中國信通院劉琪等：中頻段5G系統間共存方案研究
0 引言
以 5G 為代表的時分雙工（Time-Division Duplex，TDD）移動通信網絡具有易于調整上下行比例的優點，但也會出現交叉鏈路干擾（Cross-link Interference）[1]。如不同運營商（主體）在同一區域鄰頻部署5G網絡，如果相互之間沒有同步及上下行時隙配比協調，就會出現同一時刻某家運營商的基站（終端）處于發射模式，而另一家運營商的基站（終端）處于接收模式的情況，由于發射機的帶外輻射特性以及接收機鄰道選擇性的限制，可能造成接收機的底噪抬升甚至被阻塞，從而影響到接收機對有用信號的接收，導致嚴重互擾。
針對我國5G系統頻率許可情況，中國電信和中國聯通5G系統在3.5 GHz頻段、中國移動和中國廣電5G系統在4.9 GHz頻段均存在鄰頻情況。考慮到我國5G網絡處于建設初期，運營商采用共建共享方式部署網絡，目前承載業務以下行為主，所以5G系統尚未出現嚴重的交叉鏈路干擾。但隨著5G行業應用的日益廣泛，局部區域以上行為主的業務需要調整系統幀結構[2]，將導致5G網絡共存問題較為復雜，需要對中頻段5G系統的兼容性開展研究，制定相應技術方案。考慮到基站間交叉鏈路干擾最為嚴重，本文主要針對同頻段5G基站間干擾開展共存研究。
1 5G系統共存方案
鄰頻5G系統共存方案主要有兩類，一類是同步共存方案，即通過協商實現不同5G系統間的同步運行，即多個5G基站在同一時刻均為發射或均為接收的狀態；另一類是非同步共存方案，即通過設置保護帶、增加濾波器、空間隔離等措施減少干擾。兩類方案各有優缺點，滿足不同場景應用需求。
1.1 同步共存方案
同步共存方案是目前國內外主流的5G系統共存方案，早在4G時代我國就研究制定了相鄰頻帶多家運營商部署TDD系統的共存實現方案[3]。由于5G系統的幀結構配置較為靈活，同步共存方案有全同步和半同步兩種。
1.1.1 全同步模式
該模式是指5G系統在物理層幀層面相位和時間的同步，該模式避免了任何基站—基站和終端—終端間的干擾，因此允許鄰頻網絡的共存，而且無需保護帶或增加濾波器。全同步模式簡化了網絡部署，不需要額外的干擾緩解措施。典型的全同步模式例子如圖1所示：盡管幀結構略有不同，但收發不重疊，不會造成干擾。
圖1 全同步模式示意圖
全同步模式需要選擇兼容性幀結構，主要包括上下行時隙、幀長等內容，相關參數決定了網絡性能（例如時延、頻譜效率、吞吐量和覆蓋范圍）。全同步模式還需要有共同的相位時鐘參考和精度/性能約束，5G系統的時鐘同步誤差一般要求在（-1.5 ~ 1.5 μs）以內。
1.1.2 半同步模式
半同步模式是指系統幀結構的部分時隙工作在全同步模式，其余部分時隙工作在非同步模式。該模式要求5G網絡采用固定的幀結構，其中部分上下行時隙不做規定，所有基站在發射前實現幀同步。半同步模式允許不同網絡對幀結構的部分時隙自定義上下行方向，由此帶來一定靈活性，但在一定程度上會導致額外的干擾。半同步模式如圖2所示。
圖2 半同步模式示意圖
1.2 非同步共存方案
在非同步模式下，5G網絡沒有同步和兼容幀結構的要求。不同5G網絡獨立選擇最合適的幀結構滿足業務需求，但幀結構的靈活選擇會導致共存干擾較為復雜。該模式主要通過增加隔離度減少系統間干擾，例如采用設置保護帶、增加濾波器、空間隔離等措施。
2 5G系統共存技術要求及性能分析
2.1 同步共存方案的技術要求及性能分析
2.1.1 幀結構是同步共存方案的關鍵
同步共存方案降低了系統靈活性，運營商協調確定兼容性幀結構，無須預留保護帶就可以實現鄰頻5G系統的共存。幀結構的選擇決定了5G系統上下行速率、時延、覆蓋等性能。根據3GPP標準[4-5]，5G系統幀時長 10 ms，包含10個時長1 ms的子幀。每個幀分2個半幀，每個子幀14個符號，每個子幀的時隙、符號間隔等參數由系統參數集（Numerologies）確定。對于eMBB應用，3GPP建議中頻段5G系統采用30 kHz子載波間隔，通過設置子幀中的符號傳輸方向實現上下行配置。常用的4種典型幀結構如下。
結構1：2.5 ms雙周期幀結構，每5 ms中包含5個全下行時隙，3個全上行時隙和2個特殊時隙，特殊時隙根據需要進行調整，常用配置為10∶2∶2比例，幀結構如圖3所示。
圖3 2.5 ms雙周期幀結構示意圖
結構2：2.5 ms單周期幀結構，每2.5 ms中包含3個全下行時隙，1個全上行時隙和1個特殊時隙，特殊時隙根據需要進行調整，常用配置為10∶2∶2比例，幀結構如圖4所示。
圖4 2.5 ms單周期幀結構示意圖
結構3：每2 ms中包含2個全下行時隙，1個全上行時隙和1個特殊時隙，特殊時隙根據需要進行調整，常用配置為10∶2∶2比例，幀結構如圖5所示。
圖5 結構3幀結構示意圖
結構4：每2.5 ms中包含5個雙向時隙，其中4個下行為主時隙和1個上行為主時隙，常用的上行為主時隙配比為1∶1∶12，下行為主時隙配比為12∶1∶1，幀結構如圖6所示。
圖6 結構4幀結構示意圖
2.1.2 不同幀結構的系統性能分析
（1）傳輸速率分析
基于符號數目的4種不同幀結構下的容量和開銷對比如表1所示，根據3GPP技術規范[6]，利用公式（1）對系統上下行速率進行計算
表1 不同幀結構的容量和開銷
對于中頻段4T4R的100 MHz帶寬5G系統，采用μs = 1的參數集，不同幀結構配置下的5G系統上下行峰值傳輸速率見表2。
表2 5G系統上下行峰值傳輸速率
不同配置下的傳輸速率有明顯差別，適用于不同業務場景，采用同步方案需要根據需求協調采用兼容幀結構。
（2）覆蓋性能分析
幀結構中特殊子幀內上下行轉換保護間隔（GP）數量對覆蓋有明顯影響，選擇不同GP數量會引起傳輸時延的變化，從而影響基站的最大覆蓋距離。根據3GPP標準規范
其中，c是光速，T[Rx-Tx,UE]是終端從下行接收到上行發射的轉換時間，該值與輸出功率的精確度有關，典型值是10~ 40 μs，假定取10 μs。對于中頻段5G系統，采用μ = 1的參數集，特殊子幀中GP數量有所差異，基站最大覆蓋距離如表3所示。
表3 不同幀結構的5G系統覆蓋性能
結構1~3特殊子幀中GP數量都為2，單站最大覆蓋距離不超過8.5 km。
2.1.3 半同步模式干擾分析
半同步模式默認幀結構中的固定時隙不會產生干擾，靈活時隙傳輸方向不同會造成干擾，下行變上行和上行變下行產生的干擾有所不同。從基站間干擾看，下行變上行的5G基站不會干擾其他網絡，但會受到其他網絡的干擾。大多數情況下，由于終端通常是移動的，間歇性發射信號，終端間干擾可以忽略不計。而上行變下行的5G基站將干擾其他網絡，但不會受到其他網絡干擾。參考歐洲郵電管理委員會電子通信委員會（ECC）研究報告，半同步模式下室外微基站和室內小基站可以鄰頻共存，室外宏站不能共存，3GPP正在研究相關干擾消除算法。半同步模式要求5G系統間時鐘同步誤差在（-1.5~1.5 μs）以內。
2.2 非同步共存方案的技術要求
非同步共存方案主要是引入各種緩解措施減少系統間干擾，常用的緩解措施包括預留保護帶、加裝濾波器、增加空間隔離、區分室內/外部署等。非同步方案的優勢在于運營商可以根據應用場景靈活配置網絡，但會降低頻譜利用率或增加成本。需要對不同干擾緩解措施進行評估以滿足干擾忍受的最低標準。目前，常用的干擾忍受準則有兩種，一種是5G系統性能下降準則，ECC建議[7]采用受擾系統上行平均速率下降5%作為評估準則，但對于5G的URLLC場景應用，評估準則會更加嚴格；另一類是常用的系統共存準則，一般采用干擾噪聲比低于-6 dB作為評估準則[8]。
2.2.1 預留保護帶寬和濾波器措施
參考ECC建議書，對于中頻段采用非有源天線的5G系統，預留5 MHz保護帶并加裝濾波器可以解決非同步帶來的干擾。由于有源天線的復雜性，目前還沒有對其保護帶寬和濾波器的技術研究。考慮到有源天線系統濾波器較為復雜，預留保護帶寬會導致頻譜效率下降，所以該措施在實際應用中效果并不理想。ECC報告提出基于現有濾波器技術，需要預留20 MHz帶寬才能確保有效緩解有源天線5G系統的交叉鏈路干擾。
2.2.2 空間隔離措施
根據干擾忍受的兩類準則，通過仿真或理論計算可以確定非同步網絡的隔離距離。根據ECC研究報告[9]，3400 ~ 3800 MHz頻段非同步模式在不預留保護帶的情況下，5G宏蜂窩的同頻最小間隔距離為60 km，鄰頻最小間隔距離為14 km。區分室內/外部署可以增加隔離度，非同步模式下鄰頻的室外宏站和優化部署（如安裝在天花板或遠離窗口）的室內小基站可以共存。
2.2.3 利用多種措施確保邊界區域信號場強低于限值
根據干擾忍受準則，基于傳播模型，計算邊界區域地面3 m處的干擾信號場強限值。5G網絡必須采用降低發射功率、調整天線方向、優化網絡部署等措施確保邊界區域信號低于干擾限值。考慮到有源天線方向圖的復雜性，利用傳播模型計算邊界區域干擾場強限值較為復雜。德國監管機構制定了3700 ~ 3800 MHz頻段不同5G網絡邊界區域場強限制[10]，要求邊界區域地面3 m及以上高度的場強限值為-32dBμV/m/5MHz。
3 中頻段5G系統共存技術方案建議
綜合分析兩類共存方案特點，考慮到非同步方案有預留保護帶寬、加裝濾波器以及空間隔離距離等限制條件，將導致5G系統頻譜效率降低、使用范圍有所限制、建網成本增加，目前國外優先選擇同步共存方案實現鄰頻5G系統共存。對于我國中頻段5G系統共存有以下建議。
一是鄰頻5G系統優先采用全同步共存方案。在綜合考慮頻譜效率、上下行速率和覆蓋等因素基礎上，建議運營商協調選取兼容的幀結構。盡管幀結構限制會降低5G系統靈活性并帶來部分頻譜效率的降低，但該方案簡便易行，是優先推薦的共存方案。
二是在運營商無法達成全同步共存協議或鄰頻兩個5G系統上下行比差異較大情況下，可以采用半同步共存方案和非同步共存方案，但系統間會產生交叉鏈路干擾，半同步共存方案干擾小于非同步共存方案。運營商仍需達成協調協議，明確邊界場強限值，綜合利用預留保護帶、增加空間隔離、優化網絡部署等多種干擾緩解措施確保5G網絡的正常工作。
三是由監管機構制定5G網絡的共存協議框架，指導相關運營商達成鄰頻5G系統共存方案。對于全同步方案明確相關技術參數（包括參考時鐘、參考幀結構、同步技術）、部署區域；對于半同步方案還需要明確靈活子幀中下行時隙變為上行時隙的位置；對于非同步方案需要明確使用區域、隔離度要求、邊界場強限值等指標。
4 結束語
針對同頻段5G系統共存問題，本文分析了兩類技術方案，綜合考慮多個因素，全同步共存是較優的解決方案，半同步方案和非同步方案會造成一定干擾，需要引入干擾緩解措施。隨著5G行業應用日益廣泛，鄰頻5G共存問題將日漸突出，監管機構制定共存框架有利于指導運營商達成協議，實現頻率資源的高效使用。
