基于不同子載波間隔的保護帶

畢峰 劉文豪 楊振

摘 要：基于同一個正交頻分復用符號內可同時具有不同子載波間隔的需求，這將在不同子載波間隔對應的子帶之間產生干擾，從而導致頻譜效率下降。單純地從調度角度出發的解決方案是低效的。根據參數干擾影響因素，提出了克服參數干擾的解決方案，選擇合適的子載波數量作為保護帶的方案既能降低參數干擾，也具有好的頻譜效率。

關鍵詞：子載波間隔；參數間干擾；保護帶；功率譜密度；頻譜效率；調制編碼方案；信噪比

中圖分類號：TP39；TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

目前主流的長期演進（Long Term Evolution/Long Term Evolution-Advanced，LTE/LTE-A）無線移動通信系統采用的基帶調制方式為正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），子載波間隔（Sub-Carrier Spacing，SCS）典型值為15 kHz，即說信道條件較好時，子載波之間正交性保持較好，子載波之間干擾較小。為了滿足日益增長的通信速率和容量等要求，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）啟動了新的無線空口（New Radio，NR）技術研究，其中一個明顯的變化是：雖然NR的基帶調制方式仍然為OFDM，但在同一個OFDM符號內可同時具有不同的SCS，這將破壞子載波之間的正交性，也將在SCS1和SCS2對應的子帶之間產生干擾。由于不同的SCS將導致不同的OFDM符號時長、不同的循環前綴（Cyclic Prefix，CP）時長，即SCS的變化將影響一系列相關系統參數的變化，所以SCS也可等同于術語Numerology，所以本文中統一使用Numerology進行說明）。值得注意的是，不同Numerology之間的干擾（Inter-Numerology Interference，INI）和傳統OFDM符號內子載波干擾（Inter-Carrier Interference，ICI）的原因有著明顯區別，ICI主要是由于OFDM符號沒有CP或CP時長無法克服多徑時延，或由于高速移動對應的多普勒頻移破壞子載波之間的正交性，或由于時間、頻率的同步精度破壞子載波之間的正交性，從而產生了ICI，所以使用傳統方法并不能解決INI問題。

針對如何解決INI問題，其中一個比較直接的方法是單純通過資源調度來解決，因為在LTE-LTE-A系統中資源調度以資源塊（Resource Block，RB）為基本單位進行調度，所以在不同的Numerology之間存在整數倍RB不被用于資源調度，而把這些RBs用于保護帶（Guard Band，GB）。然而，這種方法非常低效，尤其當更多個Numerology在一個OFDM符號內共存時，在這種情況下，每兩個相鄰的Numerology之間就需要一個GB；或當RB 對應較大的頻率寬度時，在這種情況下，較大的RB頻率寬度會浪費更多的頻率資源。基于上述方案的缺點，解決INI問題十分必要。

1 解決方案

首先考慮被INI影響的頻率資源是否繼續承載業務，方案包括Scheme-A和Scheme-B。其中Scheme-A是指被INI影響的頻率資源采用較低的調制編碼方案（Modulation and Coding Scheme，MCS）等級繼續承載業務，具體包括所有被調度的RBs均采用較低的MCS等級、僅被INI影響的RBs采用較低的MCS等級、僅被INI影響的REs采用較低的MCS等級；Scheme-B是指被INI影響的頻率資源不承載業務，即完全用于GB，具體還包括整數倍RB作為GB、部分RB作為GB。

1.1 所有被調度的RBs均采用較低的MCS等級（Scheme-A1）

如果所有被調度的RBs均采用較低的MCS等級，即原本沒有收到INI影響的RBs也使用了較低的MCS等級，這將導致頻譜效率（Spectrum Efficiency，SE）下降。兩個不同的SCS對應的調度資源鄰近，如圖1所示。假設SCS為15 kHz的#1 RB，#2 RB均采用較低的MCS等級后用#1′RB，#2′RB表示，基于原有的業務量TB size保持不變，如圖2所示，這意味著需要更多的RBs（如#3′RB）用于承載SCS為15 kHz原有的TB size。或此時頻率方向上沒有更多的RBs用于承載SCS為15 kHz原有的TB size，如圖3所示，這意味著更多的RBs（如#3′RB）只能等下一個時域符號資源，導致業務時延。這種方案的優點是不需要任何信令通知。

1.2 僅被INI影響的RBs采用較低的MCS等級（Scheme-A2）

若僅被INI影響的RBs采用較低的MCS等級，如圖4所示。假設SCS為15 kHz的#1 RB，#2 RB中僅#1 RB采用較低的MCS等級后用#1′RB，#2 RB表示，SE的下降程度相比Scheme-A1而言要少一些。但Scheme-A2的缺點是在一次傳輸過程中需要多個不同的MCS等級，圖1中需要兩個不同的MCS等級，一個MCS等級用于沒有被INI影響的RBs（如#2 RB），另一個MCS等級用于被INI影響的RBs（如#1′RB）。

1.3 僅被INI影響的REs采用較低的MCS等級（Scheme-A3）

僅被INI影響的資源單元（Resource Element，RE）采用較低的MCS等級，如圖3所示。假設SCS為15 kHz的#1 RB，#2 RB中僅#1 RB的部分被INI影響的REs采用較低的MCS等級后用#1′REs，#1 REs，#2 RB表示，SE的下降程度相比于Scheme-A1，Scheme-A2而言要少一些。但Scheme-A3的缺點是在一次傳輸過程中需要多個不同的MCS等級，圖3中需要兩個不同的MCS等級，一個MCS等級用于沒有被INI影響的REs或RBs（例如#1 REs，#2 RB），另一個MCS等級用于被INI影響的REs（如#1′REs）。此外，在一次傳輸中還需要通知哪些REs被INI影響了，從而對這些REs采用新的MCS。

1.4 整數倍RB作為GB（Scheme-B1）

一個簡單的方式：整數倍RB作為GB來降低INI。這可以理解為僅僅通過調度器來解決問題。但是Scheme-B1的缺點是浪費資源。由于SCS在 15～30 kHz之間存在INI，因此所需方式如圖4所示，即SCS為15 kHz的整數倍RB作為GB（如1個SCS為15 kHz的RB作為GB），這個SCS為15 kHz的RB的資源被浪費。SCS在 60 ～120 kHz之間存在INI，即SCS為15 kHz的整數倍RB作為GB（如1個SCS為15 kHz的RB作為GB），但這將破壞不同SCS共存時的嵌套結構，也就是說，此時必須換種方式，即SCS為60 kHz的整數倍RB作為GB（如1個SCS為60 kHz的RB作為GB），這個SCS為60 kHz的RB的資源被浪費，可見當具有較高SCS的業務被調度時，資源浪費更加嚴重。

1.5 部分RB作為GB（Scheme-B2）

以上方案均以兩個不同SCS在相同OFDM符號內共存為例進行說明，當更多不同的SCS在相同OFDM符號內共存時，Scheme-A1，Scheme-A2，Scheme-A3，Scheme-B1所述的問題和缺點將會更加明顯。而另一方面，如果GB是RE level的顆粒度（Scheme-B2），由于SCS在60 ～120 kHz之間存在INI，故需要引入GB降低INI。RE level顆粒度的GB位于SCS為60 kHz的RB內，而SCS為60 kHz的RB內剩余的REs仍然用于承載業務，即部分RB作為GB，部分RB承載業務，如圖5所示?？梢娺@種方案既能降低INI，也具有相對好的SE。更一般地說，GB是動態、半靜態配置。例如，不同的SCS對應的業務本身以動態配置，則GB可以采用動態配置；如果不同的SCS對應的業務本身以半靜態配置，則GB也可以采用半靜態配置。

1.6 INI評估

為了研究哪些因素影響INI，本文評估的度量主要包括功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）、SE。兩個子帶SCS均為3.75 kHz，復用時沒有INI，如圖6所示。而在圖7中，其中子帶SCS為15 kHz和子帶SCS為60 kHz復用時，子帶SCS為15 kHz被子帶SCS為60 kHz的泄露產生更嚴重的INI。當子帶SCS進一步變大，INI也隨之增加，如圖8所示。當子帶調制方式等級進一步變高，則INI也隨之增加，如

圖9所示。從PSD的評估結果來看，INI問題不可忽略，并且發現INI和SCS、調制方式間有著密切的關系。

基于上述方案分析和仿真驗證，Scheme-B2的方案適合作為GB，一個關聯的問題是：使用多少SC作為GB可以達到既降低INI也兼顧SE的目的。針對這個問題，評估SE是可行的方法，這里定2個用戶設備（User Equipment，UE），UE1使用SCS為15 kHz，UE2使用SCS為60 kHz。當信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）較低時，UE2對UE1產生較小的INI，SE下降不嚴重，也就是可以不使用GB，如圖10所示；當SNR較高時，UE2對UE1產生的INI不可忽略，SE下降非常明顯，需要引入GB，可見3個SC作為GB比較適合；而另一方面，由于UE1使用較低的SCS，所以對UE2的SE并不明顯。當SNR較低時，INI引起的SE下降非常明顯，使用3個SC作為GB提升SE效果明顯，如圖11所示；然而，由于UE1使用64QAM，所以對UE2的SE有明顯影響。從SE的評估結果來看，發現INI和SNR也有著密切關系。

綜上所述，INI和SE的影響如下：

（1）低SCS對INI的影響小；高SCS對INI的影響大。

（2）低MCS對INI的影響??；高MCS對INI的影響大。

（3）低SNR對INI的影響小；高SNR對INI的影響大。

（4）在特定參數或特定場景下，使用特定SC數量作為GB可以提高SE。

2 結 語

本文詳細闡述了由于不同SCS復用時產生的INI問題，給出具體降低INI的各種方案及其優缺點對比，并從PSD，SE角度出發，仿真驗證了需要解決INI問題的必要性及基于仿真結果發現的INI和SE的影響因素，包括SCS，MCS，SNR，基于這些影響因素，選擇合適的SC數量作為GB既可降低INI，也可以提高SE。

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