动态频谱共享DSS技术关键问题分析

研究
Technology Study
I G I T C W 技术
16DIGITCW
2020.09
0 引言
当前频谱管理多采用固定的频谱分配策略，这种做法在避免各用户之间相互干扰的同时，可能存在独占频谱造成的频谱闲置、利用不充分等问题。

随着用户业务数据的快速增以及5G 网络的大规模部署，对频谱资源的需求也会快速增长，当前的移动网络需采用更先进的频谱资源管理方法来满足业务增长的需求，如通过频谱共享技术、使用现有IMT 频段和5G 其他关键技术，从而提高频谱利用率，缓解频谱资源紧缺的矛盾。

1 频谱共享与技术方向
如今，频谱资源共享作为新型的频谱管理技术受到业界比较多的关注。

频谱共享技术是认知无线电网络中的重要技术，核心的理念是机会式频谱利用。

1.1 分类方式
频谱共享技术包含多种分类方式：一是基于频谱资源授权方式，分为免许可频谱共享和授权频谱共享；二是基于频谱资源分配方式，分为静态共享和动态共享；三是基于频谱资源分配行为，分为共存式共享和非协作式共享[4]。

目前，频谱共享技术的研究包括异系统间共享、多RAT 间共享、系统内小区间共享和不同制式间共享频谱资源。

共享者之间对频谱可有相同占用等级，也可以有
不同占用等级。

频谱共享技术主要利用认知无线电技术探测频谱，也可通过查询频谱数据库获取可用频谱资源，然后进行高效的频谱管理，实现频谱资源的最大化的利用。

1.2 4G/5G 频谱动态共享DSS
一般来说，频谱共享的主要应用场景包括：运营商内无线接入技术（RAT ）间的频谱共享；运营商间的频谱共享；免授权频段的频谱共享；次级接入频谱共享。

本文探讨的场景主要是运营商内部无线接入技术即4G/5G （LTE/NR ）之间跨系统的动态频谱共享技术。

从技术上来说，4G 和5G 之所以可以共享，主要是由于5G 协议栈设计源于4G ，具有较高的继承性和相似性。

以2.1 GHz 频段为例：首先，4G/5G 具有相同的帧结构：10 ms 帧，1 ms 子帧（slot ）；其次，4G/5G 具有相同的子载波间隔：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CP-OFDM （5G ）可共存。

1.3 动态频谱共享涉及的技术方向
目前，频谱共享技术需要研究的关键问题包括新型网络架构，无线接口设计，物理层技术如频谱检测机制和算法，高层技术如频谱资源管理与分配，射频技术如支持灵活带宽和工作频点的新型射频技术以及多系统整合带来的安全性问题[1]。

动态频谱共享DSS 技术关键问题分析
钱　会
（中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510000）
摘要：首先介绍了4G/5G 动态频谱共享的概念，在梳理了DSS 标准进展及产业链情况后，提出了4G/5G 动态频谱共享技术方案，并进行了性能分析，提出了4G/5G 动态频谱共享面临的若干技术关键点，最后给出部署策略建议。

关键词：动态频谱共享；4G ；5G ；部署策略；频谱资源利用率doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2020.09.005中图分类号：TN914.4，TN92 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2020）09-0016-03
Analysis of Key Problems of Dynamic Spectrum Sharing DSS Technology
QIAN Hui
(China Mobile Group Guangdong Co., Ltd., Guangzhou 130000, China)
Abstract :This paper first introduces the concept of 4G/5G dynamic spectrum sharing. After combing the progress of
DSS standards and the industrial chain, it puts forward the technical scheme of 4G/5G dynamic spectrum sharing, analyzes the performance, and puts forward some technical key points of 4G/5G dynamic spectrum sharing, and finally gives the deployment strategy suggestions.
Keywords :dynamic spectrum sharing; 4G; 5G; deployment strategy; spectrum resource utilization
作者简介： 钱会（1981-），男，工程师，硕士，毕业于西安电子科技大学，就职于中国移动通信集团广东有限公司，主要研究方向为4G/5G 移动通信网络的
新技术研究及网络规划工作。

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数字通信世界
2020.09
（1）网络架构与接口。

修改网络架构，以集中式架构为主，结合分布式架构，设计新增节点的接口和共享节点间的接口。

在现有共享节点之上新增高级频谱管理节点，用于维护管理共享资源池、获取共享节点的需求申请、执行频谱分配决策。

各共享节点进行测量和需求统计，并接收频谱分配结果，执行节点内的资源重配置。

（2）高层技术。

研究频谱共享的高层技术，解决频谱共享导致的频谱资源动态变化和多优先级网络共存问题。

基于不同系统架构，研究对于所获取的大量零散频谱资源进行高效分析与管理、多共享节点间的频谱最优与公平协商、基于预测和代价分析等的频谱切换、接入控制、跨层设计等，并分析对现有的网络接入、业务流管理、移动性等流程的影响。

（3）物理层技术。

研究频谱共享的物理层技术，通过频谱检测等方式获得频谱使用状况，设计测量与反馈机制、信道和参考信号等，实现结果上报和频谱资源的配置与使用，研究基于主动干扰认知等方式的干扰管理，适应频谱共享带来的干扰环境变化。

结合认知网络技术，分析可能的多址方式。

（4）射频技术。

对于射频技术，在多模多频芯片成为市场主流的情况下，分析面向未来的支持频谱共享技术的新型射频，能够支持更广的频率范围，在多通道同时工作时有效处理互干扰，能支持灵活带宽的射频，支持在相同频谱中接入不同系统时的灵活调制，以及通过多路检测或压缩感知等方式的宽频谱检测等功能，寻求射频参考结构与参数。

此外，还包括共享频谱的系统间共存、各场景下的组网方案设计、多系统整合带来的安全性技术问题等。

2 D SS 技术应用分析
2.1 N SA 组网下DSS 技术分析
NSA 组网下部署DSS 技术一般需要使用异频LTE 载波为锚点，即需要两个4G 载波，一个作为锚点，在另一个载波上做LTE 和NR 的DSS 。

在NSA 组网下部署DSS 优势包括：支持基于现网设备的快速部署，提升NR 覆盖，通过5G 图标提升品牌影响力。

在NSA 组网下部署DSS 劣势包括：SA 即将到来，提供网络切片的差异化服务（时延），NSA DSS 价值需根据SA 商用时间做重新评估[2]：
（1）NSA 下终端若要支持FDD+TDD NR 的载波聚合，需要支持3个频段，这种情况优先级较低。

（2）因NSA DSS 需要两个LTE 频段，势必会与联通的NSA 5G 共建共享方案有所冲突，对于4G 锚点基站的负荷会进一步增大，同时还需与联通进行沟通协调，
具体影响还需根据各种共享方案评估。

2.2 动态频谱共享设计
尽管动态频谱共享技术非常有吸引力，但是技术的实现难度依然很大。

一方面是如何规避LTE 和NR 之间的信号/信道冲突干扰，另一方面是如何实现LTE 和NR 用户的最优调度，主要通过系统厂商私有资源分配调度算法实现。

动态频谱共享设计要求：一是避免4G 和5G 重要的接入信道和参考信号间发生冲突，5G NR 的下行参考信号有SSB 、DMRS 等，LTE 的下行参考信号有CRS 等。

二是不会对LTE 用户产生任何影响。

总的来说，动态频谱共享的主要设计思想为以动适静，LTE 优先，NR 适时插入。

这主要是由于LTE 各种物理信道和信号配置相对粗放，控制信道、参考信号等均为全频带映射。

NR 同样存在各种物理信道和信号，因此，存在信道间冲突的可能性。

从原理上看，在动态频谱共享技术下，由于4G 信令和5G 信令共存，会带来一定的信道容量损失。

容量损失的大小考验设备商的解决方案。

此外，动态频谱共享实现的颗粒度也是衡量解决方案的标尺之一。

由于动态频谱共享需跨越不同制式的网络调度，调度程序需在1-100 ms 之间的颗粒度范围内响应不断变化的流量需求。

2.3 D SS 开销分析
5G NR 空口继承了LTE 正交频分多址技术，引入Filtered-OFDM ，更好地控制发射信号在系统带外的泄露，降低NR 系统带宽内的保护间隔的开销，提升频谱利用率。

以20 MHz 带宽、15 kHz 子载波间隔为例，LTE 可用子载波为100 RB ，NR 可用子载波为106 RB ，频谱利用率提升约6%[3]。

NR 取消了小区级参考信号CRS ，保留UE 级参考信号DMRS 、CSI-RS 和SRS ，并针对高频场景中的相位噪声，引入参考信号PTRS 。

NR 主要的参考信号仅在连接态或有调度时传输，降低了基站的能耗和组网干扰的同时，进一步提升频率利用率。

然而在部署DSS 时，不可避免地存在LTE 与NR 系统同时共存的情况，例如在20 MHz 或以下带宽内中实现DSS ，此时即使在NR 空载时，也会对LTE 系统带来额外的开销。

表1 DSS
开销分析
NR 系统配置：下行SSB （20RB ）和RMSI （24RB ），
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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 。

在优先保障LTE 的原则下，当LTE 下行PRB 负荷增大时，NR 可用资源和可调度的用户数会下降。

表2 DSS
支持的用户数示意
注：1.假设每个用户平均占用3CCE 。

2.以上NR 支持用户数，为上行调度用户和下 行调度用户的总和。

虽然在DSS 中可以设置LTE 调度优先，但是NR 还是有些必要开销，例如SSB RMSI MSG2/4 Paging 这些固定开销，以及调度机制造成整体资源利用率的下降，其对LTE 系统的影响，只能通过2.1 GHz 申请相邻的新频率来减小甚至避免。

DSS 技术本身无法解决上下行资源不平衡的问题。

NR 上行资源的需要通过下行NR PDCCH 调度，在DSS 的下行设计中，即使没有NR 下行数据包，同一RB 内NR PDCCH 后的RE 资源，也不能被LTE 使用。

2.4 4G/5G 共享对DSS 的影响
DSS 载波由于同时为4G/5G 用户服务，在网络共享并叠加制式间调度排序，将进一步引入复杂性。

（1）支持LTE 优先以及NR 优先，默认LTE 优先。

无论哪种制式优先，另外一种制式的基础体验需要得到保证，另外一种制式的基础体验满足程度可以依据运营商的需求进行调整。

（2）不同运营商共建共享时，例如电联共享20M ，同时开启DSS ，建议制式优先，制式内部可进行运营商之间的共享策略。

比如，电联的4G 业务优先，在4G 业务内部可以采用4G 的网络共享策略；然后再考虑分配电联5G 用户的资源。

建议采用这种方案，以尽可能降低在DSS 下对于4G 业务的影响。

3 结束语
本文首先概述了频谱共享的概念，提出了4G/5G 动态频谱共享技术方案，并进行了性能分析及实验室测试，最后提出了4G/5G 动态频谱共享的部署策略，提升已有频谱资源利用率的同时，快速实现低建网成本的5G 基础覆盖。

参考文献
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the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz for WRC-19 agenda item 1.13，China ，2016，Sep. 28.
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allocation in composite reconfigurable wireless networks"[J]. IEEE Communications Magazine. May 2004.[3] F CC ，ET Docket No. 03-108.
[4] 周钰哲.动态频谱共享简述[J].移动通信，2017，41（3）：14-17.
（上接第48页）进行独立注册、发现和升级，从而构建满足多个行业的逻辑服务层。

同时服务层支持面向客户的
定制化网络功能参数，如带宽、计算资源需求、流量路径、时延要求等，从而可精细化、智能化的满足多样化业务需求的统一、安全、可靠承接。

如基础网络构建面向金融行业的低时延切片网络、面向政企客户的高带宽切片网络等。

（4）基础设施层。

该层为构建整个端到端的基础网络，根据网络层次可分为接入网、承载网、核心网、以及用于承接客户应用的IT 基础设施。

总体来看，面向政企业务的端到端切片可以很好地满足客户的业务需求，很大程度上提升资源的利用效率。

但同时切片技术在标准方面有待3GPP R16版本中进一步完善，如切片的管理流程在R15中并未定义。

4 结束语
5G 的规模商用，不仅仅是对于传统移动通信方式、
带宽能力的逐代更迭，更多的将是依靠5G 技术优势，
与垂直行业的深度整合，赋能各行各业。

虽然5G 应用前景广阔，但是也面临很大挑战，如与行业应用处于起步探索期，更多成熟可规模推广的应用有待进一步验证；网络建设成本也是制约规模建设的主要因素，如何在传统的建设模式基础上进一步探索新技术、新模式实现网络快速覆盖也成为关注的重点。

参考文献
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广西电力，2019（5）.
[3] 宋熠，杜诗雨.5G 网络切片对业务场景的支持与发展现状[J].软件，
2018，39（8）：156-161.
[4] 孙颖，李若朋，邓超等.基于云网统一切片技术的5G 专线业务设计与实
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[7] 马斌，蒋燕，郑晖.面向云网融合的政企专线网络转型技术的创新探索[J].
电信技术，2018（12）：73-76.。