4G/5G协同组网关键技术研究

张炎炎 李杏 刘娜 王宝聪 纪文娟 李欣

【摘  要】随着5G网络部署，4G网络与5G网络将在未来一段时间内并存。在此情况下，二者需有效协同，优势互补。为解决4G网络与5G网络协同问题，首先分析了基于4G/5G协同的2.6 GHz和4.9 GHz帧结构配置方案，研究了协同组网中半静态和动态频谱共享策略，分析了语音协同能力和上下行链路预算，最后在此基础上主要对比分析了2.6 GHz和4.9 GHz频段下的路径损耗和覆盖预算，通过研究，为5G网络建设策略制定提供了技术指导。

【关键词】4G/5G网络协同;帧结构;覆盖协同;语音协同;2.6 GHz;4.9 GHz

0   引言

2018年6月，3GPP工作组在技术规范组第80次会议上宣布已经完成5G第一阶段全部功能标准化工作[1]。随着5G标准化的逐渐成熟，2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放了5G商用牌照[2]。其中，中国电信获得3 400 MHz—3 500 MHz，中国联通获得3 500 MHz—3 600 MHz，中国移动获得2 515 MHz—2 675 MHz共计160 MHz带宽及4 800 MHz—4 900MHz 100 MHz带宽[3]。频谱商用牌照的确定，加快了5G建设的进程。

2019年是5G商用计划的关键一年，根据中国移动5G发展规划，中国移动已经在2019年第二季度实现了2.6 GHz端到端NSA商用，在第三季度实现2.6 GHz端到端SA预商用能力[4]。4G仍旧是全球规模最大的网络，中国移动现有的4G基站已经占据全国一半，而5G建站需要大规模的资本投入和技术攻关，这对4G/5G协同组网提出了高要求[5]。中国联通和中国电信的商用频段采用了国际上较普遍的3.5 GHz频谱组网，除了产业链相对成熟，研发比较完善，最具有全球通用可行性之外[6]。相比来说，中国移动的2.6 GHz频谱虽然覆盖范围广、资本开支小，但产业链成熟度低，起步较晚，频段也比较复杂，包含了早期的LTE频段，5G组网需要对频带进行配置。4.9 GHz的100 M带宽虽然可以支持的用户数和流量较多，但所需基站的密度更大，资本开支大。

1   频谱演进分析

由于中国移动5G频谱分配到2.6 GHz和4.9 GHz两个频段，而2.6 GHz又是移动的主力4G频段，因此2.6 GHz的4G/5G协同组网研究以及2.6 GHz和4.9 GHz协同使用，对于中国移动5G大规模连续组网及的研究具有重大意义[7]。

1.1  2.6 GHz频段帧结构

在5G新空口中，2.6 GHz频段资源由于已经分配给了4G用户，带宽资源受限[8]。5G在2.6 GHz频段的帧结构分为单周期和雙周期，如图1所示，为了与2.6GHz LTE共存，保持上下行转换点一致，当前配置为5 ms周期。其典型10个slot典型配置为：DDDDDDDSUU，其中特殊子帧内的符号配置为DDDDDDGGGGUUUU。

考虑到现有LTE 2.6 GHz的帧结构（DSUDD）配置方式，为避免交叉时隙干扰，2.6 GHz NR帧结构需要与现网2.6 GHz LTE帧结构保持同步，实现LTE-NR共模块[9]。对5G帧配比进行调整时，需要在考虑与LTE保持同步的同时考虑当前话务比，因此建议2.6 GHz采用5 ms单周期帧结构，且帧偏置方式为8：2，如图2所示：

1.2  4.9 GHz频段帧结构

4.9 GHz支持2.5 ms单周期和2.5 ms双周期，如图3所示，适配eMBB和垂直行业不同诉求。2.5 ms双周期帧结构模式为DDDSUDDSUU，其配置更适配eMBB业务;2.5 ms单周期帧结构模式为DSUUU，其上行容量比较大且时延更短，更适配垂直行业。

4.9 GHz帧配置中，对2.5 ms双周期，2.5 ms单周期和1 ms单周期的覆盖和时延进行对比分析，如表1和表2所示。从表1中可以看出，在上行容量方面，2.5 ms单周期和1 ms单周期的帧配比均可带来上行1.3倍容量收益，但是2.5 ms单周期的GAP开销更小，下行容量可获得额外8%收益。从上行覆盖方面，2.5 ms单周期和1 ms单周期帧配比均可带来上行1.15 dB覆盖收益，但2.5 ms单周期下行传输机会更多，下行SSB覆盖可获得0.9 dB增益。

从表2可以看出，2.5 ms单周期和1 ms单周期帧结构相比2.5 ms双周期可以带来更短时延，但空口最大时延均小于8 ms。

2   频谱共享

2.6 GHz频段上因为存在LTE已占有的频段，因此，在进行频谱使用的过程中，需要考虑与LTE的共存和干扰问题[10]。如图4所示，LTE和NR共占用160 M带宽，在邻频部分建议根据系统容量和体验需求，采用4G/5G载波动态调整机制。

在5G标准带宽配置下，5G的频谱范围内共享部分频率资源传输4G信号，可以有效提升频谱利用效率。

频谱共享可以分为半静态共享和动态共享两种策略，半静态共享是通过系统间信息交互，基于各系统负载情况实现秒级载波级4G/5G共享频率共享，如图5所示。

动态共享是通过共调度，实现PRB级或TTI级4G/5G频率共享，如图6所示。

3   覆盖能力协同

全面评估5G协同组网的覆盖能力，分析了1.8 GHz，2.6 GHz以及4.9 GHz三种频段的覆盖能力。

3.1  上下行信道链路预算

2.6 GHz时延、1.9 GHz TD-LTE、1 800 MHz LTE-FDD、2.6 GHz NR、4.8 GHz NR控制信道链路预算分别如表3和表4所示：

2.6 GHz时延、1.9 GHz TD-LTE、1 800 MHz LTE-FDD、2.6 GHz NR、4.8 GHz NR上下行业务信道链路预算分别如图7和图8所示。

从图7中可以看出，MCL对比下行的小区边缘阈值的最大路径损耗为2.6 GHz NR，达到131 dB，其次为4.9 GHz NR、1 800 MHz LTE-FDD、1.9 GHz TD-LTE、2.6 GHz TD-LTE，都达到125 dB。

从图8中可以看出，MCL对比上行小区边缘阈值的最大路径损耗为1 800 MHz LTE-FDD，达到130 dB，其次是：2.6 GHz NR约为126 dB，1.9 GHz TD-LTE约为124 dB，2.6 GHz TD-LTE约为122 dB，4.9 GHz NR约为120 dB。

3.2  覆盖能力分析

LTE单发场景和NSA模式场景如图9所示，LTE和NR上行发送功率均采用20 dBm（100 mW），总功率为23 dBm（100 mW）。

在TDD下8T8R天线，FDD下采用4T4R天线，编码速率采用23.85 kbit·s-1，数据包结构采用健壮性包头压缩（ROHC， Robust Header Compression）模式，优化方案采用TTI Bundling（1～2 dB）+Voice CoMP（1～2 dB）。

1.8 G和1.9 G频段覆盖能力如图10所示，从图10中可以看出，FDD 1800M覆盖能力更强，可提升语音体验，NSA终端上行功率减半，覆盖损失3 dB，深度覆盖挑战更大。1.8 G相比1.9 G可累计提升覆盖5 dB以上，可以补齐NSA损失满足语音覆盖要求。

1.8 G和1.9 G上下行速率錨点如图11所示，从图11中可以看出，FDD 1800M满足边缘速率需求，并保障4G/5G间体验平滑，1.8 G锚点更高上行速率，有效延伸业务边缘覆盖。

5G中高速业务对边缘速率有更高要求，相应的上行速率要求也更高，NR+1.8 G整体速率更高且上行更充足，可以有效延伸业务覆盖。由于1.8 G容量更优，应充分利用，连续覆盖建设延伸到非5G区域，结合多载波聚合、负载均衡，最大程度平滑4G/5G间体验。

对2.6 GHz和4.9 GHz的链路预算进行损耗对比分析，典型场景下4.9 GHz相比2.6 GHz覆盖能力差9 dB。4.9 GHz覆盖能力较弱，建网成本贵，不推荐作为室内外同频干扰的普遍解决方案。

4   结束语

本文讨论了2.6 GHz和4.9 GHz两种频段下的4G/5G协同策略，首先分析了不同频段的帧结构模式，通过对4G/5G的上下行信道链路的预算的分析，对比两种频段下的覆盖能力以及在典型场景下的路径损耗，通过分析得知，2.6 GHz频段下的覆盖能力比4.9 GHz高9 dB，因此2.6 GHz可以解决5G连续覆盖问题，4.9 GHz不适用于作为室内外同频干扰的普遍解决方案。本文可以为即将进行的大规模5G网络建设提供网络规划的理论论证。

参考文献：

[1]     朱雪田，夏旭，齐飞. 5G网络关键技术和业务[J]. 电子技术应用， 2018，44（9）： 1-4.

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[3]    李军. 面向eMBB的4G/5G协同规划和优化策略研究[C]//5G网络创新研讨会（2019）. 北京： TD产业联盟， 《移动通信》杂志社， 2019： 5.

[4]    蒋雅丽. 张同须：中国移动不久将实现2.6GHz端到端SA预商用能力[EB/OL]. （2019-07-18）[2020-04-20]. http：//www.cww.net.cn/article？id=455206.

[5]   李德忠. 中国移动4G与5G协同组网方案研究[C]//5G网络创新研讨会（2019）. 北京： TD产业联盟， 《移动通信》杂志社， 2019： 4.

[6]    丁远，龚戈勇. 5G无线频谱重耕演进策略[J]. 信息技术与信息化， 2019（3）： 16-18.

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[10]  万蕾，郭志恒. LTE/NR频谱共享——5G标准之上下行解耦[J]. 中国信息化， 2019（7）： 97.