LTE与NR动态频谱共享关键技术与性能*

梁健生，王月珍，陈晓冬

（中国电信股份有限公司研究院，广东 广州，510630）

0 引言

随着5G 技术的发展，世界各国纷纷发放了5G 运营牌照并分配5G 使用的频段。由于之前的移动通信系统占用了较多的低频段频率资源，在5G 时代运营商难以获取低频段大带宽的优质频谱资源。在低频段部署5G 网络可以提升单站覆盖能力，对节省设备投资和运营成本、提升网络覆盖质量等具有重要意义。

目前有很多移动网络运营商在较低频段部署了LTE 网络，如何在不影响存量LTE 用户的情况下对该频段进行重耕，充分利用已有频段部署5G 网络成为运营商迫切需要解决的问题。本文在对LTE/NR 动态频谱共享关键技术研究和性能分析的基础上，进行了实验室性能测试分析，以期评估动态频谱共享技术应用和网络部署的可行性。

1 动态频谱共享标准化情况

3GPP 标准组织从2016 年开始制定了一系列支持LTE/NR 动态频谱共享的相关功能标准。R15 阶段主要制定了20 MHz 带宽LTE/NR 动态频谱共享时NR 开销信道配置策略、LTE/NR 控制信道资源共享策略、NR业务信道速率匹配等基本功能；R16 阶段对动态频谱共享功能做了增强，增加了对n1 频段NR 更大带宽的支持、大带宽NR 下支持多LTE 载波速率匹配、Type B PDSCH 增强等。

1.1 3GPP R15协议制定情况

（1）Additional DMRS 避让LTE 的CRS

为了避免NR 的additional DMRS（默认配置在符号11）与LTE 的CRS 的干扰，开展共享的时候，基站需要把NR additional DMRS 从符号11 挪到符号12。

（2）NR 15 kHz SCS 时，NR PDSCH 对LTE CRS进行RE 级速率匹配（Ratematching）

为了避免LTE 的CRS 对于NR 的PDSCH 的干扰，NR基站和终端需支持在非LTE CRS 位置映射业务数据的速率匹配，该功能在38.331 →IE：RateMatchPatternLTE-CRS 所定义。

（3）与LTE FDD 动态频谱共享，NR 上行可设置7.5 kHz 频移

LTE 上行生成SC-OFDM 符号固定偏移7.5 kHz，而NR 无偏移。为了便于基站调度，需要NR 终端支持上行频率主动偏移7.5 kHz，该功能在38.331 →FrequencyInf oUL →frequencyShift7p5 kHz 所定义。

（4）对LTE CRS 速率匹配信元定义

3GPP R15 协议中定义了用于UE 终端上报支持LTE CRS速率匹配能力的信元rateMatchingLTE-CRS。对于支持RE Level 速率匹配的UE，NR 小区在LTE CRS 位置不映射数据，并通过RRCReconfiguration 消息lte-CRS-ToMatchAround 信元通知NR UE 在LTE CRS 位置做速率匹配。

1.2 3GPP R16协议制定情况

（1）n1 频段NR 大带宽支持

如表1 所示，在3GPP R15 中，对n1 频段只支持20 MHz及以下的带宽，最新3GPP R16 的协议中，要求网络及终端支持n1 频段50 MHz 及以下的所有带宽：

表1 NR n1频段支持的频段带宽及子载波带宽

（2）PDSCH TypeB 增强

R15 的PDSCH 的Type B 仅支持2、4、7符号，R16 增强支持Type B PDSCH 符号数从2 到13。

（3）NR 支持对于多个LTE 载波的CRS 速率匹配

R16 支持一个较大带宽NR 下可以与多个LTE 载波进行频谱共享，支持对多个LTE 载波的CRS 速率匹配。

2 上行动态频谱共享

2.1 上行动态频谱共享方案

LTE 与NR 在上行链路需要发送的PUSCH、PUCCH、PRACH、DMRS和SRS，LTE 与NR 频谱共享时需避免两个系统间的信道相互冲突干扰问题。

LTE 与NR 在上行链路信道配置如图1 所示，LTE/NR PUCCH、PUSCH、DMRS 采用频分配置，PRACH、SRS 采用TDM 模式调度。

图1 LTE/NR上行共享信道配置

2.2 DSS上行动态频谱共享方案对上行容量影响

（1）NR 对LTE 影响

NR 与LTE 动态频谱共享时，LTE 通过时频隔离的方式需避让NR 开销信道。LTE 每10 ms 周期需避让NR的6 个RB PRACH，NR 对LTE 容量影响：

(6/100)×(1/10)=0.6%

LTE 需要在NR 的SRS 发送子帧的最后一个符号不发送PUSCH，NR 的SRS 以20 ms 为周期在0、1、5、6子帧发送SRS，NR SRS 对LTE 容量影响：

(1/14)×(4/20)=1.4%

所以，LTE 的上行容量损失约为：

0.6%+1.4%=2%

（2）LTE 对NR 影响

FDD LTE 上行一般不配置SRS，只需配置PUCCH和PRACH 开销信道，PUCCH 可配置2、4、6 个RB 的情况，下面以配置2 个RB 的PUCCH 进行计算。

NR 需避让LTE 10 ms 为周期的6 个RB PRACH，NR容量损失：

(6/106)×(1/10)=0.57%

NR需避让LTE 1 ms周期的2个RB PUCCH，NR容量损失：

2/106=1.9%

所以，NR 的上行总容量损失约为：

0.57%+1.89%=2.46%

3 下行动态频谱共享

3.1 开销信道频谱共享方案

NR 主要下行开销信道主要包括周期性SSB、RMSI、SIBx、Paging 信息和非周期性MSG2/4 信息。开销信道面向全体5G 终端，可能存在部分终端尚未与网络进行能力协商，最初接入时按纯NR 网络的方式读取相关开销信息。因此开销信息的格式配置需与纯NR 网络保持一致，不能在开销信道实现Ratematching 功能。在这种情况下直接配置SSB、RMSI 等开销信道，会与LTE PDCCH、CRS 等产生冲突。根据R15 标准制定情况，可以有两种方案可实现LTE/NR 下行开销信道的频谱共享。

方案一：MBSFN 子帧配置方案

图2 为周期10 ms 发一次MBSFN 的子帧配置，LTE通过SIB2 广播配置的MBSFN 子帧集合。在所配置的MBSFN 子帧中，每个子帧前面1～3 个符号用于传输LTE PDCCH 数据，MBSFN 子帧后面剩余的资源可用于NR SSB、RMSI、SIBx、Paging 等周期性信息传输。对于非周期性MSG2/4 信息，如果位置上与LTE-CRS 产生重叠，采用对重叠位置上的NR 或LTE-CRS 打孔的方式发送。

图2 周期为10 ms发一次MBSFN的子帧配置

方案二：LTE Normal 配置方案

图3 为LTE Normal 子帧配置方案，该方案直接在LTE Normal 子帧上配置NR 开销信道，SSB 需连续占用20RB资源4 个符号，RMSI 需连续占用24 个RB资源。LTE Normal 子帧配置NR SSB、RMSI 时，LTE 的PDCCH 以及CRS 可能会与NR SSB、RMSI 位置有重叠，产生冲突。

图3 LTE Normal子帧配置方案

对于与LTE PDCCH 冲突，由于SSB和RMSI 在时域上可以从所在子帧符号2 作为起始位置，因此在这种配置下LTE CFI 设置小于等于2 就可以避免与SSB和RMSI 的冲突。对于SSB和RMSI 与LTE CRS 位置重叠冲突，可对重叠位置RE 对应的NR 或LTE-CRS 进行打孔避免两者之间的冲突。

对于NR 其他开销信道，也可同样采用对重叠位置RE 对应的NR 或LTE-CRS 打孔的方式进行发送。

MBSFN 方案所配置M 子帧不能用于LTE 业务信道，Normal 子帧方案会影响LTE-CRS 测量的准确性，一般情况下倾向于采用MBSFN 方案。

3.2 PDCCH与PDSCH的频谱共享

NR PDSCH 有两种类型：Type A和Type B，两种格式的PDSCH 要求如表2 所示：

DSS 传输NR Type A PDSCH 数据时，其起始符号位置最迟为符号3，在不使用跨时隙调度的情况下，NR PDCCH 与LTE PDCCH 共享每个时隙的前3 个符号，LTE与NR 的一个信道配置用例示意如图4 所示。

图4 基于Rate matching的共享

根据协议要求，LTE 不可以使用配置了NR PDCCH所在PRB 的PDSCH 传输数据，但NR 可使用整个频段的PDSCH 传输数据。

DSS传输NR Type B PDSCH数据时，R15 时Type B 的PDSCH 长度可以是2、4、7 个符号，R16 时Type B的PDSCH 长度增加了9和10 个符号的支持。TypeB 格式PDSCH 的起始符号可以从符号0 到符号12，在NR 同时隙调度TypeB PDSCH 时，PDCCH 可根据资源调度情况放置在调度时隙较后的符号。图5 为LTE 与TypeB PDSCH动态频谱共享信道配置的一个实例。

图5 基于Type B PDSCH的共享

R15 TypeB PDSCH 共享时支持最长符号为7 符号，会出现部分符号空闲无法使用，造成资源浪费，R16 TypeB PDSCH 可灵活支持2 到13 个符号，可以充分利用PDSCH 资源，提高频谱使用效率。

3.3 下行动态频谱共享方案对下行容量影响分析

（1）NR 开销对LTE 的影响

NR 下行主要配置开销信道包括：周期20 ms 的SSB和RMSI，周期10 ms 的MSG2/4周期320 ms 的Paging以及周期640 ms 的SIBx。采用MBSFN 方案，大周期开销可与小周期开销共用MBSFN 子帧。在NR 空载情况下，NR 控制信道对LTE 容量影响理论计算如表3。

表3 NR控制信道对LTE容量影响理论计算

MSG2/4 可周期配置或按需配置，在空载时可不配置MSG2/4 时，对于采用MBSFN 子帧方案，NR 开销信道对LTE 容量影响为10%；对于采用 LTE Normal 子帧方案，NR 开销信道对LTE 容量影响为2.5%。

（2）LTE 开销对NR 的影响

LTE 系统正常工作时需发送必要的控制信道和开销信息，主要包括PSS/SSS/PBCH、PDCCH、PCFICH、PHICH、CRS、SIBx等。

PSS/SSS/PBCH 占据中间72 个子载波5 ms 周期发送，PDCCH 每个TTI 占据1 或2 个符号，CRS 全频带发送，2Tx时在每个PRB 的符号3～13 占据12 个RE，4Tx 时在每个PRB符号3～13 占据16 个RE，SIBx 以不同周期和占用不同的RB进行发送，不同的LTE 信道/信号对NR 影响理论计算如表4。

表4 LTE信道/信号对NR影响理论计算

LTE 不同配置下对NR 容量影响不同，在不同配置下LTE 开销对NR 容量影响如表5。

表5 LTE开销对NR容量影响

以上为按某个配置的理论计算情况，实际上LTE 不同的资源配置方式对NR 容量是不同的。

4 动态频谱共享实验室测试验证

4.1 测试网络环境

实验室测试验证拓扑图如图6，单站峰值性能测试只配置1 个服务小区，组网性能测试配置2 个小区，其中1个小区作为服务小区，另1 个小区作为干扰小区。小区根据测试需求可配置为LTE、DSS 或NR 小区。

图6 测试网络拓扑图

4.2 单站峰值性能验证

（1）实验室采用TM4 模式终端进行测试，DSS 开启时NR 开销对LTE 性能影响测试结果如表6：

表6 NR开销对LTE性能影响

（2）DSS 开启时LTE 开销对NR 性能影响测试结果如表7：

表7 LTE开销对NR性能影响

单站峰值性能测试，DSS 的开启相当于在一个频段内发送两个系统的开销信息，单站峰值测试显示开启DSS 时开销信息对系统影响与理论分析基本一致。

4.3 组网性能验证

实验室配置两个DSS 小区，其中一个小区为服务小区，另一个小区为干扰小区，两小区网组情况下服务小区近、中、远点信号及干扰，测试DSS 的组网性能测试结果如表8。

表8 DSS组网性能

测试结果显示在近点干扰较弱时NR 速率平均下降约14%，基本接近开销影响；中远点服务小区信号变弱，干扰信号变强，此时中点NR 性能平均下降约57%，远点平均平能下降约82%。以服务小区与干扰小区RSRP 信干比为横轴，NR 性能下降比例为纵轴做曲线拟合。与纯NR 组网相比较，DSS 在信干比越低时，NR 性能下降比例越大，信干比为0时下降约70%，信干比为20 时下降约40%，基本上在中远点的位置上NR 性能下降幅度远远大于LTE 开销比例。

固定干扰小区负荷为25%，测试出在不同的点位下小区性能下降的比例如表9：

表9 干扰小区负荷为25%时的NR性能下降

根据信干比C/I 与对应小区性能下降比例，在Excel表做曲线拟合可获得服务小区与干扰小区RSRP 信干比与DSS-NR 性能下降关系曲线如图7。

图7 服务小区与干扰小区RSRP信干比与DSS-NR性能下降关系

实验室组网测试只在两个相邻小区间进行，无线环境较为简单。现网实际情况是由多个小区组网而成，无线环境比实验室环境复杂的多，DSS 受到的影响可能更大。

5 结束语

动态频谱共享技术实现了在同一个频段内同时部署LTE 与NR 网络。在没有干扰的单站峰值性能测试，系统受DSS 开销影响与理论分析基本一致。在实验室两小区组网情况下，DSS 服务小区受到邻小区干扰，DSS-NR性能与纯NR 组网性能比较，其下降幅度远大于开销影响，20 MHz DSS 组网NR 性能远差于20 MHz 纯NR 组网性能。DSS 技术虽然能在维持现有LTE 网络的情况下利用4G 频段部署5G 网络，但在实际网络部署中不可忽视邻区干扰对DSS-NR 性能的影响，应深入研究寻求减轻邻区干扰的方法，慎重部署20 MHz DSS 网络。