4.9 GHz異幀干擾問(wèn)題研究

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100089）

0 引言

5月22日，總理在政府工作報(bào)告中提到“加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)”，構(gòu)建新一代信息通信基礎(chǔ)設(shè)施，將5G網(wǎng)絡(luò)滲透到電網(wǎng)、交通、工業(yè)、智慧城市等各行各業(yè)中，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)創(chuàng)建出新的發(fā)展空間。5G憑借其低時(shí)延、大帶寬、高容量的業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)，“改變社會(huì)，賦能千行百業(yè)”已成為全社會(huì)的共識(shí)。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展[1]，各垂直行業(yè)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、安全性需求進(jìn)一步提高，對(duì)2.6 GHz頻段提出了挑戰(zhàn)。4.9 GHz頻段作為大網(wǎng)容量的補(bǔ)充[2]，可以通過(guò)靈活的專屬幀結(jié)構(gòu)配置提供大上行、低時(shí)延的能力，技術(shù)價(jià)值和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更為凸顯。

4.9 GHz頻段可配置1D:3U:1S和5D:3U:2S兩種幀結(jié)構(gòu)以滿足場(chǎng)景極其豐富的現(xiàn)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)隨業(yè)動(dòng)，按需部網(wǎng)，構(gòu)建“5G+”行業(yè)服務(wù)能力。但根據(jù)不同大上行需求配置的不同幀結(jié)構(gòu)，可能會(huì)引起不同基站、終端之間的交叉時(shí)隙干擾，因此研究4.9 GHz下異幀干擾策略是非常必要的。

1 4.9 GHz幀結(jié)構(gòu)配置與網(wǎng)絡(luò)能力

隨著行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景多樣化的發(fā)展，對(duì)上行容量的需求也越來(lái)越高，2.6 GHz、700 MHz傳統(tǒng)大網(wǎng)無(wú)法全部滿足垂直行業(yè)的場(chǎng)景需求[3]（表1），迫切需要提升網(wǎng)絡(luò)上行能力以滿足行業(yè)大上行需求。

表1 2.6 GHz、700 MHz網(wǎng)絡(luò)能力及垂直行業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求

圖1 1D:3U:1S和5D:3U:2S幀結(jié)構(gòu)配置

4.9GHz NR的系統(tǒng)帶寬為100 MHz，子載波間隔為30 kHz、特殊子幀S時(shí)隙配比為10:2:2，在單用戶峰值速率為上行2流256QAM、下行4流256QAM，小區(qū)峰值速率為上行8流64QAM、下行16流256QAM的條件下，1D:3U:1S和5D:3U:2S幀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能力對(duì)比如表2所示[5]：

表2 1D:3U:1S和5D:3U:2S幀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能力對(duì)比

從表2的單用戶理論峰值速率、小區(qū)理論峰值速率來(lái)看，1D:3U:1S幀結(jié)構(gòu)可以較好地彌補(bǔ)5D:3U:2S幀結(jié)構(gòu)上行速率低的短板。具體地，對(duì)于下行業(yè)務(wù)流量需求遠(yuǎn)高于上行業(yè)務(wù)流量需求的傳統(tǒng)大網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，建議考慮5D:3U:2S幀結(jié)構(gòu)配置；對(duì)于上行容量、可靠性和時(shí)延較為苛刻的行業(yè)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，建議考慮1D:3U:1S幀結(jié)構(gòu)配置，全面提升上行能力以滿足行業(yè)大上行的需求。

2 4.9 GHz異幀干擾解決方案研究

2.1 異幀干擾原理

根據(jù)4G現(xiàn)網(wǎng)上下行流量，預(yù)測(cè)后續(xù)5G ToC業(yè)務(wù)中下行業(yè)務(wù)占比將超過(guò)70%，因此4.9 GHz傳統(tǒng)大網(wǎng)依舊需要以下行業(yè)務(wù)為主[6]，并建議配置3UL:5DL:2S幀結(jié)構(gòu)作為熱點(diǎn)容量補(bǔ)充。對(duì)于有大上行需求的垂直行業(yè)場(chǎng)景，4.9 GHz行業(yè)網(wǎng)可能需要配置1D:3U:1S幀結(jié)構(gòu)來(lái)保證系統(tǒng)的大上行需求。當(dāng)有下行容量補(bǔ)充需求的傳統(tǒng)大網(wǎng)和有大上行需求的行業(yè)網(wǎng)分別采用5D:3U:2S和1D:3U:1S的幀結(jié)構(gòu)配置時(shí)，兩種幀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)均會(huì)受到對(duì)方的交叉時(shí)隙干擾，分別是傳統(tǒng)大網(wǎng)（5D:3U:2S幀結(jié)構(gòu)）下行對(duì)行業(yè)網(wǎng)（1D:3U:1S幀結(jié)構(gòu)）上行的干擾和行業(yè)網(wǎng)上行對(duì)傳統(tǒng)大網(wǎng)下行的干擾，干擾原理如圖2所示：

圖2 異幀干擾原理分析

具體地，由于行業(yè)網(wǎng)用戶的終端發(fā)射功率較小，除非在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端離得特別近的情況下，否則行業(yè)網(wǎng)上行與傳統(tǒng)大網(wǎng)下行發(fā)生交叉時(shí)隙干擾的概率極低，可以考慮忽略不計(jì)。相應(yīng)地，由于傳統(tǒng)大網(wǎng)基站端的發(fā)射功率較大，那么行業(yè)網(wǎng)基站端在某一時(shí)隙可以同時(shí)接收到行業(yè)網(wǎng)終端的上行信號(hào)和傳統(tǒng)大網(wǎng)基站的下行信號(hào)，造成嚴(yán)重的交叉時(shí)隙干擾，異幀干擾場(chǎng)景分析如圖3所示：

圖3 異幀干擾場(chǎng)景分析

2.2 異幀干擾隔離要求分析

MCL（Maximum Coupling Loss，最大耦合損耗）作為通信系統(tǒng)可以正常工作的最大損耗，已被3GPP列入評(píng)估無(wú)線接入技術(shù)覆蓋范圍的指標(biāo)[7]。為了避免傳統(tǒng)大網(wǎng)下行信號(hào)對(duì)行業(yè)網(wǎng)上行信號(hào)的交叉時(shí)隙干擾（即行業(yè)網(wǎng)基站與傳統(tǒng)大網(wǎng)基站無(wú)法正常通信），需保證通信系統(tǒng)損耗大于MCL。

理論上，MCL的值等于傳統(tǒng)大網(wǎng)基站下行最大發(fā)射功率減去行業(yè)網(wǎng)基站接收機(jī)靈敏度。考慮NF（Noise Figure，噪聲系數(shù)）取值5 dB，電磁底噪水平N計(jì)算為：

其中BW表示每RB（Resource Block，資源塊）所對(duì)應(yīng)的頻帶寬度。另外，不同的干擾噪聲對(duì)靈敏度的允許降敏影響也不同，此處允許降敏0.8 dB，即由外來(lái)干擾（傳統(tǒng)大網(wǎng)基站下行數(shù)據(jù)）導(dǎo)致行業(yè)網(wǎng)基站接收靈敏度將再惡化-7 dB。因此，行業(yè)網(wǎng)基站的接收機(jī)靈敏度I可以為-120 dBm/RB。

結(jié)合傳統(tǒng)大網(wǎng)基站單通道的天線收發(fā)增益的功率譜密度為200 W/100 M（折合28.6 dBm/RB），MCL的值為148.6 dB。綜上所述，只要保證傳統(tǒng)大網(wǎng)基站與行業(yè)網(wǎng)基站間的MCL大于148.6 dB，那么傳統(tǒng)大網(wǎng)基站與行業(yè)網(wǎng)基站便無(wú)法正常通信，即可避免異幀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的交叉時(shí)隙干擾。

2.3 異幀干擾隔離距離估算

（1）3D-UMa傳播模型分析

考慮行業(yè)業(yè)務(wù)的場(chǎng)景需求，基于3GPP TR 36.873[8]協(xié)議，表3分析了UMa-NLOS傳播模型的PL（Path Loss，路徑損耗）。

各類參數(shù)定義如下：

W——街道寬度（m），W=20（m）；h——建筑物平均高度（m），h=20（m）；d3D——基站天線與移動(dòng)臺(tái)天線直線距離（m）；hBS——BS（Base Station，基站）天線有效高度（m）；hUT——UT（User Terminal，移動(dòng)臺(tái)）天線有效高度（m）；fc——工作頻率fc=4.9（GHz）。

（2）干擾隔離距離分析

由于MCL并未考慮收發(fā)端天線增益，PL的值理論上可以看作是MCL、傳統(tǒng)大網(wǎng)基站單通道增益和行業(yè)網(wǎng)基站單通道增益之和。假定宏基站、微基站和分布式皮基站的單通道增益分別為16 dB、12.5 dB和2.5 dB，那么宏宏、宏微、宏皮三種典型場(chǎng)景下的PL值分別表示為：

其中考慮到宏基站與分布式皮基站的通信將產(chǎn)生穿透損耗，那么PL宏皮（穿損=20 dB）和PL宏皮（穿損=50 dB）分別為147 dB和117 dB。將上述四種場(chǎng)景下的PL值代入3D-UMa NLOS傳播模型[9-10]，可以推導(dǎo)出在NLOS場(chǎng)景下異幀結(jié)構(gòu)避免交叉時(shí)隙干擾的最小安全距離，如表4所示。

從表4的估算結(jié)果來(lái)看，宏宏、宏微基站部署場(chǎng)景在進(jìn)行基站站址規(guī)劃時(shí)，很難保證最小安全距離d3D的實(shí)現(xiàn)。即使是宏皮基站部署場(chǎng)景，在20 dB穿透損耗的場(chǎng)景下最少也需要1214 m左右的保護(hù)距離才能避免傳統(tǒng)大網(wǎng)下行對(duì)行業(yè)網(wǎng)上行的交叉時(shí)隙干擾。因此，1D:3U:1S幀結(jié)構(gòu)不能像5D:3U:2S幀結(jié)構(gòu)那樣大規(guī)模部署，而應(yīng)結(jié)合實(shí)際行業(yè)場(chǎng)景按需引入。

3 行業(yè)幀結(jié)構(gòu)部署建議

在滿足業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，優(yōu)先復(fù)用2.6 G Hz 7D:2U:1S幀結(jié)構(gòu)部署5G行業(yè)網(wǎng)；如果2.6 GHz幀結(jié)構(gòu)不能滿足行業(yè)網(wǎng)大上行需求，考慮4.9 GHz靈活的幀結(jié)構(gòu)部署補(bǔ)充垂直行業(yè)容量。由于不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的隔離度不同（全封閉場(chǎng)景和非全封閉場(chǎng)景），兩種幀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的干擾風(fēng)險(xiǎn)也不同，在滿足行業(yè)客戶需求的前提下，建議優(yōu)先采用5D:3U:2S幀結(jié)構(gòu)部署4.9 GHz行業(yè)網(wǎng)基站。

表3 UMa-NLOS傳播模型

表4 NLOS場(chǎng)景下避免異幀干擾的最小安全距離

針對(duì)垂直行業(yè)的大上行需求和本文干擾隔離距離分析，可分場(chǎng)景按需引入1D:3U:1S幀結(jié)構(gòu)，具體配置建議如下：

（1）對(duì)于穿透損耗較大、全封閉場(chǎng)景（50 dB左右穿透損耗，如地下礦井），行業(yè)網(wǎng)可按需部署1D:3U:1S幀結(jié)構(gòu)；

（2）對(duì)于穿透損耗一般、非全封閉場(chǎng)景（20 dB左右穿透損耗），大部分交叉時(shí)隙干擾可以通過(guò)控制傳統(tǒng)大網(wǎng)與行業(yè)網(wǎng)的基站間距解決，行業(yè)網(wǎng)可按需部署1D:3U:1S幀結(jié)構(gòu)；

（3）對(duì)于穿透損耗較小、非全封閉場(chǎng)景，行業(yè)網(wǎng)需謹(jǐn)慎部署1D:3U:1S幀結(jié)構(gòu)。

除了通過(guò)控制隔離間距的方式避免異幀干擾之外，少部分行業(yè)場(chǎng)景也可以借助一些干擾管理手段，解決異幀組網(wǎng)造成的交叉時(shí)隙干擾問(wèn)題。基于鏈路自適應(yīng)技術(shù)，行業(yè)網(wǎng)用戶可以通過(guò)判斷當(dāng)前時(shí)隙上行鏈路的受干擾程度、信道質(zhì)量，自動(dòng)調(diào)整調(diào)制編碼等級(jí)，進(jìn)而降低交叉時(shí)隙干擾的影響；基于功率抑制的思想，當(dāng)傳統(tǒng)大網(wǎng)確定了宏站干擾源基站后，可以對(duì)干擾源基站進(jìn)行業(yè)務(wù)信道降功率、控制信道降功率等手段規(guī)避交叉時(shí)隙干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了4.9 GHz異幀干擾問(wèn)題。首先，介紹了滿足行業(yè)場(chǎng)景的5D:3U:2S和1D:3U:1S兩種幀結(jié)構(gòu)配置及其網(wǎng)絡(luò)能力；其次，分析了傳統(tǒng)大網(wǎng)下行對(duì)行業(yè)網(wǎng)上行的交叉時(shí)隙干擾原理和場(chǎng)景，并結(jié)合3D-UMa傳播模型推導(dǎo)出異幀組網(wǎng)場(chǎng)景下的最小安全距離。最后，針對(duì)行業(yè)大上行業(yè)務(wù)需求，分場(chǎng)景給出了行業(yè)網(wǎng)1D:3U:1S幀結(jié)構(gòu)按需配置建議及異幀干擾解決方案，為垂直行業(yè)的幀結(jié)構(gòu)部署和行業(yè)網(wǎng)站址規(guī)劃提供了理論指導(dǎo)，后續(xù)還需進(jìn)行進(jìn)一步外場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證。