动态频谱共享DSS技术关键问题分析

钱 会

（中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

当前频谱管理多采用固定的频谱分配策略，这种做法在避免各用户之间相互干扰的同时，可能存在独占频谱造成的频谱闲置、利用不充分等问题。随着用户业务数据的快速增以及5G网络的大规模部署，对频谱资源的需求也会快速增长，当前的移动网络需采用更先进的频谱资源管理方法来满足业务增长的需求，如通过频谱共享技术、使用现有IMT频段和5G其他关键技术，从而提高频谱利用率，缓解频谱资源紧缺的矛盾。

1 频谱共享与技术方向

如今，频谱资源共享作为新型的频谱管理技术受到业界比较多的关注。频谱共享技术是认知无线电网络中的重要技术，核心的理念是机会式频谱利用。

1.1 分类方式

频谱共享技术包含多种分类方式：一是基于频谱资源授权方式，分为免许可频谱共享和授权频谱共享；二是基于频谱资源分配方式，分为静态共享和动态共享；三是基于频谱资源分配行为，分为共存式共享和非协作式共享[4]。

目前，频谱共享技术的研究包括异系统间共享、多RAT间共享、系统内小区间共享和不同制式间共享频谱资源。共享者之间对频谱可有相同占用等级，也可以有不同占用等级。频谱共享技术主要利用认知无线电技术探测频谱，也可通过查询频谱数据库获取可用频谱资源，然后进行高效的频谱管理，实现频谱资源的最大化的利用。

1.2 4G/5G频谱动态共享DSS

一般来说，频谱共享的主要应用场景包括：运营商内无线接入技术（RAT）间的频谱共享；运营商间的频谱共享；免授权频段的频谱共享；次级接入频谱共享。本文探讨的场景主要是运营商内部无线接入技术即4G/5G（LTE/NR）之间跨系统的动态频谱共享技术。

从技术上来说，4G和5G之所以可以共享，主要是由于5G协议栈设计源于4G，具有较高的继承性和相似性。以2.1 GHz频段为例：首先，4G/5G具有相同的帧结构：10 ms帧，1 ms子帧（slot）；其次，4G/5G具有相同的子载波间隔：15 kHz；最后，4G/5G兼容的多址方式：下行CP-OFDM，上行DFT-S-OFDM（4G/5G）和CPOFDM（5G）可共存。

1.3 动态频谱共享涉及的技术方向

目前，频谱共享技术需要研究的关键问题包括新型网络架构，无线接口设计，物理层技术如频谱检测机制和算法，高层技术如频谱资源管理与分配，射频技术如支持灵活带宽和工作频点的新型射频技术以及多系统整合带来的安全性问题[1]。

（1）网络架构与接口。修改网络架构，以集中式架构为主，结合分布式架构，设计新增节点的接口和共享节点间的接口。在现有共享节点之上新增高级频谱管理节点，用于维护管理共享资源池、获取共享节点的需求申请、执行频谱分配决策。各共享节点进行测量和需求统计，并接收频谱分配结果，执行节点内的资源重配置。

（2）高层技术。研究频谱共享的高层技术，解决频谱共享导致的频谱资源动态变化和多优先级网络共存问题。基于不同系统架构，研究对于所获取的大量零散频谱资源进行高效分析与管理、多共享节点间的频谱最优与公平协商、基于预测和代价分析等的频谱切换、接入控制、跨层设计等，并分析对现有的网络接入、业务流管理、移动性等流程的影响。

（3）物理层技术。研究频谱共享的物理层技术，通过频谱检测等方式获得频谱使用状况，设计测量与反馈机制、信道和参考信号等，实现结果上报和频谱资源的配置与使用，研究基于主动干扰认知等方式的干扰管理，适应频谱共享带来的干扰环境变化。结合认知网络技术，分析可能的多址方式。

（4）射频技术。对于射频技术，在多模多频芯片成为市场主流的情况下，分析面向未来的支持频谱共享技术的新型射频，能够支持更广的频率范围，在多通道同时工作时有效处理互干扰，能支持灵活带宽的射频，支持在相同频谱中接入不同系统时的灵活调制，以及通过多路检测或压缩感知等方式的宽频谱检测等功能，寻求射频参考结构与参数。

此外，还包括共享频谱的系统间共存、各场景下的组网方案设计、多系统整合带来的安全性技术问题等。

2 DSS技术应用分析

2.1 NSA组网下DSS技术分析

NSA组网下部署DSS技术一般需要使用异频LTE载波为锚点，即需要两个4G载波，一个作为锚点，在另一个载波上做LTE和NR的DSS。

在NSA组网下部署DSS优势包括：支持基于现网设备的快速部署，提升NR覆盖，通过5G图标提升品牌影响力。

在NSA组网下部署DSS劣势包括：SA即将到来，提供网络切片的差异化服务（时延），NSA DSS价值需根据SA商用时间做重新评估[2]：

（1）NSA下终端若要支持FDD+TDD NR的载波聚合，需要支持3个频段，这种情况优先级较低。

（2）因NSA DSS需要两个LTE频段，势必会与联通的NSA 5G共建共享方案有所冲突，对于4G锚点基站的负荷会进一步增大，同时还需与联通进行沟通协调，具体影响还需根据各种共享方案评估。

2.2 动态频谱共享设计

尽管动态频谱共享技术非常有吸引力，但是技术的实现难度依然很大。一方面是如何规避LTE和NR之间的信号/信道冲突干扰，另一方面是如何实现LTE和NR用户的最优调度，主要通过系统厂商私有资源分配调度算法实现。

动态频谱共享设计要求：一是避免4G和5G重要的接入信道和参考信号间发生冲突，5G NR的下行参考信号有SSB、DMRS等，LTE的下行参考信号有CRS等。二是不会对LTE用户产生任何影响。

总的来说，动态频谱共享的主要设计思想为以动适静，LTE优先，NR适时插入。这主要是由于LTE各种物理信道和信号配置相对粗放，控制信道、参考信号等均为全频带映射。NR同样存在各种物理信道和信号，因此，存在信道间冲突的可能性。

从原理上看，在动态频谱共享技术下，由于4G信令和5G信令共存，会带来一定的信道容量损失。容量损失的大小考验设备商的解决方案。

此外，动态频谱共享实现的颗粒度也是衡量解决方案的标尺之一。由于动态频谱共享需跨越不同制式的网络调度，调度程序需在1-100 ms之间的颗粒度范围内响应不断变化的流量需求。

2.3 DSS开销分析

5G NR空口继承了LTE正交频分多址技术，引入Filtered-OFDM，更好地控制发射信号在系统带外的泄露，降低NR系统带宽内的保护间隔的开销，提升频谱利用率。以20 MHz带宽、15 kHz子载波间隔为例，LTE可用子载波为100 RB，NR可用子载波为106 RB，频谱利用率提升约6%[3]。

NR取消了小区级参考信号CRS，保留UE级参考信号DMRS、CSI-RS和SRS，并针对高频场景中的相位噪声，引入参考信号PTRS。NR主要的参考信号仅在连接态或有调度时传输，降低了基站的能耗和组网干扰的同时，进一步提升频率利用率。

然而在部署DSS时，不可避免地存在LTE与NR系统同时共存的情况，例如在20 MHz或以下带宽内中实现DSS，此时即使在NR空载时，也会对LTE系统带来额外的开销。

表1 DSS开销分析

NR系统配置：下行SSB（20RB）和RMSI（24RB），周期20 ms；NR other SIB （96 RB），640 ms；NR Msg2/4（48 RB），10 ms；NR Paging（48 RB），320 ms。上 行NR PRACH （6RB），10 ms；NR SRS 20 ms。

在优先保障LTE的原则下，当LTE下行PRB负荷增大时，NR可用资源和可调度的用户数会下降。

表2 DSS支持的用户数示意

注：1.假设每个用户平均占用3CCE。2.以上NR支持用户数，为上行调度用户和下

行调度用户的总和。虽然在DSS中可以设置LTE调度优先，但是NR还是有些必要开销，例如SSB RMSI MSG2/4 Paging这些固定开销，以及调度机制造成整体资源利用率的下降，其对LTE系统的影响，只能通过2.1 GHz申请相邻的新频率来减小甚至避免。

DSS技术本身无法解决上下行资源不平衡的问题。NR上行资源的需要通过下行NR PDCCH调度，在DSS的下行设计中，即使没有NR下行数据包，同一RB内NR PDCCH后的RE资源，也不能被LTE使用。

2.4 4G/5G共享对DSS的影响

DSS载波由于同时为4G/5G用户服务，在网络共享并叠加制式间调度排序，将进一步引入复杂性。

（1）支持LTE优先以及NR优先，默认LTE优先。无论哪种制式优先，另外一种制式的基础体验需要得到保证，另外一种制式的基础体验满足程度可以依据运营商的需求进行调整。

（2）不同运营商共建共享时，例如电联共享20M，同时开启DSS，建议制式优先，制式内部可进行运营商之间的共享策略。比如，电联的4G业务优先，在4G业务内部可以采用4G的网络共享策略；然后再考虑分配电联5G用户的资源。建议采用这种方案，以尽可能降低在DSS下对于4G业务的影响。

3 结束语

本文首先概述了频谱共享的概念，提出了4G/5G动态频谱共享技术方案，并进行了性能分析及实验室测试，最后提出了4G/5G动态频谱共享的部署策略，提升已有频谱资源利用率的同时，快速实现低建网成本的5G基础覆盖。