0 引言以 5G 為代表的時分雙工（Time-Division Duplex，TDD）移動通信網(wǎng)絡(luò)具有易于調(diào)整上下行比例的優(yōu)點，但也會出現(xiàn)交叉鏈路干擾（Cross-link Interference）。如不同運營商（主體）在同一區(qū)域鄰頻部署5G網(wǎng)絡(luò)，如果相互之間沒有同步及上下行時隙配比協(xié)調(diào)，就會出現(xiàn)同一時刻某家運營商的基站（終端）處于發(fā)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(fā)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(dǎo)致嚴(yán)重互擾。針對我國5G系統(tǒng)頻率許可情況，中國電信和中國聯(lián)通5G系統(tǒng)在3.5GHz頻段、中國移動和中國廣電5G系統(tǒng)在4.9 GHz頻段均存在鄰頻情況。考慮到我國5G網(wǎng)絡(luò)處于建設(shè)初期，運營商采用共建共享方式部署網(wǎng)絡(luò)，目前承載業(yè)務(wù)以下行為主，所以5G系統(tǒng)尚未出現(xiàn)嚴(yán)重的交叉鏈路干擾。但隨著5G行業(yè)應(yīng)用的日益廣泛，局部區(qū)域以上行為主的業(yè)務(wù)需要調(diào)整系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)共存問題較為復(fù)雜，需要對中頻段5G系統(tǒng)的兼容性開展研究，制定相應(yīng)技術(shù)方案。考慮到基站間交叉鏈路干擾最為嚴(yán)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(tǒng)共存方案鄰頻5G系統(tǒng)共存方案主要有兩類，一類是同步共存方案，即通過協(xié)商實現(xiàn)不同5G系統(tǒng)間的同步運行，即多個5G基站在同一時刻均為發(fā)射或均為接收的狀態(tài)；另一類是非同步共存方案，即通過設(shè)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(yōu)缺點，滿足不同場景應(yīng)用需求。1.1 同步共存方案

同步共存方案是目前國內(nèi)外主流的5G系統(tǒng)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(tǒng)的共存實現(xiàn)方案。由于5G系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)略有不同，但收發(fā)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(jié)構(gòu)，主要包括上下行時隙、幀長等內(nèi)容，相關(guān)參數(shù)決定了網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的時鐘同步誤差一般要求在（-1.5 ~ 1.5 μs）以內(nèi)。1.1.2 半同步模式

半同步模式是指系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)采用固定的幀結(jié)構(gòu)，其中部分上下行時隙不做規(guī)定，所有基站在發(fā)射前實現(xiàn)幀同步。半同步模式允許不同網(wǎng)絡(luò)對幀結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(wǎng)絡(luò)沒有同步和兼容幀結(jié)構(gòu)的要求。不同5G網(wǎng)絡(luò)獨立選擇最合適的幀結(jié)構(gòu)滿足業(yè)務(wù)需求，但幀結(jié)構(gòu)的靈活選擇會導(dǎo)致共存干擾較為復(fù)雜。該模式主要通過增加隔離度減少系統(tǒng)間干擾，例如采用設(shè)置保護帶、增加濾波器、空間隔離等措施。

2 5G系統(tǒng)共存技術(shù)要求及性能分析

2.1 同步共存方案的技術(shù)要求及性能分析

2.1.1 幀結(jié)構(gòu)是同步共存方案的關(guān)鍵

同步共存方案降低了系統(tǒng)靈活性，運營商協(xié)調(diào)確定兼容性幀結(jié)構(gòu)，無須預(yù)留保護帶就可以實現(xiàn)鄰頻5G系統(tǒng)的共存。幀結(jié)構(gòu)的選擇決定了5G系統(tǒng)上下行速率、時延、覆蓋等性能。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，5G系統(tǒng)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(shù)由系統(tǒng)參數(shù)集（Numerologies）確定。對于eMBB應(yīng)用，3GPP建議中頻段5G系統(tǒng)采用30kHz子載波間隔，通過設(shè)置子幀中的符號傳輸方向?qū)崿F(xiàn)上下行配置。常用的4種典型幀結(jié)構(gòu)如下。

結(jié)構(gòu)1：2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)，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(jù)需要進行調(diào)整，常用配置為10∶2∶2比例，幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)2：2.5 ms單周期幀結(jié)構(gòu)，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(jù)需要進行調(diào)整，常用配置為10∶2∶2比例，幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 2.5 ms單周期幀結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)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(jù)需要進行調(diào)整，常用配置為10∶2∶2比例，幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)3幀結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)4幀結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 不同幀結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能分析

（1）傳輸速率分析基于符號數(shù)目的4種不同幀結(jié)構(gòu)下的容量和開銷對比如表1所示，根據(jù)3GPP技術(shù)規(guī)范，利用公式（1）對系統(tǒng)上下行速率進行計算

表1 不同幀結(jié)構(gòu)的容量和開銷

對于中頻段4T4R的100 MHz帶寬5G系統(tǒng)，采用μs = 1的參數(shù)集，不同幀結(jié)構(gòu)配置下的5G系統(tǒng)上下行峰值傳輸速率見表2。表2 5G系統(tǒng)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(yè)務(wù)場景，采用同步方案需要根據(jù)需求協(xié)調(diào)采用兼容幀結(jié)構(gòu)。

（2）覆蓋性能分析幀結(jié)構(gòu)中特殊子幀內(nèi)上下行轉(zhuǎn)換保護間隔（GP）數(shù)量對覆蓋有明顯影響，選擇不同GP數(shù)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(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

其中，c是光速，T[Rx-Tx,UE]是終端從下行接收到上行發(fā)射的轉(zhuǎn)換時間，該值與輸出功率的精確度有關(guān)，典型值是10~ 40 μs，假定取10 μs。對于中頻段5G系統(tǒng)，采用μ = 1的參數(shù)集，特殊子幀中GP數(shù)量有所差異，基站最大覆蓋距離如表3所示。

表3 不同幀結(jié)構(gòu)的5G系統(tǒng)覆蓋性能

結(jié)構(gòu)1~3特殊子幀中GP數(shù)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(jié)構(gòu)中的固定時隙不會產(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)，但會受到其他網(wǎng)絡(luò)的干擾。大多數(shù)情況下，由于終端通常是移動的，間歇性發(fā)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(wǎng)絡(luò)，但不會受到其他網(wǎng)絡(luò)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(nèi)小基站可以鄰頻共存，室外宏站不能共存，3GPP正在研究相關(guān)干擾消除算法。半同步模式要求5G系統(tǒng)間時鐘同步誤差在（-1.5~1.5μs）以內(nèi)。

2.2 非同步共存方案的技術(shù)要求

非同步共存方案主要是引入各種緩解措施減少系統(tǒng)間干擾，常用的緩解措施包括預(yù)留保護帶、加裝濾波器、增加空間隔離、區(qū)分室內(nèi)/外部署等。非同步方案的優(yōu)勢在于運營商可以根據(jù)應(yīng)用場景靈活配置網(wǎng)絡(luò)，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(biāo)準(zhǔn)。目前，常用的干擾忍受準(zhǔn)則有兩種，一種是5G系統(tǒng)性能下降準(zhǔn)則，ECC建議采用受擾系統(tǒng)上行平均速率下降5%作為評估準(zhǔn)則，但對于5G的URLLC場景應(yīng)用，評估準(zhǔn)則會更加嚴(yán)格；另一類是常用的系統(tǒng)共存準(zhǔn)則，一般采用干擾噪聲比低于-6 dB作為評估準(zhǔn)則。

2.2.1 預(yù)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(tǒng)，預(yù)留5MHz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(fù)雜性，目前還沒有對其保護帶寬和濾波器的技術(shù)研究。考慮到有源天線系統(tǒng)濾波器較為復(fù)雜，預(yù)留保護帶寬會導(dǎo)致頻譜效率下降，所以該措施在實際應(yīng)用中效果并不理想。ECC報告提出基于現(xiàn)有濾波器技術(shù)，需要預(yù)留20MHz帶寬才能確保有效緩解有源天線5G系統(tǒng)的交叉鏈路干擾。

2.2.2 空間隔離措施根據(jù)干擾忍受的兩類準(zhǔn)則，通過仿真或理論計算可以確定非同步網(wǎng)絡(luò)的隔離距離。根據(jù)ECC研究報告，3400~ 3800 MHz頻段非同步模式在不預(yù)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(qū)分室內(nèi)/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(yōu)化部署（如安裝在天花板或遠離窗口）的室內(nèi)小基站可以共存。

2.2.3 利用多種措施確保邊界區(qū)域信號場強低于限值根據(jù)干擾忍受準(zhǔn)則，基于傳播模型，計算邊界區(qū)域地面3m處的干擾信號場強限值。5G網(wǎng)絡(luò)必須采用降低發(fā)射功率、調(diào)整天線方向、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署等措施確保邊界區(qū)域信號低于干擾限值。考慮到有源天線方向圖的復(fù)雜性，利用傳播模型計算邊界區(qū)域干擾場強限值較為復(fù)雜。德國監(jiān)管機構(gòu)制定了3700~ 3800 MHz頻段不同5G網(wǎng)絡(luò)邊界區(qū)域場強限制，要求邊界區(qū)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(tǒng)共存技術(shù)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(yù)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(dǎo)致5G系統(tǒng)頻譜效率降低、使用范圍有所限制、建網(wǎng)成本增加，目前國外優(yōu)先選擇同步共存方案實現(xiàn)鄰頻5G系統(tǒng)共存。對于我國中頻段5G系統(tǒng)共存有以下建議。

一是鄰頻5G系統(tǒng)優(yōu)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(chǔ)上，建議運營商協(xié)調(diào)選取兼容的幀結(jié)構(gòu)。盡管幀結(jié)構(gòu)限制會降低5G系統(tǒng)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(yōu)先推薦的共存方案。

二是在運營商無法達成全同步共存協(xié)議或鄰頻兩個5G系統(tǒng)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(tǒng)間會產(chǎn)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(xié)調(diào)協(xié)議，明確邊界場強限值，綜合利用預(yù)留保護帶、增加空間隔離、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署等多種干擾緩解措施確保5G網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

三是由監(jiān)管機構(gòu)制定5G網(wǎng)絡(luò)的共存協(xié)議框架，指導(dǎo)相關(guān)運營商達成鄰頻5G系統(tǒng)共存方案。對于全同步方案明確相關(guān)技術(shù)參數(shù)（包括參考時鐘、參考幀結(jié)構(gòu)、同步技術(shù)）、部署區(qū)域；對于半同步方案還需要明確靈活子幀中下行時隙變?yōu)樯闲袝r隙的位置；對于非同步方案需要明確使用區(qū)域、隔離度要求、邊界場強限值等指標(biāo)。

4 結(jié)束語

針對同頻段5G系統(tǒng)共存問題，本文分析了兩類技術(shù)方案，綜合考慮多個因素，全同步共存是較優(yōu)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(yè)應(yīng)用日益廣泛，鄰頻5G共存問題將日漸突出，監(jiān)管機構(gòu)制定共存框架有利于指導(dǎo)運營商達成協(xié)議，實現(xiàn)頻率資源的高效使用。