技术与标准丨中频段5G系统间共存方案研究

作者简介

 刘 琪 

中国信息通信研究院无线电研究中心高级工程师，博士，长期从事频率规划、无线电管理政策、无线通信技术与应用等方面的研究工作。

 付有奇 

中国信息通信研究院无线电研究中心工程师，主要从事无线电管理政策、无线通信系统等方面的研究工作。

 伉沛川 

中国信息通信研究院无线电研究中心工程师，主要从事无线电频率规划、地面业务频率台站管理、电磁兼容分析等研究工作。

论文引用格式：

刘琪, 付有奇, 伉沛川. 中频段5G系统间共存方案研究[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):85-90.

∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.2020YFB1807603）资助

中频段5G系统间共存方案研究*

刘琪  付有奇  伉沛川

（中国信息通信研究院无线电研究中心，北京 100037）

摘要：随着5G行业应用的日益广泛，差异化的业务应用对5G网络提出不同的要求，同频段不同5G网络会出现交叉链路干扰，系统共存问题较为复杂。通过对比评估同步共存和非同步共存两类共存方案技术要求和特点，提出了中频段5G系统共存技术方案建议，为做好运营商5G网络共存、高效利用5G频谱资源提供参考。

关键词：中频段5G系统；交叉链路干扰；共存方案

中图分类号：TN929.5    文献标识码：A

引用格式：刘琪, 付有奇, 伉沛川. 中频段5G系统间共存方案研究[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):85-90.

doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.09.014

0  引言

以 5G 为代表的时分双工（Time-Division Duplex，TDD）移动通信网络具有易于调整上下行比例的优点，但也会出现交叉链路干扰（Cross-link Interference）^[1]。如不同运营商（主体）在同一区域邻频部署5G网络，如果相互之间没有同步及上下行时隙配比协调，就会出现同一时刻某家运营商的基站（终端）处于发射模式，而另一家运营商的基站（终端）处于接收模式的情况，由于发射机的带外辐射特性以及接收机邻道选择性的限制，可能造成接收机的底噪抬升甚至被阻塞，从而影响到接收机对有用信号的接收，导致严重互扰。

针对我国5G系统频率许可情况，中国电信和中国联通5G系统在3.5 GHz频段、中国移动和中国广电5G系统在4.9 GHz频段均存在邻频情况。考虑到我国5G网络处于建设初期，运营商采用共建共享方式部署网络，目前承载业务以下行为主，所以5G系统尚未出现严重的交叉链路干扰。但随着5G行业应用的日益广泛，局部区域以上行为主的业务需要调整系统帧结构^[2]，将导致5G网络共存问题较为复杂，需要对中频段5G系统的兼容性开展研究，制定相应技术方案。考虑到基站间交叉链路干扰最为严重，本文主要针对同频段5G基站间干扰开展共存研究。

1  5G系统共存方案

邻频5G系统共存方案主要有两类，一类是同步共存方案，即通过协商实现不同5G系统间的同步运行，即多个5G基站在同一时刻均为发射或均为接收的状态；另一类是非同步共存方案，即通过设置保护带、增加滤波器、空间隔离等措施减少干扰。两类方案各有优缺点，满足不同场景应用需求。

1.1  同步共存方案

同步共存方案是目前国内外主流的5G系统共存方案，早在4G时代我国就研究制定了相邻频带多家运营商部署TDD系统的共存实现方案^[3]。由于5G系统的帧结构配置较为灵活，同步共存方案有全同步和半同步两种。

1.1.1  全同步模式

该模式是指5G系统在物理层帧层面相位和时间的同步，该模式避免了任何基站—基站和终端—终端间的干扰，因此允许邻频网络的共存，而且无需保护带或增加滤波器。全同步模式简化了网络部署，不需要额外的干扰缓解措施。典型的全同步模式例子如图1所示：尽管帧结构略有不同，但收发不重叠，不会造成干扰。

图1  全同步模式示意图

全同步模式需要选择兼容性帧结构，主要包括上下行时隙、帧长等内容，相关参数决定了网络性能（例如时延、频谱效率、吞吐量和覆盖范围）。全同步模式还需要有共同的相位时钟参考和精度/性能约束，5G系统的时钟同步误差一般要求在（-1.5 ~ 1.5 μs）以内。
1.1.2  半同步模式半同步模式是指系统帧结构的部分时隙工作在全同步模式，其余部分时隙工作在非同步模式。该模式要求5G网络采用固定的帧结构，其中部分上下行时隙不做规定，所有基站在发射前实现帧同步。半同步模式允许不同网络对帧结构的部分时隙自定义上下行方向，由此带来一定灵活性，但在一定程度上会导致额外的干扰。半同步模式如图2所示。

图2  半同步模式示意图

1.2  非同步共存方案在非同步模式下，5G网络没有同步和兼容帧结构的要求。不同5G网络独立选择最合适的帧结构满足业务需求，但帧结构的灵活选择会导致共存干扰较为复杂。该模式主要通过增加隔离度减少系统间干扰，例如采用设置保护带、增加滤波器、空间隔离等措施。
2  5G系统共存技术要求及性能分析
2.1  同步共存方案的技术要求及性能分析2.1.1  帧结构是同步共存方案的关键同步共存方案降低了系统灵活性，运营商协调确定兼容性帧结构，无须预留保护带就可以实现邻频5G系统的共存。帧结构的选择决定了5G系统上下行速率、时延、覆盖等性能。根据3GPP标准^[4-5]，5G系统帧时长 10 ms，包含10个时长1 ms的子帧。每个帧分2个半帧，每个子帧14个符号，每个子帧的时隙、符号间隔等参数由系统参数集（Numerologies）确定。对于eMBB应用，3GPP建议中频段5G系统采用30 kHz子载波间隔，通过设置子帧中的符号传输方向实现上下行配置。常用的4种典型帧结构如下。
结构1：2.5 ms双周期帧结构，每5 ms中包含5个全下行时隙，3个全上行时隙和2个特殊时隙，特殊时隙根据需要进行调整，常用配置为10∶2∶2比例，帧结构如图3所示。

图3  2.5 ms双周期帧结构示意图

结构2：2.5 ms单周期帧结构，每2.5 ms中包含3个全下行时隙，1个全上行时隙和1个特殊时隙，特殊时隙根据需要进行调整，常用配置为10∶2∶2比例，帧结构如图4所示。

图4  2.5 ms单周期帧结构示意图

结构3：每2 ms中包含2个全下行时隙，1个全上行时隙和1个特殊时隙，特殊时隙根据需要进行调整，常用配置为10∶2∶2比例，帧结构如图5所示。

图5  结构3帧结构示意图

结构4：每2.5 ms中包含5个双向时隙，其中4个下行为主时隙和1个上行为主时隙，常用的上行为主时隙配比为1∶1∶12，下行为主时隙配比为12∶1∶1，帧结构如图6所示。

图6  结构4帧结构示意图

2.1.2  不同帧结构的系统性能分析（1）传输速率分析基于符号数目的4种不同帧结构下的容量和开销对比如表1所示，根据3GPP技术规范^[6]，利用公式（1）对系统上下行速率进行计算

表1  不同帧结构的容量和开销

对于中频段4T4R的100 MHz带宽5G系统，采用μs = 1的参数集，不同帧结构配置下的5G系统上下行峰值传输速率见表2。表2  5G系统上下行峰值传输速率

不同配置下的传输速率有明显差别，适用于不同业务场景，采用同步方案需要根据需求协调采用兼容帧结构。
（2）覆盖性能分析帧结构中特殊子帧内上下行转换保护间隔（GP）数量对覆盖有明显影响，选择不同GP数量会引起传输时延的变化，从而影响基站的最大覆盖距离。根据3GPP标准规范

其中，c是光速，T_[Rx-Tx,UE]是终端从下行接收到上行发射的转换时间，该值与输出功率的精确度有关，典型值是10~ 40 μs，假定取10 μs。对于中频段5G系统，采用μ = 1的参数集，特殊子帧中GP数量有所差异，基站最大覆盖距离如表3所示。
表3  不同帧结构的5G系统覆盖性能

结构1~3特殊子帧中GP数量都为2，单站最大覆盖距离不超过8.5 km。
2.1.3  半同步模式干扰分析半同步模式默认帧结构中的固定时隙不会产生干扰，灵活时隙传输方向不同会造成干扰，下行变上行和上行变下行产生的干扰有所不同。从基站间干扰看，下行变上行的5G基站不会干扰其他网络，但会受到其他网络的干扰。大多数情况下，由于终端通常是移动的，间歇性发射信号，终端间干扰可以忽略不计。而上行变下行的5G基站将干扰其他网络，但不会受到其他网络干扰。参考欧洲邮电管理委员会电子通信委员会（ECC）研究报告，半同步模式下室外微基站和室内小基站可以邻频共存，室外宏站不能共存，3GPP正在研究相关干扰消除算法。半同步模式要求5G系统间时钟同步误差在（-1.5~1.5 μs）以内。
2.2  非同步共存方案的技术要求非同步共存方案主要是引入各种缓解措施减少系统间干扰，常用的缓解措施包括预留保护带、加装滤波器、增加空间隔离、区分室内/外部署等。非同步方案的优势在于运营商可以根据应用场景灵活配置网络，但会降低频谱利用率或增加成本。需要对不同干扰缓解措施进行评估以满足干扰忍受的最低标准。目前，常用的干扰忍受准则有两种，一种是5G系统性能下降准则，ECC建议^[7]采用受扰系统上行平均速率下降5%作为评估准则，但对于5G的URLLC场景应用，评估准则会更加严格；另一类是常用的系统共存准则，一般采用干扰噪声比低于-6 dB作为评估准则^[8]。
2.2.1  预留保护带宽和滤波器措施参考ECC建议书，对于中频段采用非有源天线的5G系统，预留5 MHz保护带并加装滤波器可以解决非同步带来的干扰。由于有源天线的复杂性，目前还没有对其保护带宽和滤波器的技术研究。考虑到有源天线系统滤波器较为复杂，预留保护带宽会导致频谱效率下降，所以该措施在实际应用中效果并不理想。ECC报告提出基于现有滤波器技术，需要预留20 MHz带宽才能确保有效缓解有源天线5G系统的交叉链路干扰。
2.2.2  空间隔离措施根据干扰忍受的两类准则，通过仿真或理论计算可以确定非同步网络的隔离距离。根据ECC研究报告^[9]，3400 ~ 3800 MHz频段非同步模式在不预留保护带的情况下，5G宏蜂窝的同频最小间隔距离为60 km，邻频最小间隔距离为14 km。区分室内/外部署可以增加隔离度，非同步模式下邻频的室外宏站和优化部署（如安装在天花板或远离窗口）的室内小基站可以共存。
2.2.3  利用多种措施确保边界区域信号场强低于限值根据干扰忍受准则，基于传播模型，计算边界区域地面3 m处的干扰信号场强限值。5G网络必须采用降低发射功率、调整天线方向、优化网络部署等措施确保边界区域信号低于干扰限值。考虑到有源天线方向图的复杂性，利用传播模型计算边界区域干扰场强限值较为复杂。德国监管机构制定了3700 ~ 3800 MHz频段不同5G网络边界区域场强限制^[10]，要求边界区域地面3 m及以上高度的场强限值为-32dBμV/m/5MHz。
3  中频段5G系统共存技术方案建议
综合分析两类共存方案特点，考虑到非同步方案有预留保护带宽、加装滤波器以及空间隔离距离等限制条件，将导致5G系统频谱效率降低、使用范围有所限制、建网成本增加，目前国外优先选择同步共存方案实现邻频5G系统共存。对于我国中频段5G系统共存有以下建议。
一是邻频5G系统优先采用全同步共存方案。在综合考虑频谱效率、上下行速率和覆盖等因素基础上，建议运营商协调选取兼容的帧结构。尽管帧结构限制会降低5G系统灵活性并带来部分频谱效率的降低，但该方案简便易行，是优先推荐的共存方案。
二是在运营商无法达成全同步共存协议或邻频两个5G系统上下行比差异较大情况下，可以采用半同步共存方案和非同步共存方案，但系统间会产生交叉链路干扰，半同步共存方案干扰小于非同步共存方案。运营商仍需达成协调协议，明确边界场强限值，综合利用预留保护带、增加空间隔离、优化网络部署等多种干扰缓解措施确保5G网络的正常工作。
三是由监管机构制定5G网络的共存协议框架，指导相关运营商达成邻频5G系统共存方案。对于全同步方案明确相关技术参数（包括参考时钟、参考帧结构、同步技术）、部署区域；对于半同步方案还需要明确灵活子帧中下行时隙变为上行时隙的位置；对于非同步方案需要明确使用区域、隔离度要求、边界场强限值等指标。
4  结束语
针对同频段5G系统共存问题，本文分析了两类技术方案，综合考虑多个因素，全同步共存是较优的解决方案，半同步方案和非同步方案会造成一定干扰，需要引入干扰缓解措施。随着5G行业应用日益广泛，邻频5G共存问题将日渐突出，监管机构制定共存框架有利于指导运营商达成协议，实现频率资源的高效使用。
参考文献
[1] ECC. Practical guidance for TDD networks synchronization: electronic communication committee report 216[R], 2014.[2] 李宗林, 骆润, 蔡邦寿. 面向垂直行业的5G上行大带宽应用的规划及部署策略研究[J]. 电信工程技术与标准化, 2021,34(6):67-72.[3] 中国通信标准化协会. SR 162-2015相邻频带多家运营商部署TDD系统的共存实现方案[R], 2015.[4] 3GPP. TS 38. 201 NR; physical layer; general description[S], 2018.[5] 3GPP. TS 38. 104 Base Station(BS) radio transmission and reception[S], 2021.[6] 3GPP. TS 38. 306 NR; User Equipment(UE) radio access capabilities[S], 2020.[7] ECC. Analysis of the suitability of the regulatory technical conditions for 5G operation in the 3400 MHz~ 3800 MHz: electronic communication committee report 281[R], 2018.[8] ITU-R. Sharing studies between IMT-Advanced systems and geostationary satellite networks in the fixed-satellite service in the 3400 MHz ~ 4200 MHz and 4500 MHz ~4800 MHz frequency bands:M. 2109[R], 2019.[9] ECC. National synchronization regulatory framework options in 3400 MHz ~ 3800 MHz:electronic communication committee report 296[R], 2019.[10] 德国联邦网络管理局. 德国3700 MHz ~ 3800 MHz频段频率使用规则[S], 2019.
Research on the coexistence framework of different 5G systems in middle band
LIU Qi, FU Youqi, KANG Peichuan
(Radio Research Center, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100037, China)
Abstract: As the development of 5G use cases for verticals, different application has distinct requirement for 5G network. 5G systems in the same band have cross-link interference issue which makes coexistence complicated. This paper analyzed two coexistence schemes of unsynchronized operation and synchronized operation, and proposed coexistence frameworks of different 5G systems in middle band which can be used for operator 5G coexistence and spectrum efficient utilization.Keywords: middle band 5G; cross-link interference; coexistence framework

本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第9期

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