4G/5G上行动态频谱共享算法验证与测试*

窦中兆，冯穗力

（华南理工大学电子与信息学院，广东 广州 510640）

0 引言

随着近年来各种无线通信技术的快速发展，以及用户对无线接入速率的需求日益提高，无线频谱资源的短缺问题日益突出。现有移动通信网络多种技术共存，旧的制式尚未完全退出历史舞台，新的5G时代业已到来。据国际电联的预测，5G的频谱需求超过10 GHz，将带来巨大的频率缺口。传统的固定频谱分配管理方式导致了频谱占用率严重不均衡，某些热点频率处于超负荷使用状态，而大部分频率却未能获得充分利用。因此，从有效利用频谱的角度出发，基于动态频谱共享的分配机制成为提高频谱利用率和解决无线频谱瓶颈问题的关键。

5G网络在中频C波段的上下行覆盖不平衡，上行覆盖能力受限，根据文献[1-2]，以3.5 GHz频段为例，上下行覆盖存在8～10 dB的差异。为了弥补5G上行覆盖不足的问题，3GPP R15版本提出补充上行（Supplemental Uplink，SUL）技术[3]。在5G技术支持上下行解耦的情况下，根据补充上行和动态频谱共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）技术，下行可以采用中频频段（例如3.3 GHz—3.5 GHz），而上行在近点采用C波段的中频频段，远点可以采用低频频段（例如700 MHz、900 MHz、1.8 GHz、2.1 GHz等），利用低频段的较低传播损耗特性，解决上行覆盖不足问题，如图1所示。

图1 5G上行增强技术（SUL+DSS）

在5G演进初期，补充上行对应的低频频率仍然被2G/3G/4G现有系统占用，为保护存量站点投资和确保网络平滑演进，5G网络在初期快速部署时需充分考虑与现有系统的上行频谱共享。2020年4月间，利用国外某运营商组建的试验网络，验证和分析了4G/5G上行动态频谱共享最新测试成果。

1 试验网环境及网络参数描述

国外某运营商频率包括3.3 GHz—3.5 GHz频段140 MHz用于5G，2 100 MHz频段2×15 MHz用于FDD-LTE。为验证5G与LTE的上行补充与频谱动态共享的效果，组建试验网开展相关参数设置研究。

试验网选取市区典型场景约4 km2的区域为测试区域，其中包括16个基站，基站的分布如图2的a）所示。全部基站按照4G和5G物理共站配置，试验网站点参数配置如表1所示，试验站点平均站间距420 m，平均高度43 m，4G采用16端口多频多极化天线（三频：700 MHz、2.1 GHz和2.6 GHz），5G采用64T64R有源天线（Active Antenna Unit，AAU）。根据5G链路预算，5G在3.3 GHz～3.5 GHz的上行站间距为220 m左右，下行站间距为430 m左右，上行覆盖受限区域在220 m-430 m之间。为了验证远点区域的SUL和DSS效果，每个基站在远点区域固定选取3或4个测试点，每个测试点距离基站在250 m-400 m之间，如图2的b）所示，红色点为测试点位置，共选取60个固定测试点。

图2 测试区域基站及测试点分布

表1 试验网站点参数配置

4G/5G试验网与动态频谱共享有关的主要测试目标如下：

1）测试4G/5G上行动态频谱共享算法对于5G上行速率的提升效果；

2）4G/5G上行动态频谱共享特性开启后，对4G现有网络性能指标KPI的影响程度；

3）4G/5G上行动态频谱共享特性开启后，对网络上行IoT（Interference over Thermal，干扰噪声）的上升影响程度。

现网数据业务特点如图3所示，不同的移动宽带业务上下行数据业务不均衡。统计该运营商一个月为周期的4G网络上下行负荷表明，上行负荷在5%～30%之间，上行频谱的利用率偏低，为上行频谱共享提供了可能的空闲频谱资源。

图3 现网数据业务特点

上行频谱动态分配方案如图4所示，在测试区域的16个站点全部开启上行动态频谱共享功能，将4G的上行15 MHz设置为4G与5G的动态频谱共享频率，4G与5G采用基于业务比例公平的策略调度PRB资源[2]。

图4 4G/5G上行频谱动态分配方案

4G和5G在通过频分方式实现共用载波资源时，分为5G（NR）独享的固定预留PRB资源和4G/5G（LNR）共享的PRB资源两个部分，如图5所示，其中5G的PUCCH为固定预留PRB资源。共享的PRB资源部分，基于LTE和NR的业务量通过基于业务的比例公平调度的方式，在时域维度进行频谱资源的动态共享，例如PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行控制信道）、PRACH（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）、PUSCH（Physical Uplink Shared Channel，物理上行共享信道），均基于业务需求动态共享频谱资源。非PRACH子帧上的PRACH资源可以给相应制式的PUSCH动态使用。图5中带内/带外指LTE有效带宽内/外，例如20 MHz对应有效带宽为18 MHz，其余2 MHz为带外。

图5 4G/5G共享PRB资源分配原则

为保证LTE侧和NR侧的基本业务，要求如下：

1）LTE PUCCH占用PRB数≥4，LTE PRACH占用RB数固定为6。即LTE至少占用的PRB数为10个。

2）NR PUCCH占用PRB数=4（15 MHz带宽中PUCCH占用的带内PRB数要求），NR PRACH占用的PRB数固定为6。即：NR在15 MHz带宽时，至少占用的带内RB数为10个。

3）剩余的PRB资源供LTE和NR的PUSCH根据业务需求按照比例公平调度策略动态使用。

其中：总PRB个数表示带内PRB个数，如：15 MHz带宽下总PRB数为75。根据上述情况，实际上行频谱分配NR比例与配置的上行频谱分配NR比例的对应关系如表2所示，初始化LTE和NR频谱资源时按配置的上行频谱分配NR比例进行分配。当配置给NR的PRB数＜10时，NR实际分配到的PRB数为10个；当配置给NR的PRB数介于10～65时，NR实际分配到的PRB数与配置值相同；当配置给NR的PRB数＞65时，由于LTE至少占用10个PRB，因此NR实际分配到的PRB数为65个。

表2 实际上行频谱分配NR比例与配置的上行频谱分配NR比例对应关系

2 上行动态频谱共享技术测试与分析

2.1 SUL和DSS技术的近点与远点场强分割点测试

在测试区域开启上行动态频谱共享（SUL+DSS）功能后，即4G和5G动态共享FDD LTE 2.1 GHz频段的上行15 MHz频率，选取60个固定位置进行点测，记录相应场强数据及5G上行数据速率（标记为SUL上行速率）；关闭上行动态频谱共享（SUL+DSS）功能，5G采用3.3 GHz频段的100 MHz作为TDD频率，按照7:3的上下行时隙配比，选取相同的60个固定位置进行点测，记录相应场强数据及5G上行数据速率。4G/5G上行动态频谱共享开启前后，实测的上行性能对比如图6所示。图6中，SUL上行速率，表示在开启动态频谱共享情况下，4G/5G动态共享2.1 GHz上行15 MHz频谱时的上行速率；5G TDD上行速率，表示在关闭动态频谱共享情况下，5G使用3.3 GHz频段的100 MHz频谱（上下行时隙配比7:3）时的上行速率。

如图6所示，测试点场强取值在[-121 dBm,-75 dBm]之间，可得出以下结论：

图6 4G/5G上行动态频谱共享开启前后上行性能对比

1）当RSRP为-108 dBm时，开启动态频谱共享的SUL上行速率与关闭动态频谱共享的5G TDD上行速率相比出现临界点，当RSRP＞-108 dBm时，SUL上行速率将低于5G TDD上行速率。

2）RSRP越小，动态频谱支持的SUL相对5G TDD的上行速率增益越大，最远点上行速率从0.45 Mbps提升到3.21 Mbps；远点弱覆盖区域的上行速率性能提高比例在200%～700%之间。

3）将用户的上行速率目标值设定为5 Mbps，则上行覆盖能力由5G TDD模式的-112 dBm（对应5 Mbps上行速率目标值），提升到SUL频谱共享模式下的-118 dBm（对应5 Mbps的上行速率目标值），SUL提升约7 dB的上行覆盖能力。

试验表明SUL采用上下行解耦后，远点弱覆盖区域利用LTE的共享频段，改善了上行覆盖能力7 dB，同时大大改善了远点弱覆盖区域的上行速率性能（200%～700%）。

2.2 三种不同策略下远点弱覆盖区的上行频率增益对比测试

对比验证三种不同频谱使用策略情况下远点弱覆盖区的上行频率增益：

1）关闭SUL及频谱共享，即2.1 GHz的15 MHz上行频谱只供LTE网络使用，不开启4G/5G频谱共享；

2）开启SUL+静态频谱共享，即2.1 GHz的10 MHz上行频谱固定分配给5G使用，剩余5 MHz上行频谱固定分配给LTE使用；

3）开启SUL+动态频谱共享，即4G和5G动态共享FDD LTE 2.1 GHz频段的上行15 MHz频率。

为验证SUL及动态频谱共享对于上行速率的改善情况，选取远点弱覆盖区域（低于-108 dBm）45个测试点进行定点测试。动态频谱共享开启前后的5G上行速率测试结果如图7所示。采用SUL和动态频率共享的上行数据速率最高，用户上行平均数据速率为6.05 Mbps，开启SUL和静态频率共享后上行平均数据速率为5.15 Mbps，关闭SUL和频率共享的上行平均数据速率为2.44 Mbps。开启SUL和动态频率共享，可最大获得平均2.43倍的上行速率增益。

图7 动态频谱共享开启前后5G上行速率对比

2.3 开启SUL和DSS功能后对现有4G网络KPI的影响分析

鉴于该国外运营商的LTE网络已经存在试商用用户，2020年4月间，取测试基站的一周每天特定时段的现网上行PRB负荷进行平均作为基准对比数据；考虑到该运营商5G尚未商用，对5G网络进行大量点测获取连续七天的数据确实存在实施难度，所以在测试SUL和频谱共享开启场景的数据时，只取测试当天凌晨0:00到7:00的测试数据。频谱共享开启前后上行PRB负荷的变化曲线如图8所示。由图8可知，开启频谱共享后，上行PRB利用率大大提高，平均上行PRB负荷在关闭频谱共享情况下为10.35%，通过静态频谱共享，提升上行PRB利用率到22.88%，通过动态频谱共享进一步提升上行PRB利用率到33.68%。图中绿色斜线阴影面积部分，对应在静态频谱共享基础上，通过动态频谱共享带来的PRB利用率增益。

图8 动态频谱共享开启前后上行PRB负荷变化对比

通过对网络后台话务统计数据的监测，动态频谱共享开启前后对4G网络上行干扰电平IoT的影响如图9所示，动态频谱共享开启后，SUL对应的小区的忙时上行IoT抬升4～8 dB。

图9 动态频谱共享开启前后对网络上行IoT的影响

对比动态频谱共享开启和关闭前后测试4G基站的KPI性能，如表3所示，动态频谱共享开启后上行PRB利用率提升明显，符合预期。动态频谱共享开启和关闭前后，4G网络的KPI性能基本持平，动态频谱共享功能开启后并未对4G网络现有用户的感知及4G网络性能产生明显的不利影响。

表3 动态频谱共享开启和关闭前后测试4G基站的KPI性能变化

3 结束语

本文重点讨论了4G与5G的上行频谱动态共享策略，组建4G/5G试验网验证了上行动态频谱共享的最新测试成果。本文用于试验的3.3 GHz～3.5 GHz以及2.1 GHz相应频段，与国内中国电信的5G可用频段重合，相应结论可以为中国电信的5G网络部署提供参考。试验表明：

1）SUL技术采用上下行解耦后，远点弱覆盖区域利用LTE的共享频段，改善了上行覆盖能力7 dB，同时大大改善了远点弱覆盖区域的上行速率性能（200%～700%）。

2）开启SUL和动态频率共享，在远点弱覆盖区可最大获得2.43倍的上行速率增益。

3）试验证明通过动态频谱共享能带来PRB利用率增益。平均上行PRB负荷在关闭频谱共享情况下为10.35%，通过动态频谱共享进一步提升上行PRB利用率到33.68%。

4）动态频谱共享开启后，SUL对应的小区的忙时上行IoT抬升4～8 dB，但动态频谱共享功能开启后并未对4G网络现有用户的感知及4G网络性能产生明显的不利影响。

限于局方规定的时间限制，本文对于4G基站的KPI性能验证是在4G闲时状态（0:00～07:00 AM）下的验证对比，具有一定的局限性。此外，目前测试4G/5G动态频谱共享分配基于业务的比例公平调度，未来可对区分4G、5G不同优先级的调度算法进行测试，研究不同调度算法下对应的动态频谱共享的上行速率增益。