NR FDD 2.1G技术的研究和初步应用

【摘  要】从双工方式、频段分布、物理层信道结构、无线参数、多天线技术等方面对FDD 2.1G技术在5G中的技术方案进行论述。通过应用实例，从覆盖、速率等多个指标把2.1G FDD NR与3.5G TDD NR以及2.1G FDD LTE的性能进行比较和分析，论述2.1G FDD NR的优势与不足。研究了2.1G FDD NR和2.1G FDD LTE的频谱共享方案。该技术具有较好的技术指标和应用前景。

【关键词】NR;FDD;SSB;频谱共享;频率重耕

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.002      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）12-0010-06

引用格式：欧阳晖. NR FDD 2.1G技术的研究和初步应用[J]. 移动通信， 2019，43（12）： 10-15.

On the Study and Implementation of NR FDD 2.1G Techniques

OU Yanghui

（Foshan Branch of China Telecom Co.， Ltd.， Foshan 528000， China）

[Abstract] This paper studies how to apply 5G technologies to the existing 4G spectrum. The technical solution of FDD 2.1G technology in 5G is discussed in terms of the duplex mode， frequency band distribution， physical layer channel structure， wireless parameters and multi-antenna technology. Through the examples of practical applications， this paper analyzes and compares the performance of 2.1G FDD NR， 3.5G TDD NR and 2.1G FDD LTE with multiple metrics such as coverage and rate， and the advantages and disadvantages of 2.1G FDD NR are discussed. The spectrum sharing scheme between 2.1G FDD NR and 2.1G FDD LTE is studied， and it shows a good technical performance and application prospects.

[Key words]new radio; frequency division duplex; synchronization signal block; frequency-band sharing;frequency-band refarming

0   引言

2019年10月30日三大運营商同时宣布5G正式商用。从技术发展上说，5G NR（38系列）和4G LTE/LTE-Advanced/LTE Pro的无线接入技术（36系列）一脉相承。例如爱立信研究院的“三部曲”对4G到5G的协议演进路径作了清晰的阐述[1-3]。

NR与LTE无线接入技术的相似性给4G/5G协同发展提供了便利。设备厂家目前也提供了这方面的产品，包括双连接（Dual Connection，如著名的NSA就是一个特例）、上下行解耦（协议中定义的SUL）[4]以及频谱共享等。

对于中国电信来说，目前拥有的LTE频谱均为FDD（2.6G TDD频段已经腾退给中国移动），但目前分配给中国电信的3.5G NR频谱却使用TDD。2.1G FDD频段较接近3.5G，成为未来频段重耕的首选。因此，如何在2.1G FDD频段引入NR是一个重要的课题。

本文研究的内容包括NR在2.1G FDD频段的技术特点以及实际应用时的性能分析。通过与3.5G TDD NR以及2.1G FDD LTE的性能进行对比，论述了2.1G FDD NR的应用前景。

1   技术方案

1.1  FDD与TDD

双工方案由频谱分配方式决定，对于较低的频段，分配通常成对出现，如频分双工（FDD）;在更高的频带上，不成对的频谱分配越来越普遍，如时分双工（TDD）。鉴于NR比LTE支持更高的载波频率，与LTE相比，对不成对频谱的有效支持是NR更为重要的组成部分。此外，随着技术的发展，还出现了全双工技术（Full Duplex， FD）[1]，即上下行既不通过时间区分，也不通过频率区分。这样系统的容量大大提升，但会存在严重的下行对上行干扰问题，相应的解决方案还在研究阶段，在以后的NR版本中将会被引入。

NR可以使用一种常见的帧结构在成对和不成对的频谱中运行，与LTE不同，NR使用了两种不同的帧结构（后来在版本13中引入了对无执照频谱的支持时扩展为三种）。如前所述，作为不成对频谱分配，对于普遍应用高频段的NR技术，TDD的优势和重要性日益提高，应用也更加广泛。这些频带由于其传播条件而不适用于非常大的小区的广域覆盖，但与较小的小区的局部区域的覆盖密切相关。

1.2  NR的频段分布

根据3GPP协议，频段划分为两个范围：FR1频段，包括6 GHz以下的所有现有和新的频段;FR2频段，范围是24.25 GHz～52.60 GHz。本文研究的是2.1G和3.5G频段，因此均属于FR1，采用的也是FR1的配置。根据FR1目前版本中定义的频段，FDD 2.1G的频段编号是n1，频率范围和LTE协议中的B1[3]完全相同。尽管如此，LTE和NR对中心频点的定义完全不同，例如对于中国电信使用的FDD 2.1G 20M频点，频率范围是上行1 920 MHz—1 980 MHz，下行2 110 MHz—2 130 MHz，對应LTE的上下行中心频点分别为18100和100;而对应NR的上下行中心频点分别为386000和424000。由于TDD技术对于波束赋形、Massive MIMO等技术更加友好，3GPP NR协议更多关注TDD，因此相比LTE协议，NR协议中定义的FDD频段并不多。

1.3  物理层信道配置

（1）NR的传输机制和参数集（Numerology）配置

LTE和NR均采用OFDM作为上下行传输的基本传输方式（上下行具体的DFT预编码等方式有所不同）。而OFDM设计的一个主要课题是选择合适的参数集，特别是子载波间隔和循环前缀（Cyclic Prefix， CP），这些参数对于接收机的性能影响较大[1]。具体的参数集定义如表1所示：

实际上，NR标准以15 kHz的子载波间隔为基线定义其他子载波间隔。这主要是因为要考虑NR和LTE以及基于LTE的NB-IoT技术的共存问题。中国电信在2.1G频段引入NR主要也是考虑到LTE与NR的共存问题，即把两个逻辑上不同的载波（编号不同，使用的技术不同）部署在同一载波上（实际中心频率相同，带宽相同）。因此，应用的FDD NR 2.1G试点小区的子载波间隔（SCS， Subcarrier Spacing）也配置为15 kHz，与LTE一致。

图1展示了NR的子载波间隔的对齐方式。图中第一种配置就是15 kHz子载波间隔配置，为了和LTE的设计对齐，每个NR时隙的长度应当保持一致，即第一个和第八个OFDM符号（对应LTE子帧内两个时隙的第一个OFDM符号）的CP长度比其他符号的CP略长。

（2）公共信道的配置

NR最重要的下行公共信道（信号）是SSB，实际上是PSS、SSS和PBCH的打包，如图2所示。对应的这3个信号/信道在LTE中也有定义，作用也基本相同，只是具体的频域和时域位置有所不同。在LTE FDD中，PSS和SSS在每个无线帧中的第0号和第5号子帧中进行发送。

图2    NR中的SSB结构

1.4  多天线技术的应用

多天线传输是NR标准的一项关键技术，特别是对部署在高频点的NR格外重要。因为天线间存在一定距离或者处于不同的极化方向上，经过的信道不完全相关。在发送端或者接收端使用多天线可以提供分集增益，对抗信道衰落。

通过调整发送端每个天线单元的相位和幅度，可以使发送信号存在特定的指向性，也就是将所有的发送能量集中在特定的方向（波束赋形）或者空间的特定位置。因为接收端所处位置得到了更多的发送能量，这种指向性可以提高传输速率以及传输距离。同时可以降低干扰，提高整体频谱效率。接收天线也可以利用接收端指向性，把对特定信号的接收聚焦在对应的方向。接收机和发射机上的多天线，可以采用空分复用技术，并行传输多层的数据流。

目前实验网的大部分3.5G NR室外天线均采用64T64R的AAU（RRU+天线阵列）。但对于2.1G FDD，一方面采用了FDD，CSI估计精度受到很大的限制;另一方面频率较低，天线尺寸较大，不利于Massive MIMO的应用，因此一般最多采用4T4R的天线，而且天线和RRU还是分开的。

典型的NR/LTE终端是2T4R，在3.5G NR网络下可以通过一系列算法选择方向性和增益较高的天线单元，从而提高实际的吞吐量。但在2.1G NR网络下只能使用普通的MIMO，没有波束赋形，因此吞吐量受到较大限制。

2   应用与性能比较

2.1  试验站的参数配置

表2是试验站的参数配置：

测试结果表明，3.5G的空口时延高于2.1G，而端到端时延则2.1G略高。这说明作为FDD，2.1G NR的时延性能有一定的优势，但由于传输骨干的配置不同，这种优势很容易被抵消和逆转。

（2）覆盖能力对比

由于SSB是公共信号（信道），其RSRP反映了小区的基础覆盖能力。根据文献[4]中对上下行解耦的链路预算分析，3.5G NR和1.8G LTE/NR下行信道相差8.8 dB。假设2.1G比1.8G差1 dB，则3.5G和2.1G的差距大约是7.8 dB。根据图3中测试结果的拟合多项式，两者之间相差7.6 dB，与理论分析结果吻合程度较好。但由于3.5G NR采用了64T64R的Massive MIMO和波束赋形，而2.1G只采用4T4R，当距离增大时，前者可以实现更好的方向性指向，CSI RSRP会超越后者，如图4所示。

图3    3.5G和2.1G的SSB RSRP随距离的变化趋势

（3）吞吐量（速率）比较

图5中，按绝对数值，由于3.5G NR带宽是100 MHz，相对于2.1G NR的20 MHz带宽，下行吞吐量要高几倍。但是如果计算频谱效率（吞吐率/带宽），2.1G NR反而略高，这是因为3.5G采用了7：3的TDD，吞吐率相对FDD至少下降30%。如果剔除这个因素，则由于波束赋形和Massive MIMO的作用，3.5G NR的频谱效率略高。

图6表明：当距离增大时，2.1G FDD NR的上行速率优势比较明显，这反过来说明3.5G NR的上下行不平衡现象比较明显，因此上下行解耦目前也是研究和应用的热点[4]。

图5    下行速率比较

2.3 2.1G FDD NR与2.1G FDD LTE的比较

由于两者的频段相同，双工方式都是FDD，覆盖能力相当，因此仅比较速率，从图7的实际测试结果可以得到以下结论：

（1）独占频谱时，NR的速率大约比LTE高40%，这种差异来源于NR采用的LDPC编码和更高效的调度算法;

（2）相对于LTE，NR的速率波动较大;

（3）当两者共享频谱时，NR的速率优势并不明显，因为这时NR需要规避LTE的公共信道。

3   频谱共享方案

3.1  概述

5G NR定义了与LTE部分频率范围相同的频段作为NR频段，并且频段号相同。在这种LTE/NR同频部署场景下存在多种共存方式，主要分为两大类：一类是LTE与5G NR分别有专用的带宽，但其在同一频段上相邻部署;另一类是频谱共享方式的共存，LTE与NR共享的频谱可以是一个LTE载波的带宽，也可以是一个LTE载波的部分带宽。

在本文研究的案例中，采用了频谱共享的方式，且共享了一个LTE载波的全部带宽。

3.2  LTE/NR下行共享频谱共存

如前所述，NR标准化了多种OFDM参数，包括SCS、OFDM符号的CP长度等。NR与LTE的OFDM参数可以相同，也可以不同。

在LTE/NR OFDM参数相同的情况下（如本文研究的2.1G FDD NR/LTE），当LTE和NR的OFDM符号对齐时，LTE和NR的子载波相互正交，从而有效地避免了LTE和NR之间的载波间干扰（由于频域严格对齐，NR SSB与LTE CRS之间的干扰也很小）。这样，在系统设计上，BBU（DU）控制基带，调度算法保障LTE和NR不占用相同的子载波，以FDM方式实现无干扰共享频谱。

但由于CRS的普遍存在，无论LTE载波负载如何，CRS都在固定的符号上发送。如果NR的PDSCH信道避开LTE CRS所在的OFDM符号，将导致两个LTE CRS子载波间的约2/3的子载波不可用。在NR的设计中，为了避免LTE/NR之间的干扰，NR根据LTE CRS子载波位置对NR的PDSCH信道进行了特殊的时域资源映射设计，使得PDSCH的数据能够绕过LTE的CRS子载波进行映射，从而能够有效利用这部分子载波[4]。

当LTE和NR的OFDM参数（如子载波间隔）不相同时，两者的子载波之间不完全正交，需要频域保护间隔等手段进行规避。另外，NR SSB与LTE CRS之间的相互干扰也不能忽略，需要通过时域规避等手段来减弱干扰[4]。

对于SSB与LTE的PSS/SSS/PBCH之间的调度规避（NR预留资源），通过位图来定义预留资源，对LTE的PSS/SSS周围进行速率匹配。一个预留资源通过{位图-1，位图-2，位图-3}三元组作如下定义（如图8）：

（1）位图-1的长度等于频域上NR资源块的数目，指示了LTE的PSS和SSS在哪6个资源块上传输;

（2）位图-2的长度为14个符号（1个时隙），指示了PSS和SSS在LTE子帧的哪2个OFDM符号上传输;

（3）位图-3长度为10，指示PSS和SSS在10 ms系统帧的哪2个子帧上传输。

对LTE的PBCH周围也可以采用相同的方法进行速率匹配，唯一的区别在于位图-2，此时位图-2指示的是PBCH在哪4个符号上传输，而位图-3指示的是单个子帧。

3.3  LTE/NR上行共享频谱共存

通常情况下，上行共存比下行更为简单，很大程度上可以通过调度协调和限制来支持。应当协调NR和LTE的上行调度，以避免LTE和NR的PUSCH传输冲突。NR调度器应当限制不使用LTE上行层1控制信令（PUCCH）的资源，反之亦然。根据eNB和gNB在哪一层交互（本文的案例中共BBU，由不同的单板负责），这类协调和限制的动态程度或多或少[1]。

4   结束语

本文通过理论分析和实际应用测试，证实了NR可以应用于现有的2.1G FDD频段，并且可以与现有的2.1G LTE频点进行频谱共享。在相同的天线、小区、终端配置下，2.1G NR吞吐率优于2.1G LTE，甚至某些指标略优于3.5G TDD NR。因此，2.1G FDD NR在5G的低成本应用（能耗相对更低），以及后续的2.1G频段重耕等方面具有重要意义，值得大力推广。

后续的工作一方面是继续研究FDD NR的参数优化，以降低速率抖动;另一方面研究低时延应用在FDD NR中的应用与优化，更好地发挥FDD的优势。

参考文献：

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