱申请策略和部署规划等问题的决策。