4G/5G LNR动态频谱共享技术

李晖晖

（中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

5G 新制式的引入，为运营商的频谱分配带来新的挑战，如何进一步盘活现有频谱资源，推动新老制式之间高效快速更迭，是未来移动通信技术发展必须解决的难题。频谱共享方案，是应对不同制式网络的频谱演进过程中频谱利用率不足而提出的频谱云化概念。目前国际以及国内频谱共享技术主要包括如下几大类：多运营商频谱共享、集中式同等级频谱共享（co-primary sharing）、分布式共享、运营商内部频谱共享[1-2]。其中运营商内部频谱共享在2G/3G/4G 时代已经提出，使用效果也最为明显，其他几项受跨运营商配合问题、跨设备改造困难问题、终端成熟度问题等，实际落地较为困难。本文重点研究运营商内部频谱4G/5G 频谱共享技术，实现5G 演进快速部署、4G 高负荷问题有效缓解的目的。工信部2018 年给中国移动颁布2.6 G 160 M 频谱资源，当前移动LTE频段已经占用60 M。LNR（LTE and NR 4G 网络与5G网络）频谱共享技术，改变传统的“Refarming”模式，实现了制式和频谱的解耦。同一段频谱可以同时被多个制式调度，提升频谱使用效率[3]。LTE 与5G 网络间的动态频谱共享，提高现有频谱资源的利用率，降低5G 大带宽建设前期LTE 移频带来的风险[4]。本文对传统多频多制式组网频谱使用方式进行研究，提出了LNR 频谱共享技术，对全球5G 网络及垂直行业快速发展具有一定的参考价值。

1 LNR动态频谱共享技术原理

1.1 LNR动态频谱共享技术原理

NR 网络建设，分为两个阶段。第一个阶段是NR 网络的部署初期，5G 用户群体小、数量少，NR 网络负载低，同期LTE 用户群体大、数量多，LTE 网络高负载，LTE网络预计更多的占用共享频谱。第二阶段是NR 网络的部署成熟期，5G 用户群体激增，NR（New Radio，新空口技术，代指5G 网络）网络高负载，LTE 网络负载持续下降，NR 网络预计更多的占用共享频谱[5]。

在2.6 G 频段（2 515 —2 675 MHz）内，LTE 和NR动态共享基本配置如图1 所示，当NR 话务量低于门限值时，NR 可以向LTE 小区共享出频谱资源，当LTE 话务量低于门限值时，LTE 可以向NR 小区共享出频谱资源（载波级资源共享）。同一时间内共享载波只给一个制式使用[6]。

典型160 MHz 场景下，NR 配置100 M 的系统带宽，LTE 最大配置5CC，其中LNR 共享频谱为40 MHz（LTE CC3、LTE CC4）；LTE 和NR 之间的载波级共享，通过NR 的BWP（Bandwidth Part 部分带宽）重配，以及LTE 的载波级快速静默/激活实现。

目前，LNR 动态频谱共享，主要依据制式间的负载来进行自动判定判定。共享信道在网络侧按照20 M 粒度分为两个单元，每个单元按照LTE 和NR 负载状态自动进行制式间的切换与话务迁移算法，兼顾NR 网络的竞争力与LTE 网络的容量问题[7]。

图1 LNR动态频谱共享原理

LNR 动态频谱共享关键技术要点如表1 所示：

表1 LNR动态频谱共享关键技术要点

1.2 LNR动态频谱共享消息流程

LNR 动态频谱共享流程如图2 所示，LTE 与NR 网络周期上报各自负载（PRB 利用率、用户数等）情况，LTE 和NR 侧LNR 协同调度器每秒钟分别计算滤波值并更新LNR 当前频谱共享状态[8]，并依据设置的判决保护时间（为避免LNR 发生频繁带宽转变，故加入保护时间机制）进行判定是否进入频谱共享或频谱迁移等。

图2 LNR动态频谱共享消息流程

为方便读者理解LNR 动态频谱共享实现过程中的核心要点，对流程细节不再赘述。核心内容是以下五项功能的实现，组成了完整的LNR 频谱制式切换。

1）LTE/NR 负载上报周期

LTE 和NR 每秒钟上报各自负载信息：

◆1 秒钟平均PRB（Physical Resource Block，物理资源块）利用率；

◆1 秒钟平均RRC 连接用户数。

2）阿尔法滤波值计算/频谱状态更新

LTE 和NR 侧LNR 协同调度器每秒钟分别计算滤波值并更新LNR 当前频谱共享状态。

3）NR 频谱共享状态为以下四种：

◆频谱共享出；

◆频谱共享入；

◆频率低使用率；

◆不共享。

4）LTE 频谱共享状态为以下四种：

◆频谱共享出；

◆频谱共享入；

◆频率低使用率；

◆不共享。

5）判决保护时间

每次LNR 共享频谱使用状态发生变化时，启动判决保护定时器[9]（5～30 分钟自由选择配置）：

◆定时器到时：启动LNR 频谱共享流程；

◆定时器不到时：不启动LNR 频谱共享流程。

2 LNR动态频谱共享增益影响分析

开启TDD LNR 频谱共享后，由于不同小区共享状态不同，会引入TDD LNR 同频干扰。同频干扰强度和话务模型，话务忙闲时以及干扰源功率配置相关。根据实验室环境及预估工具分析NR/LTE 增益变化如表2 所示。

LTE 共享载波扩容场景下，本特性开启后，增加了同覆盖共享载波个数，类似于LTE 扩容场景。若特性开通前后，用户数以及容量保持不变，由于共享载波的加入，分流了部分用户，可观测到原LTE 小区上下行平均吞吐率下降[10]，用户体验速率持平或者抬升，其余KPI 指标保持平稳。

3 LNR动态频谱共享同频异制式干扰问题分析

3.1 LNR频谱共享产生同频干扰原因

部署TDD LNR 频谱共享后，LTE 和NR 均为OFDM符号，LTE 子载波间隔15 kHz，NR 子载波间隔常规配置为30 kHz，且帧长、时隙配比4G/5G 保持一致，即时域和频域均对齐。LTE 和NR 产生同频干扰主要在三个方面：

（1）PBCH/SSS/PSS 广播：LTE 持续在一个宽波束进行发送；而NR 最大支持8 个窄波束进行轮询发送，将干扰随机化。故产生同频干扰时，4G 对5G 干扰较大，5G 对4G 干扰较小。

（2）参考信号（导频）：LTE CRS 持续发送；而NR 无CRS，采用CSI-RS，在有用户调度时才发送，大大减少了同频干扰。故产生同频干扰时，5G 对4G 干扰较小。

（3）数据子载波：LTE 与NR 一致，只有在有数据传输时，才会发送数据子载波。

3.2 LNR动态频谱共享同频干扰抑制功能

考虑到LNR 频谱共享特性会引入更大的LNR 同频干扰问题，影响该特性增益效果，故对干扰频段开启同频干扰抑制功能。实现频谱分配不仅考虑负荷因素，同时考虑干扰水平因素，实现相邻小区同频干扰最低，频谱效率最高。

表2 NR预估增益分析表（规模组网）

LNR 频谱动态干扰抑制功能原理如图3 所示：

图3 LNR频谱动态干扰抑制功能原理

（1）步骤一：干扰频段与非干扰频段独立测量。

1）上行：通过SRS（Sounding Reference Signal，测量参考信号）分段测量干扰水平，选择频谱效率最高的频谱调度策略；

2）下行：通过CSI-RS（Channel State Information Reference Signal，信道状态信息参考信号）分段测量干扰水平，选择频谱效率最高的频谱调度策略。

（2）步骤二：基于分段测量结果，计算最优的频谱效率，针对每UE 选择最优的频谱调度策略，可调度的频谱组合为60 M/80 M/100 M。

干扰频段与非干扰频段分段测量结果如图4 所示。

此特性增益预期：开启LNR 同频干扰抑制功能后，相比于无干扰区域，小区平均吞吐率NR 小区平均吞吐率下降由原来不开启同频干扰抑制10%～40%，提升为现在仅降低0～10%（依赖于话务模型和用户分布）。

4 LNR动态频谱共享应用效果

4.1 LNR频谱共享测试验证单站功能验证

本特性在现网已经验证，后台需要配置高负载识别门限：PRB＞某一门限+偏置；低负载识别门限：PRB＜门限-偏置；单站功能验证选择的站点为深圳龙华二D 站，小区带宽配置为1NR（100 M）+3LTE（60 M）。

分别测试NR 动态调度60 M/80 M/100 M 带宽下的速率变化情况。

频谱共享方案如图5 所示。

方案一配置：LTE 抢占40 M 频谱，NR 可用带宽为60 MHz，LTE D1/D2 载波为共享激活，D3 为独享激活。

方案二配置：NR 抢占20 M 频谱，NR 可用带宽为80 MHz，LTE D1 载波为静默激活，D2 为共享激活，D3 为独享激活。

方案三配置：NR 抢占40 M 频谱，NR 可用带宽为100 MHz，LTE D1/D2 载波为静默激活，D3 为独享激活。

对比三种方案下NR 速率变化情况如图6 所示。

图4 干扰频段与非干扰频段分段测量结果

图5 频谱共享方案

图6 NR占用60 M/80 M/100 M带宽下单站测试速率对比

测试结论表明，选择单站定点用户测试，LNR 频谱共享100%生效。LTE 低负载时，NR 频谱抢占功能正常，NR 100 M 相比NR 60 M，上载速率增益为55.6%，下载速率增益为65.3%

4.2 LNR频谱共享测试验证簇拉网验证

选择一片LTE 和NR 连续覆盖区域，利用LTE 闲忙时段，分别测试NR 生效60 M 和生效100 M 场景下拉网速率提升幅度，同时对比NR 开启60 M 和100 M，拉网RSRP 是否存在覆盖差异。

方案一：LTE 重载场景，D1D2 共享载波分配给4G，NR 生效60 M，进行NR 拉网验证。

首先记录NR 60 M 时，该网格拉网RSRP 情况如图7 所示，平均RSRP 为-79.53 dBm。

图7 NR占用60 M带宽下拉网测试RSRP结果

该网格NR 60 M 拉网下载速率情况如图8 所示，平均下载速率为668 Mbit/s。

图8 NR占用60 M带宽下拉网测试下载速率结果

方案二：LTE 轻载场景，D1D2 共享载波分配给5G，NR 生效100 M，进行NR 拉网验证。

测试次数20 以上，LNR 频谱共享100% 生效。NR 100 M 带宽下，拉网RSRP 如图9 所示，平均RSRP为-78.96 dBm。相对60 M 提升0.57 dBm。对比图9 和图10，整个簇平均RSRP 水平保持一致，说明NR 带宽变化过程中功率自动补齐，不存在覆盖损失。

图9 NR占用100 M带宽下拉网测试RSRP结果

该网格NR 100M 拉网下载速率情况如图10 所示，平均下载速率892 Mbit/s，NR 拉网速率整体提升33.53%。

测试结论表明，LTE 重载场景，NR 占用60 M，LTE 轻载时，NR 占用100 M；NR 占用100 M 相比NR占用60 M 的下行速率增益为33.53%。同时对比图9 和图10，整个簇平均RSRP 水平保持一致，在NR 动态频谱共享过程中，覆盖不会发生变化。

图10 NR占用100 M带宽下拉网测试下载速率结果

LNR 频谱共享进行验证总结如下：

验证点1：通过单站定点用户测试，在优先级分别为公平、LTE 优先、NR 优先场景，LNR 频谱抢占功能均正常，NR 使用带宽100 M 的速率相比NR 使用带宽为60 M 速率增益为65.3%。

验证点2：NR 连片拉网评估符合预期，NR 带宽占用100 M 相比NR 占用60 M，覆盖不会变化，用户感知速率增益为33.53%。

通过单站定点用户测试，NR 占用带宽100 M 相比NR 60 M 速率增益为65.3%。如图7 和图9 中NR 连片拉网评估结果表明，NR 带宽占用100 M 相比NR 占用60 M，整个簇平均RSRP 水平保持一致，覆盖不会收缩；对比图8和图10，用户感知速率增益为33.53%。

5 结论

本文主要介绍了4G/5G LNR 动态频谱共享方案的实现原理以及实际应用效果。LNR 动态频谱共享依据制式间的负载来进行自动判定判定。共享信道在网络侧按照20 M 粒度分为两个单元，每个单元按照LTE 和NR 负载状态自动进行制式间的切换与话务迁移算法，兼顾NR 网络的竞争力与LTE 网络的容量问题。根据经验估算，本特性可以实现在NR 侧10%～50% 的容量增益。但是由于此特性会引入相邻小区间同频异制式干扰问题，本文从同频干扰产生的原因分析，引入同频干扰抑制功能。即LNR 频谱动态分配不仅考虑负载因素，还需分段测量干扰频段内干扰水平，计算出最佳频谱效率，决定干扰频段供LTE 使用还是NR 使用。最终在实际验证过程中，取得满意效果。