基于5G 无线接入和无线回程一体化的增强技术研究

毕峰

（1. 中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057；2. 移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518055）

0 引言

随着宽带无线移动通信技术的发展，人们对无线移动通信提出越来越高的要求，这就需要采用有效的技术手段来扩大网络覆盖，提高频谱效率和系统在各种环境中的鲁棒性。在常规的无线移动通信中，典型的收发端包括基站和用户设备，基站和用户设备之间的链路被称为无线接入链路，针对上述扩大网络覆盖、提高频谱效率等需求，技术演进和研究大多集中在无线接入链路。然而，基站的选址是运营商结合了地形地貌、周围环境、光缆铺设等因素决定的，另一方面，现在的无线移动通信网络越来越趋于密集型网络，这严重影响了运营商的资本投入和运营成本，运营商不能不计成本地增加基站的数量。第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partner Project，3GPP）提出在基站和用户设备之间引入中继节点，中继节点和用户设备（user equipment，UE）之间的链路被称为无线接入链路（access link，AL），基站和中继节点之间的链路被称为无线回程链路（backhaul link，BL）。通过引入中继节点，预期目标可以增强拓扑管理、提供路径选择/冗余链接、提高频谱效率。密集型网络导致BL 也会存在非视距传输，AL 与BL 使用的频率更加接近，即无论从无线环境还是频率资源来看，AL 和BL 的特点越来越相似。因此，如何高效地一体化设计AL和BL 成为重点。本文主要集中在AL 和BL 之间的资源复用方式、节点定时关系、保护频带和性能仿真验证。

1 一体化设计

在第5 代新空口（5th generation new radio，5G NR）系统中，中继节点被称为无线接入和无线回程一体化节点（integrated access and backhaul-node，IAB-node 或记为IAB），引入IAB 的一个关键优点是能够灵活且密集地部署NR 小区[1-3]，支持室外部署、室内部署，甚至支持移动中继（如在公共汽车或火车上安装中继节点）。回程链路包括带内和带外回程，带内回程指AL 和BL 存在频率资源重叠从而产生半双工限制或收发自干扰，这意味着IAB 在两条链路上不能同时进行发射和接收处理，但是带外回程没有这样的限制。所以，在半双工限制下，研究无线接入和无线回程之间更紧密互通的带内回程解决方案至关重要。节点实体和链路示意图如图1 所示，典型的IAB 包括两个逻辑节点：移动终端（mobile termination，MT 或记为IAB-MT）和分布单元（distributed unit，DU 或记为IAB-DU）。其中，MT 是IAB 执行下行接收和上行发射的逻辑节点，DU 是IAB 执行下行发射和上行接收的逻辑节点，DU 受逻辑节点集中单元（centralized unit，CU）控制[4-6]。为了便于叙述，定义下行接入（downlink access，DA）表示下行AL，下行回程（downlink backhaul，DB）表示下行BL，上行接入（uplink access，UA）表示上行AL，上行回程（uplink backhaul，UB）表示上行BL。

图1 节点实体和链路示意图

对于带内回程场景，受限于半双工限制，现有AL 和BL 之间的资源复用方式采用时分复用（time-division multiplexing，TDM），以避免IAB收发自干扰问题[7]。为了更加合理地协调AL 和BL 的资源，CU 负责两路链路的资源配置[8]。由CU 统一配置IAB-DU 资源，配置的资源类型包括hard、soft、non-applicable。其中，hard 表示IAB-DU 在该资源上可执行传输，soft 表示IAB-DU 根据施主基站（donor gNB，DgNB）指示是否允许在该资源上可执行传输，non-applicable 表示IAB-DU在该资源上不可执行传输。为了减少节点间相互干扰，全网同步成为优先级较高的需求，即需要保持DgNB 和IAB之间下行发射定时对齐[9-10]。

1.1 资源复用方式

现有AL 和BL 之间的资源复用方式指DA 和DB、UA 和UB 之间的资源复用方式是TDM，虽然采用TDM 避免了IAB 收发自干扰，但TDM 将增加端到端业务时延。所以有必要针对AL 和BL之间的资源复用方式进行进一步研究，以达到既避免IAB 收发自干扰、又不增加端到端业务时延的目的。一种直接的方式是DA 和DB、UA 和UB之间的资源复用方式采用频分复用（frequency-division multiplexing，FDM）或空分复用（spatial-division multiplexing，SDM），把这种FDM、SDM 称为常规的频分复用（conventional FDM，cFDM）、常规的空分复用（conventional SDM，cSDM），但是采用cFDM 或cSDM 将产生严重的干扰。例如，假设采用cFDM，在IAB侧存在未经过空口衰落的DA 下行发射信号对经过空口衰落的DB 下行接收信号的边带泄露干扰，或在IAB 侧存在未经过空口衰落的UB 上行发射信号对经过空口衰落的UA 上行接收信号的边带泄露干扰；假设采用cSDM，在IAB 侧存在未经过空口衰落的DA 下行发射波束对经过空口衰落的DB 下行接收波束的旁瓣泄露干扰，或在IAB侧存在未经过空口衰落的UB 上行发射波束对经过空口衰落的UA 上行接收波束的旁瓣泄露干扰。因为未经过空口衰落的信号或波束具有极高的功率，然而经过空口衰落的信号或波束具有较低的功率，后者将受到前者严重的泄露干扰，本质上这种泄露干扰属于收发自干扰[11-12]。

为了解决上述泄露干扰问题，本文把资源复用重点转移到DA 和UB、UA 和DB 之间，即在DA 和UB、UA 和DB 之间采用FDM 或SDM，把这种 FDM、SDM 称为增强的频分复用（enhancement FDM，eFDM）、增强的空分复用（enhancement SDM，eSDM）。可以看出，在IAB侧DA 和UB 为同时发射（simultaneous transmission，STx）状态，所以不存在干扰问题；在IAB侧UA 和DB 为同时接收（simultaneous reception，SRx）状态，但此时的接收信号均是经过空口衰落的接收信号，接收功率差异不大。所以，采用eFDM时，UA 和DB 之间的边带泄露干扰不严重，采用eSDM 时，基于波束管理，则不存在旁瓣泄露干扰。接下来将针对eFDM/eSDM 共性问题（如节点定时关系）、eFDM 特有问题（如保护频带）、TDM/eFDM/eSDM 性能仿真进行介绍。

1.2 节点定时关系

对于STx，如果IAB 上行发射定时与IAB 下行发射定时没有对齐，即正交频分复用（ orthogonal frequency-division multiplexing ，OFDM）符号没有对齐，则将产生符号间干扰（inter symbol interference，ISI）和子载波间干扰（inter carrier interference，ICI），所以必须对上述两种发射定时做定时对齐处理，定时对齐示意图如图2所示，相应地，DgNB 上行接收定时随着IAB 上行发射定时向右调整。

对于SRx，如果IAB 上行接收定时与IAB 下行接收定时没有对齐，即OFDM 符号没有对齐，则将产生ISI 和ICI，所以必须采用如图2 所示对上述两种接收定时做定时对齐处理，相应地，UE 上行发射定时随着IAB 上行接收定时向右调整。

图2 定时对齐示意图

1.3 保护频带

NR 的基带调制方式仍然为OFDM 调制，所以必须保持子载波正交性，虽然带内回程的AL 和BL 共用重叠的频率资源，但这不意味着AL 和BL必须使用相同的子载波间隔（subcarrier spacing，SCS）。为满足AL 和BL 的不同业务调度需求，AL 和BL 将具有不同帧结构形式，而帧结构的设计非常依赖SCS 的选择，所以需要考虑AL 和BL具有不同SCS 的情况，这里分别称为SCS_AL 和SCS_BL。但在同一个OFDM 符号内同时具有SCS_AL 和SCS_BL，这将在SCS_AL 和SCS_BL邻近的频率资源之间产生不同子载波间隔的共存干扰。值得注意的是，共存干扰和常规的ICI 有本质区别，ICI 主要是子载波正交性遭到破坏，所以使用克服ICI 的方法无法解决共存干扰[13-15]。

本文针对功率谱密度（power spectral density，PSD）研究SCS 共存干扰。不同子载波间隔的共存干扰如图3 所示，15 kHz 和60 kHz 共存时，60 kHz对15 kHz 产生更严重的共存干扰。

图3 不同子载波间隔的共存干扰

从图3 PSD 结果来看，共存干扰的程度和子载波间隔之间的大小差异有密切关系，并且观察到受干扰的子载波位置仅位于邻近的若干个子载波，这样的现象对设计降低共存干扰的方案提供了有力的依据。在NR 系统中业务调度的最小单位是资源块（resource block，RB），每个资源块包含12 个子载波。也就是说，为克服共存干扰需要将整个RB 作为保护频带，例如邻近RB 不调度业务数据，但是当子载波间隔较大时，RB 所占的频带较宽，整个RB 作为保护频带将会浪费较多的频率资源[16]。因此，提出一种改进的方案：一方面使用较小子载波间隔对应的频带资源作为保护频带，一方面使用更小的颗粒度自适应地调整若干个子载波作为保护频带，以此保证频谱效率。具体地，SCS_AL 为15 kHz，对应1 个RB_AL 带宽为180 kHz；SCS_BL 为60 kHz，对应1 个RB_BL带宽为720 kHz，采用RB_AL 作为保护频带可降低75%的保护频带，采用6 个子载波间隔为SCS_AL的子载波作为保护频带可降低87.5%的保护频带。

2 性能仿真与分析

如前所述，尽管eFDM、eSDM 方式可以减少端到端业务时延，但也要通过仿真验证eFDM、eSDM 相对于TDM 的性能是否存在较大差异，本文仿真假设见表1[17-20]。

表1 仿真假设

为了便于对比用户感知吞吐量（user perceived throughput，UPT），以如图4 所示的不同复用方式的下行UPT 性能曲线为基准，把90% UPT统计在表2 中，不同复用方式的下行UPT 性能对比见表2，并以实例1 全下行（full downlink，Full DL）资源的性能作为基线。可以看出实例2 在下行资源与上行资源比例调整为8:2 条件下，实例2 UPT 降低为实例1 UPT 的80%左右，符合仿真预期，验证了仿真平台准确性。实例3 UPT 比实例2 UPT 有所下降，这是因为eFDM 自适应地把部分频率资源调整为上行传输。实例4 UPT 比实例3 UPT 有明显上升是因为空域的资源复用增益，但由于存在同时同频传输时的波束间干扰，所以实例4 UPT 相对实例2 UPT 有少量上升。总体来看，在保持UPT 没有严重下降的情况下，eFDM、eSDM 可以作为一种AL 和BL 资源复用方案，并且由于eFDM、eSDM 可以执行同发/同收操作，相比于TDM 而言降低了端到端业务时延。

图4 不同复用方式的下行UPT 性能曲线

表2 不同复用方式的下行UPT 性能对比

3 结束语

本文首先分析了无线接入和无线回程一体化设计需求，识别出TDM 可以避免自干扰、但增加了业务时延这一问题，并详细研究了一系列增强技术方案，如自适应地调整邻近频率资源的保护频带以降低不同子载波间隔引起的共存干扰，如eFDM、eSDM，以达到既避免IAB 收发自干扰、又降低端到端业务时延的目的。从标准演进角度看，一体化增强技术研究需求避免了引入新节点类型而使得标准制定更加烦琐重复，也将进一步加快标准发布，实现新一代通信标准。同样，一体化增强技术研究需求也将降低产业对新节点类型的开发要求，使得网络更加高效环保。另一方面，本文主要集中在固定的节点类型，然而对于公共交通场景（如高铁、汽车、航空、海航等）、临时部署场景（如大型集会、运动赛事、紧急救援等），这些场景中的节点共性是移动，这将对无线回程的可靠性以及无线接入的群移动研究提出更高的要求。对于移动的节点类型研究可以从本文获得一些参考，从而更好地解决移动节点的引入带来的新的技术问题，可以预见未来的无线移动通信网络将会是一个更加灵活便捷的网络。