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LTE与5G NR系统频率将共存

2019-06-13  来源:人民邮电报  作者:张阳

无线频谱资源就像国家土地资源一样,属于不可再生的稀缺资源,一旦按照规定进行划分就很难再被轻易更改。对于任何移动通信系统而言,被划分的无线频谱价值远远贵于黄金,这是由于其不仅决定着组网的难易程度,而且直接左右了资源和成本的投入规模。

目前,业界对5G NR明确了两个大的频率范围:一个是毫米波频段,其频率划分范围为24250MHz~52600MHz;另一个频率范围相对较低,频率划分范围主要为410MHz~7125MHz,业界通常称sub 6GHz频段。

由于毫米波频率较高,对设备能力以及组网要求较高,同时前期布网成本投入较大,因此,在5G NR部署的初级阶段,运营商主要将目光聚焦在sub 6GHz的使用上,而这一范围的频率在前期被广泛分配给了LTE系统进行使用,并且呈现了局部频谱“零散分片”的格局,很难直接满足5G NR单小区载波需要连续100MHz频率的需求。

尽管运营商可能通过逐步的规模性移频策略实现这一需求,但随着5G潜在用户的逐渐爆发,对于新的连续载波资源需求也势必会逐渐纳入议事日程。随着纯净可用的载波频率资源日益枯竭,LTE与NR系统的频率共存问题需要提前进行分析和规划。

同时,由于5G的载波频率一般被分配在较高频段,在实际组网运维过程中往往可能出现上行覆盖受限的场景,一种解决方案会通过复用较低频率实现上行覆盖的增强,这种场景称作上行补充传输(SUL)。在这种场景下,NR很有可能复用LTE的频率,这也是一种LTE和NR系统频率共存的典型场景。

LTE与NR系统频率共存从不同维度定义有很多种可能组合,例如LTE FDD与NR FDD、LTE FDD与NR TDD、LTE TDD与NR FDD或者LTE TDD与NR TDD等。另外,根据FDD制式上下行频率的不同,还可能存在二者之间上下行频率共存的更多场景。为了简化分析,更需要聚焦实际组网情况。

目前,我国三大运营商5G试验频率已明确,分别为:中国电信3400MHz~3500MHz(100MHz),中国移动2515MHz~2675MHz(160MHz)、4800MHz~4900MHz(100MHz),中国联通3500MHz~3600MHz(100MHz)。未来,主要可能出现LTE与NR系统频谱共存的频段范围为Band 41(2496MHz~2690MHz),即TD-LTE与NR TDD制式共存。运营商之间的交叠频率可以通过政策协调干预进行清频或移频处理,而运营商内部分配频率在一定时间阶段以及一些特定地理区域内可能存在LTE与NR复用共享的情况。另外,跨通信技术制式的频率共享则可能出现在将较低频率的LTE FDD上行载波,例如Band3 1710MHz~1785MHz上行频段,配置为NR的SUL以提升NR上行覆盖能力。

LTE与NR频率共存产生的最大问题就是同频干扰,但是,如果将LTE与NR的时频资源按照统一调度分配机制进行资源复用,不仅能够有效解决干扰问题,同时也会带来频率复用的增益。LTE和NR时频资源统一复用调度机制本质上并不区分5G是NSA组网方式还是SA组网方式,尽管两者可能在资源配置的信令流程方面存在一定差异。

LTE协议在设计初期并没有考虑到与未来NR的前向兼容,因此需要NR在协议设计时充分考虑到与LTE融合,具体包含如下原则:可以自适应地快速调整NR带宽,调整带宽的时延要求至少达到LTE的载波聚合水平;NR在上行传输时需要避免与LTE上行子帧中传输SRS信号的OFDM符号碰撞;NR在设计时需要避免与LTE载波中MBSFN(多播)子帧中控制区域的碰撞,但可以占用MBSFN子帧中不使用的资源进行下行传输;TDD模式下的LTE与NR不仅在频带内共存时需要考虑上下行转换点对齐,邻带共存时也需要考虑上下行转换点对齐,以避免邻频泄露导致的上下行串扰,由于LTE先于NR固化了标准,NR需要在子帧对齐时考虑后向兼容并支持LTE TDD中UL-DL配置类型0、1、2、3、4、5以及所有特殊子帧类型配置;在LTE-NR频谱共存的情况下,对于NR UE的要求也比较明确,UE不必同时支持LTE与NR双连接,也不一定非要支持LTE,这意味着UE可以只支持NR SA模式甚至不包含LTE射频模组,此种情况NR UE仅仅“听命”于NR基站进行资源调度;为了解决NR高频段传输中上行覆盖受限的情况,LTE与NR可以共享较低频段LTE FDD的上行频率,SA或NSA模式下都可以采取这样的配置,当采取NSA模式时,低频 LTE FDD下行频率可以被配置为锚点频率,而上行共享频率可以被配置为NR的上行补充频率,值得注意的是,上行补充频率与上行载波聚合不同的特点在于上行补充频率不与被补充的(原)上行频率同时进行传输,UE的初始接入既可以在原上行频率接入,也可以在SUL频率接入。

为了实现LTE与NR在频率共存情况下的资源动态分配,统一的设备逻辑框架以及调度机制需要在网络侧进行部署。LTE与NR的资源动态分配可以继承或借鉴LTE中载波聚合的设计理念,将频域资源以FDD或者TDD的方式动态有机地分配给LTE或NR独立使用。采取频分的方式需要为LTE和NR分别划分正交频域资源,同时二者之间预留保护频带。

另外,二者系统带宽的改变需要通过高层信令以半静态的方式进行改变。一般认为,以FDD的方式实现LTE与NR的资源划分不仅在频谱效率上有所降低,对于资源调度实时性方面的效率也不高。而以时分的方式复用资源,需要对NR系统的参数配置以及资源调度机制提出更高的要求,例如可以配置更小时间调度颗粒度的“迷你时隙”以提升资源调度的耦合程度。同时,可以结合时隙内部符号资源动态配置,实现LTE与NR共享频域资源在时域上的无缝复用。在3GPP R12之后的版本也引入了关于TD-LTE系统的动态子帧配置机制(eIMTA),eIMTA可以通过PDCCH控制消息动态将已配置的上行子帧的一部分和特殊子帧转换为下行子帧,这一升级特性也有助于LTE与NR的资源复用机制更加灵活。

关键词:NR 频率复用 资源复用 LTE-NR PDCCH 5G