動態頻譜共享DSS技術關鍵問題分析

錢 會

（中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

當前頻譜管理多采用固定的頻譜分配策略，這種做法在避免各用戶之間相互干擾的同時，可能存在獨占頻譜造成的頻譜閑置、利用不充分等問題。隨著用戶業務數據的快速增以及5G網絡的大規模部署，對頻譜資源的需求也會快速增長，當前的移動網絡需采用更先進的頻譜資源管理方法來滿足業務增長的需求，如通過頻譜共享技術、使用現有IMT頻段和5G其他關鍵技術，從而提高頻譜利用率，緩解頻譜資源緊缺的矛盾。

1 頻譜共享與技術方向

如今，頻譜資源共享作為新型的頻譜管理技術受到業界比較多的關注。頻譜共享技術是認知無線電網絡中的重要技術，核心的理念是機會式頻譜利用。

1.1 分類方式

頻譜共享技術包含多種分類方式：一是基于頻譜資源授權方式，分為免許可頻譜共享和授權頻譜共享；二是基于頻譜資源分配方式，分為靜態共享和動態共享；三是基于頻譜資源分配行為，分為共存式共享和非協作式共享[4]。

目前，頻譜共享技術的研究包括異系統間共享、多RAT間共享、系統內小區間共享和不同制式間共享頻譜資源。共享者之間對頻譜可有相同占用等級，也可以有不同占用等級。頻譜共享技術主要利用認知無線電技術探測頻譜，也可通過查詢頻譜數據庫獲取可用頻譜資源，然后進行高效的頻譜管理，實現頻譜資源的最大化的利用。

1.2 4G/5G頻譜動態共享DSS

一般來說，頻譜共享的主要應用場景包括：運營商內無線接入技術（RAT）間的頻譜共享；運營商間的頻譜共享；免授權頻段的頻譜共享；次級接入頻譜共享。本文探討的場景主要是運營商內部無線接入技術即4G/5G（LTE/NR）之間跨系統的動態頻譜共享技術。

從技術上來說，4G和5G之所以可以共享，主要是由于5G協議棧設計源于4G，具有較高的繼承性和相似性。以2.1 GHz頻段為例：首先，4G/5G具有相同的幀結構：10 ms幀，1 ms子幀（slot）；其次，4G/5G具有相同的子載波間隔：15 kHz；最后，4G/5G兼容的多址方式：下行CP-OFDM，上行DFT-S-OFDM（4G/5G）和CPOFDM（5G）可共存。

1.3 動態頻譜共享涉及的技術方向

目前，頻譜共享技術需要研究的關鍵問題包括新型網絡架構，無線接口設計，物理層技術如頻譜檢測機制和算法，高層技術如頻譜資源管理與分配，射頻技術如支持靈活帶寬和工作頻點的新型射頻技術以及多系統整合帶來的安全性問題[1]。

（1）網絡架構與接口。修改網絡架構，以集中式架構為主，結合分布式架構，設計新增節點的接口和共享節點間的接口。在現有共享節點之上新增高級頻譜管理節點，用于維護管理共享資源池、獲取共享節點的需求申請、執行頻譜分配決策。各共享節點進行測量和需求統計，并接收頻譜分配結果，執行節點內的資源重配置。

（2）高層技術。研究頻譜共享的高層技術，解決頻譜共享導致的頻譜資源動態變化和多優先級網絡共存問題。基于不同系統架構，研究對于所獲取的大量零散頻譜資源進行高效分析與管理、多共享節點間的頻譜最優與公平協商、基于預測和代價分析等的頻譜切換、接入控制、跨層設計等，并分析對現有的網絡接入、業務流管理、移動性等流程的影響。

（3）物理層技術。研究頻譜共享的物理層技術，通過頻譜檢測等方式獲得頻譜使用狀況，設計測量與反饋機制、信道和參考信號等，實現結果上報和頻譜資源的配置與使用，研究基于主動干擾認知等方式的干擾管理，適應頻譜共享帶來的干擾環境變化。結合認知網絡技術，分析可能的多址方式。

（4）射頻技術。對于射頻技術，在多模多頻芯片成為市場主流的情況下，分析面向未來的支持頻譜共享技術的新型射頻，能夠支持更廣的頻率范圍，在多通道同時工作時有效處理互干擾，能支持靈活帶寬的射頻，支持在相同頻譜中接入不同系統時的靈活調制，以及通過多路檢測或壓縮感知等方式的寬頻譜檢測等功能，尋求射頻參考結構與參數。

此外，還包括共享頻譜的系統間共存、各場景下的組網方案設計、多系統整合帶來的安全性技術問題等。

2 DSS技術應用分析

2.1 NSA組網下DSS技術分析

NSA組網下部署DSS技術一般需要使用異頻LTE載波為錨點，即需要兩個4G載波，一個作為錨點，在另一個載波上做LTE和NR的DSS。

在NSA組網下部署DSS優勢包括：支持基于現網設備的快速部署，提升NR覆蓋，通過5G圖標提升品牌影響力。

在NSA組網下部署DSS劣勢包括：SA即將到來，提供網絡切片的差異化服務（時延），NSA DSS價值需根據SA商用時間做重新評估[2]：

（1）NSA下終端若要支持FDD+TDD NR的載波聚合，需要支持3個頻段，這種情況優先級較低。

（2）因NSA DSS需要兩個LTE頻段，勢必會與聯通的NSA 5G共建共享方案有所沖突，對于4G錨點基站的負荷會進一步增大，同時還需與聯通進行溝通協調，具體影響還需根據各種共享方案評估。

2.2 動態頻譜共享設計

盡管動態頻譜共享技術非常有吸引力，但是技術的實現難度依然很大。一方面是如何規避LTE和NR之間的信號/信道沖突干擾，另一方面是如何實現LTE和NR用戶的最優調度，主要通過系統廠商私有資源分配調度算法實現。

動態頻譜共享設計要求：一是避免4G和5G重要的接入信道和參考信號間發生沖突，5G NR的下行參考信號有SSB、DMRS等，LTE的下行參考信號有CRS等。二是不會對LTE用戶產生任何影響。

總的來說，動態頻譜共享的主要設計思想為以動適靜，LTE優先，NR適時插入。這主要是由于LTE各種物理信道和信號配置相對粗放，控制信道、參考信號等均為全頻帶映射。NR同樣存在各種物理信道和信號，因此，存在信道間沖突的可能性。

從原理上看，在動態頻譜共享技術下，由于4G信令和5G信令共存，會帶來一定的信道容量損失。容量損失的大小考驗設備商的解決方案。

此外，動態頻譜共享實現的顆粒度也是衡量解決方案的標尺之一。由于動態頻譜共享需跨越不同制式的網絡調度，調度程序需在1-100 ms之間的顆粒度范圍內響應不斷變化的流量需求。

2.3 DSS開銷分析

5G NR空口繼承了LTE正交頻分多址技術，引入Filtered-OFDM，更好地控制發射信號在系統帶外的泄露，降低NR系統帶寬內的保護間隔的開銷，提升頻譜利用率。以20 MHz帶寬、15 kHz子載波間隔為例，LTE可用子載波為100 RB，NR可用子載波為106 RB，頻譜利用率提升約6%[3]。

NR取消了小區級參考信號CRS，保留UE級參考信號DMRS、CSI-RS和SRS，并針對高頻場景中的相位噪聲，引入參考信號PTRS。NR主要的參考信號僅在連接態或有調度時傳輸，降低了基站的能耗和組網干擾的同時，進一步提升頻率利用率。

然而在部署DSS時，不可避免地存在LTE與NR系統同時共存的情況，例如在20 MHz或以下帶寬內中實現DSS，此時即使在NR空載時，也會對LTE系統帶來額外的開銷。

表1 DSS開銷分析

NR系統配置：下行SSB（20RB）和RMSI（24RB），周期20 ms；NR other SIB （96 RB），640 ms；NR Msg2/4（48 RB），10 ms；NR Paging（48 RB），320 ms。上 行NR PRACH （6RB），10 ms；NR SRS 20 ms。

在優先保障LTE的原則下，當LTE下行PRB負荷增大時，NR可用資源和可調度的用戶數會下降。

表2 DSS支持的用戶數示意

注：1.假設每個用戶平均占用3CCE。2.以上NR支持用戶數，為上行調度用戶和下

行調度用戶的總和。雖然在DSS中可以設置LTE調度優先，但是NR還是有些必要開銷，例如SSB RMSI MSG2/4 Paging這些固定開銷，以及調度機制造成整體資源利用率的下降，其對LTE系統的影響，只能通過2.1 GHz申請相鄰的新頻率來減小甚至避免。

DSS技術本身無法解決上下行資源不平衡的問題。NR上行資源的需要通過下行NR PDCCH調度，在DSS的下行設計中，即使沒有NR下行數據包，同一RB內NR PDCCH后的RE資源，也不能被LTE使用。

2.4 4G/5G共享對DSS的影響

DSS載波由于同時為4G/5G用戶服務，在網絡共享并疊加制式間調度排序，將進一步引入復雜性。

（1）支持LTE優先以及NR優先，默認LTE優先。無論哪種制式優先，另外一種制式的基礎體驗需要得到保證，另外一種制式的基礎體驗滿足程度可以依據運營商的需求進行調整。

（2）不同運營商共建共享時，例如電聯共享20M，同時開啟DSS，建議制式優先，制式內部可進行運營商之間的共享策略。比如，電聯的4G業務優先，在4G業務內部可以采用4G的網絡共享策略；然后再考慮分配電聯5G用戶的資源。建議采用這種方案，以盡可能降低在DSS下對于4G業務的影響。

3 結束語

本文首先概述了頻譜共享的概念，提出了4G/5G動態頻譜共享技術方案，并進行了性能分析及實驗室測試，最后提出了4G/5G動態頻譜共享的部署策略，提升已有頻譜資源利用率的同時，快速實現低建網成本的5G基礎覆蓋。