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5G NR和4G LTE共存 – 动态频谱共享 (DSS)
材料来源:Microwave Journal           录入时间:2020/3/19 10:43:46

NR and LTE Coexistence Through Dynamic Spectrum Sharing

作者:Andreas Roessler,罗德与施瓦茨北美地区技术管理部

摘要

截至目前,所有 5G NR FR1 部署都建立在时分双工 (TDD) 的基础之上,因此其使用的非成对频段通常会位于 3.5 GHz 频率范围内。预计到 2020 年,8 GHz 以下的频谱中近 90% 都将成为成对频段,届时 5G NR 网络第二阶段的部署将使用频分双工 (FDD) 模式,即下行和上行采用不同的频率;但所有目标频段均已被 4G LTE 所占用。在 5G NR 标准中增加频谱共享能力后,此频谱就可以在使用过程中进行访问,并且实现在 4G LTE 和 5G NR 间的共存。频谱共享有助于网络运营商从 LTE 平稳过渡到 5G,而无需重构频谱。本文的内容中涵盖所需的功能集,并总结成动态频谱共享 (DSS),并从网络和设备测试的角度分析相关试验和测量中存在的挑战。

引言

首个 5G NR 网络空中接口使用了 3X 网络部署选项,并利用 E-UTRA 新空口双连接 (EN-DC) 和分离承载进行设置。这种部署场景又称为非独立组网 (NSA) 模式,需要使用 LTE 锚点来交换控制和信令信息。除了 LTE 信令外,这个锚点还需要能够配置、添加、修改和释放与 5G NR 无线接入网 (RAN) 间的连接。在这种设置中,LTE 基站 (eNB) 承担了主小区组 (MCG) 的作用,而 5G 基站 (gNB) 则成为辅小区组。两种 RAN 都会连接到现有的 LTE 核心网(演进的分组核心网,EPC)。根据 3GPP 标准,每个小区组都可以启用载波聚合。但如今 8 GHz 频率以下的 5G 部署(又称为频率范围 1,即 FR1,410 MHz 至 7.125 GHz)通常会将 LTE 多载波与一个 NR 载波结合在一起。全球此类网络绝大多数使用 3.5 GHz,载波带宽最高 100 MHz,应用了多输入多输出 (MIMO) 4x4,并采用 TDD 模式。由于各地法规要求不尽相同,从标准化角度来看,3.5 GHz 频段会由三个不同的频段覆盖。上述三个频段分别是 n77(亚洲)、n78(欧洲)和 n48(美国)[1]。由于全球大部分频段都建立在 FDD 的基础上并被 LTE 所占用,因此首个 5G NR 网络部署利用了未充分利用的 TDD 频段,包括 3.5 GHz。第一代 5G 调制解调器和随后出现的第一代 5G 移动设备仅支持 FR1 的 TDD 模式。业界仍在努力实现 FR1 FDD 的商业化。

动态频谱共享的必要性

并非所有服务提供商都拥有 TDD 频段内的频谱许可证。为了充分利用质量更优的 5G 服务流,降低延迟并进一步解决新的垂直市场需求(即汽车和工业 4.0),网络运营商需要过渡到独立组网 (SA) 模式,即 5G RAN 会连接到 5G 核心网(5G-CN,选项 2)。在实现独立组网部署的过程中定义有若干个中间步骤(选项 4、5 和 7),而运营商选择哪种方式则取决于其 5G 部署策略。有关上述选项的详细说明以及第五代无线通信的其他基本信息,请参阅 [2]。

由于基于 FDD 的频谱资产被占用,因此服务提供商不得不在购买新频谱或重耕已使用频谱间做出选择,但两种选择都需要付出高昂的成本。由此看来,5G NR 标准提供了能够适配现有 LTE 部署并共享当前 LTE 专用频谱的可能。动态频谱共享 (DSS) 是实现上述可能的关键功能,在利用同一个频谱资产支持 NR 和 LTE 共存时,它在整体机制中不可或缺。支撑 NR LTE 共存的另一大功能是下行和上行传输的解耦,这是为了解决 3.5 GHz 及以上的 FR1 中频频段上行方向覆盖问题的必要前提。这一功能又催生出了一种称为补充上行 (SUL) 的功能,该功能允许设备根据接收到的信号质量测量结果,将其上行传输从中频频谱切换到低频频谱。但由于目前业界更多关注于 DSS,因此本文不会就此功能展开讨论。

从长期角度而言,DSS 有助于网络运营商利用较低的频段为 5G 提供覆盖层,通常针对于 1 GHz 以下的频率。DSS 需要更新基础设施,对外宣传为仅需软件更新,其实还需要第二代 5G 芯片组和手机充分利用新的调制解调器。DSS 有望于 2020 年初至年中推出。

新兴 MBSFN

DSS 对 LTE 和 5G NR 两大标准都会产生影响。其中对 LTE 的影响微乎其微,因为很难对已经成功部署的技术再进行优化升级。5G NR 设备需要检测同步信号块 (SSB) 才能接入网络。为了在时间和频率上保持同步,SSB 需要通过网络定期发送。若要在已经被 LTE 占用的频率信道上传输 SSB,则需要定义一个发送间隔。为了在连续的 LTE 传输中找到这样的间隔,最理想的方式就是使用多媒体广播单频网络 (MBSFN) 子帧。这种方式最初是为了能够通过 LTE 网络进行广播,从而使内容的传输较单播传输更加高效。它属于演进型多媒体广播多播服务 (eMBMS) 功能的一部分,在 3GPP 第9 版技术规范集中有对 eMBMS 的相关说明。

构成 LTE 无线帧的十个子帧中有六个可以通过网络配置为 MBSFN 子帧。根据标准,这些子帧可以是 #1、#2、#3 和 #6、#7 和 #8。为了尽可能减少对 LTE 性能的影响,上述六个可用的子帧中通常只有一个会配置为 MBSFN 子帧。所应用的配置由具有系统信息块类型 2 (SIB2) 的 LTE 网络进行广播。支持 5G 的终端同样使用此 SIB 接收通知,告知其 LTE 服务小区可以将手机连接到 5G RAN。标准 LTE 终端会从 SIB2 读取 MBSFN 配置,并忽略其中为广播而配置的子帧。DSS 最初基于 NSA 模式接受测试。因此 5G 手机会启用两个无线电,即 LTE 和 5G NR。其中 LTE 部分遵循的原则与只使用 LTE 的设备相同,但手机的 5G NR 部分会扫描目标频段进行共享,检测期望频率信道上释放的 LTE 子帧内所传输的 SSB。由于 DSS 旨在为 5G 提供覆盖层,因此 1 GHz 以下的频段通常会在 LTE 和 5G NR 间共享。为了避免上述两种技术间的干扰,5G NR 最初使用了 15 kHz 的子载波间隔,造成 LTE 和 5G NR 使用的子帧数量相同。根据 15 kHz SSB 的映射原理(定义为情况 A),1 GHz 以下的目标频段会造成 5G 网络最多只能传输四个 SSB。通常情况下,SSB 会通过网络在无线帧的前半帧 (5 ms) 中进行传输。由于 LTE 中无法为 MBSFN 配置 #0 子帧,因此需要将 #1 子帧配置为 MBSFN 子帧才能承载 SSB,但 MBSFN 子帧不得完全为空。子帧中定义有一个非 MBSFN 区域,根据整体信号带宽的大小,该区域的长度可以是一个或两个 OFDM 码元。该区域旨在承载 LTE 的控制信道,例如物理混合 ARQ 指示符信道 (PHICH)、物理控制格式指示信道 (PCFICH) 和物理下行控制信道 (PDCCH)。因此,所有 NR 传输只能从 MBSFN 子帧内的 #2 或 #3 OFDM 码元开始。NR 传输控制信息的要求、调度 NR 物理数据共享信道 (PDSCH) 接收的要求以及将数据信道的解调参考信号映射到子帧开头的必要性共同形成了如图1 所示的配置。

在构成一个持续时间为 1 ms 的子帧(总共 14 个 OFDM 码元)中,15 kHz 的 SCS 对应 5G NR 中的一个时隙,其中只有 12 个 OFDM 码元可用于 NR 传输。为了正确解调 PDSCH 并支撑其移动性,数据信道还需要第二个符号用于承载 DMRS 。根据 [3],这个额外的符号为符号 #9,如图1 所示。

1:MBSFN 子帧中的 NR 信号配置

在 DSS 配置期间扩容并改进 5G NR

如果 5G NR 只能使用一个子帧,则无法充分发挥该技术的潜力。因此,DSS 还通过两种不同的特性允许额外使用原本专用于 LTE 却未配置给 MBSFN 的子帧。根据所使用的 MIMO 模式 (2x2, 4x4),标准 LTE 子帧包含的小区专用参考信号 (CRS) 会映射到时频网格中特定的资源单元。LTE 终端会使用 CRS 进行信道估计,并维持时域频域完全同步。设想一个简单场景,LTE 基站中的调度器根据当前的负载情况,没有将任何数据映射到此类子帧中,那么 LTE CRS 依然会存在、受到维护和传输。为使 NR 能够使用这些子帧,标准采用了围绕 LTE CRS 的速率匹配。有多个因素会影响速率匹配算法。第一个参数用于对准 5G NR 与 LTE 的子载波相对定位。该数值对应于Point A 的偏移除以 15 kHz。其次,由于 MIMO 模式会支配每个天线端口小区专用参考信号的映射,因此需要知道 LTE 所使用的带宽和天线端口数量。如上所述,DSS 的目标频率在 1 GHz 以下,因此通常会使用两个天线端口 (MIMO 2x2)。最后一个因素 vshift 则代表物理小区标识 (PCI; vshift = PCI mod 6) 的影响,定义了用于生成 CRS 的 LTE 序列的映射起始点(子载波)。图2 显示了在 R&S®SMW200A 矢量信号发生器上配置 LTE CRS 速率匹配算法所需的所有参数,旨在对 5G 调制解调器进行物理层测试。

2:R&S®SMW200A 矢量信号发生器的 LTE CRS 共存设置

在真实的网络中,该信息会通过专用的 RRC 连接发送到设备上。由于 NSA 模式用于测试 DSS 的最初部署模式,因此该信息会通过已建立的 LTE 连接发送到设备上。在 SA 模式下,该信息会通过 NR RRC 连接发送。

第二个必要的特性是支持额外的 PDSCH 解调参考信号 (DMRS) 的映射位置。根据标准的 LTE 子帧,在存在 LTE 控制信道和 CRS 的情况下,假设调度器不会调度任何 PDSCH,那么 5G NR 及随后的 CORESET 就可以使用剩余的子帧,而启用速率匹配的 NR PDSCH(包括 DMRS)则会映射到可用的资源单元上,如图3 所示。由于 CORESET 占用了 OFDM 符号#2,因此首个 PDSCH DMRS 就会分配到 符号#3。承载第一个 DMRS 的 OFDM 符号(2 或 3)位置信息 (l0),通过 SSB 中物理广播信道 (PBCH) 承载的主系统信息块 (MIB) 表示。为了支持其移动性,正确的信道估计这一前提条件只有在一个时隙中至少有两个符号承载 PDSCH DMRS 时才能得到保证。根据 [3],对于本文提供的示例,承载 DMRS 的额外符号是 OFDM 符号#11。但从 LTE 的角度来看,小区专用参考信号仍然会在该符号中存在并传输。因此,额外的 DMRS 位置需要从符号 #11 移动到符号 #12 [图3]。此特性属于一种设备功能,即设备在初始注册过程中就会将支持此功能的信号发送给网络。

3:NR 使用带有 CRS 速率匹配和额外 DMRS 位置的标准 LTE 子帧

一般来说,只有在以下三个条件全部满足的情况下,才会采用这一变更。首先,设备已经向网络提交了功能支持;其次,网络已经通过 RRC 为设备配置了 LTE CRS 的速率匹配参数;最后,PDSCH DMRS 的第一个位置设定为 l0 = 3。

动态共享的基本要素

到目前为止,我们已经或多或少讨论了 LTE 和 NR 的半静态配置,进而在 LTE 完全不存在时也能够使用 NR 的特定子帧,或者允许在 LTE 不使用的 LTE 子帧(但仍从中发送必要的 LTE 信号分量)中传输 NR 的机制;然而依旧存在一个问题,即是否有一种方式能够让 LTE 和 NR 共享一个子帧,并且让两者兼能传输控制信息(PDCCH 和 CORESET)和数据 (PDSCH)?答案是肯定的。

根据已有的讨论,我们将 PDSCH 映射类型 A 称之为 5G NR 数据信道和相应解调参考信号的一种基本映射,而 3GPP 标准另外还定义了 PDSCH 映射类型 B。这两者间的区别在于,类型 A 定义了相对于时隙开头的映射,而类型 B 则代表了相对于时隙中 PDSCH 开头的映射。根据标准,PDSCH 映射类型 A 允许的最大符号偏移为 2,而当特定条件下在 LTE 和 5G NR 间应用动态频谱共享时,这一映射存在缺陷。PDSCH 映射类型 B 则可以弥补这个缺陷。图4 显示了 5 MHz 信道带宽下 LTE 的配置示例,其中 NR 通过 25 个资源块中上方前 6 个进行传输。

4:LTE 和 5G NR 间的子帧动态共享

协调至关重要

本文描述的所有物理层特性都需要两个无线接入网之间如同在双连接方法中一样协调,LTE 和 NR 使用两个独立的调度程序。由此产生的 E-UTRA - NR 小区资源协调过程 [图5] 通过 Xn 接口上的两个节点均可以触发,如 [4] 中定义。

5:E-UTRA - NR 小区资源协调程序

该过程允许在两个基站中的媒体接入控制 (MAC) 层的频域时域中协调资源调度。在 NSA 模式下进行 DSS 最初测试时,协调过程由 eNB 触发。eNB 会在请求消息中向 gNB 发送数据流量资源指示。该信息元素中包含了是仅在上行中共享,还是上行和下行均可共享的信息。对于后者,消息中还提供了两个单独的位图,位图长度介于 6 至 17600 比特之间。该比特串中的每个位置均代表一个物理资源块 (PRB) 对,若其设置为“1”,则为 E-UTRA 保留,而如果设置为“0”,则不用于 E-UTRA。该比特串可以包含多个连续的子帧。数据流量资源信息元素的第一个位置对应于接收节点的 0 子帧。位图的长度是带宽的整数倍。假设信号带宽为 5 MHz (25 PRB),则通过位图寻址的总共有 704 个子帧。位图长度无法提供寻址无线帧内所有子帧的灵活性,因此提供信息来表示令位图变为活动状态的系统帧号 (SFN) 十分必要。图6 给出了此类位图的一种示例。根据此配置,#0 子帧中的 15 至 24 资源块(浅蓝色)、#1 子帧中的 5 至 24 资源块(绿色)、3 至 17 资源块(棕色)和 #703 子帧中的 8 至 22 资源块(紫色)可用于 5G NR 的传输和接收。

6:NR LTE 资源协调的数据流量资源模式(5 MHz,25 PRB)

此外,在 X2 接口设置期间,LTE 中的其他资源会通过 eNB 和 gNB 间受保护的 E-UTRA 资源指示消息的交换而受到保护,这是一个独立却必备的前提条件。如前所述,LTE 会将 MBSFN 子帧配置为允许为 NR 传输 SSB。这些子帧会通过数据流量资源指示提供的额外信息而免受上述配置的影响,成为保留的子帧模式。

动态频谱共享测试

DSS 是一种强大的特性,但出于种种原因,也需要进行多种测试。这不仅适用于基于实验室的 LTE 和 5G 用户设备测试,也适用于使用扫频仪(高灵敏接收机)和设备进行网络性能测量,以估计覆盖率和端到端 (E2E) 性能。

首先,在网络内启用 DSS 不得对现有的 LTE 部署产生任何干扰。其次,需要确保在网络内配置 MBSFN 子帧时,仅支持 LTE 的设备也不会受到任何干扰或影响。此外,当 MBSFN 处于活动状态时,也需要进行端到端吞吐量测试,确保对 LTE 性能的影响降到最低。尽管包括同步信号块在内的 5G NR 都会在 MBSFN 子帧内进行传输,但建议首先对 LTE 设备的接收机灵敏度进行测试,以确保当规定子帧的信道内出现 5G NR 时,设备仍能满足有关灵敏度的相关要求。

在 MBSFN 配置的子帧内传输 SSB 时,支持 5G NR 的设备需要在时间和频率上能够与 5G 无线电接入网 (RAN) 同步。当针对 NR 的 PDSCH 使用 LTE CRS 速率匹配模式在非 MBSFN 子帧中发送 5G NR 时,那么数据吞吐量测试就足以验证协议栈特性是否正确体现。先进的设备测试所包括的动态调度过程遵循本文所述的 E-UTRA NR 资源协调过程模拟,其中数据会根据数据流量资源指示进行调度,包括对 PDSCH 映射类型 A 和 B 的验证。

罗德与施瓦茨推出的全新 R&S CMX500 移动无线测试仪平台(搭配 R&S CMW500 宽带无线通信测试仪),对于支持 LTE 和 5G NR 的移动设备而言,是进行上述广泛测试的理想之选。

图7:R&S CMW500 和 R&S CMX500,可用于测试支持 5G NR、LTE 和传统技术的移动设备

在对 LTE 和 5G NR 进行覆盖测量和网络优化时,DSS 还会对移动网络测试产生进一步的影响。网络设备供应商会在产品发布初期使用一台网络扫频仪、一台高灵敏度接收机和一套路测软件,通过无源探头采集测量结果;网络运营商在优化和维护阶段会使用同样的方式。移动设备的加入使在网络中进行的端到端 (E2E) 性能测试的设置更加完整,例如支持文件下载和上传或视频流。在这种设置中,扫频仪会对下行信号传输的信号质量进行与移动设备相同的测量;因此,测量结果可以关联和验证。就 DSS 而言,扫频仪如今不仅需要具备识别出 LTE 和 NR 信号的能力,还需要能够进一步识别出配置为 MBSFN 并承载 NR 信号的子帧。

图8:R&S TSME 网络扫频仪和 R&S ROMES 路测软件,可用于评估 5G NR 和 LTE 网络性能

展望 – 3GPP 第 16 版中的 DSS 优化

如图4 所示,正如 3GPP 第 15 版中所规定的,当配置为 PDSCH 映射类型 B 时,能够分配的 OFDM 符号会限制为最多七个。在 3GPP 第 16 版中,PDSCH 映射类型 B 将得到扩展,能够分配九个和十个码元,从而更有效地使用时隙。

另一个变化则是在第 16 版中,有关一台设备支持多个 LTE CRS 速率匹配模式的定义。原因在于网络运营商可能会在一个频段内部署多个 LTE 载波,如图7 所示,即是三载波的情况。这三个载波可以使用不同的带宽和 MIMO 方案(例如分别使用 10 MHz 和 20 MHz、MIMO 2x2 和 4x4)。即使载波的带宽和 MIMO 方案相同(即 #2 载波和 #3 载波),但也会具有不同的物理小区标识 (PCI),用来表明哪些资源单元承载了小区专用参考信号,从而会对速率匹配算法产生影响。由于 5G NR 支持更大的带宽(例如 50 MHz),因此可以使用整个信道。设备使用多个 LTE CRS 速率匹配算法的定义现已支持这一特定的部署场景,并且可以实现动态频谱共享功能的使用。

9:3GPP 第 16 版的多个 LTE-CRS 速率匹配模式

结论和结语

动态频谱共享是当前无线通信产业领域的热门话题。该特性为服务提供商在低频段下实现 5G NR 覆盖层创造了无限可能。此外,动态频谱共享还为运营商免去了频谱重耕或购买新频谱许可证的高昂成本,有助于将 LTE 用户群平稳过渡到 5G,并更快推出独立组网模式。

从技术层面来看,DSS 结合了多种尖端特性,实现 LTE 和 5G NR 间相同频谱的共存。因此,对前文所述的所有特性和功能进行验证必不可少,不仅是在实验室中进行的 5G 手机(支持 DSS)测试,还有对网络优化进行路测时对网络本身的验证。作为无线通信行业测试解决方案的优质供应商,罗德与施瓦茨拥有开展此类测试的最佳产品组合。

参考文献

[1]  3GPP TS 38.101 V15.6.0 (2019-06), User Equipment (UE) radio transmission and reception; Part 1: Range 1 Standalone

[2]  Meik Kottkamp, Anil Pandey, Daniela Raddino, Andreas Roessler, Reiner Stuhlfauth; 5G New Radio – Fundamentals, procedures, testing aspects; 1st edition, 2019

[3]   3GPP TS 38.211 V15.6.0 (2019-06), Physical channels and modulation (Release 15)

[4]   3GPP TS 38.423 V15.4.0 (2019-07), NG-RAN; Xn application protocol (XnAP) (Release 15)

 


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