4G/5G协同组网关键技术研究

本文探讨了中国移动在2.6 GHz和4.9 GHz频段上进行4G与5G协同组网的技术方案与优化策略。针对5G大规模组网的需求，在2.6 GHz频段构建了适合的帧结构，并提出了半静态与动态两种载波级次的频谱共享机制以实现高效协同。通过对比分析两种频段下的覆盖能力、链路预算及信道损耗，在典型场景下发现2.6 GHz频段具备更高的连续覆盖性能（比4.9 GHz高约9 dB），从而能够有效解决大规模5G网络建设中的连续覆盖问题。研究结果为后续大规模5G网络规划提供了重要的理论依据与技术指导建议。

摘 要

【关键词】 4G/5G网络协同；帧结构；覆盖协同；语音协同；2.6 GHz；4.9 GHz

0 引言

2018年6月，在技术规范组第80次会议上，《3GPP工作组》已经完成了5G第一阶段全部功能的标准化工作[1]。
随着该技术体系逐渐完善，在2019年6月6日，《工信部》正式向中国电信集团、中国移动通信集团、中国联通以及中国国家 broadcasting公司发放了5G商用牌照[2]。
其中：

• 中国电信集团获得了频率范围为34 GHz至3 GHz（注：此处可能存在笔误需确认单位）；
• 联通公司获得了3 GHz至4 GHz频段；
• 移动公司占据了从2.5 GHz到约2.7 GHz以及4.8 GHz到4.9 GHz的部分频段（共占用了约16%的整体频宽）。
  这些商用牌照的发放结果加速了我国5G网络建设的步伐。

2019年被视为5G商用计划的关键一年。按照中国移动的5G发展规划，在本年的第二季度已完成2.6 GHz端到端Non-Standard Access（NSA）的商用部署，并于第三季度完成了2.6 GHz端到端Standard Access（SA）的预商用能力[4]。相比之下，4G依然是全球应用最广泛的网络体系，在中国移动已建成的4G基站中约占全国总量的一半之遥；而相比之下，则需要投入巨额资金并克服诸多技术难题才能启动大规模的5G网络建设[5]。值得注意的是，在国际标准指导下，中国联通和中国电信采用了较为普遍的3.5 GHz频谱组网方式：这一选择不仅得益于产业链较为成熟以及研发体系较为完善的特点[6]；而且具有在全球范围内具备通用适用性的优势；相比之下，则是中国移动在2.6 GHz频谱上虽然具备较广覆盖范围以及较低的投资成本；但其产业链成熟度相对不足以及起步较晚的特点不容忽视；此外还需要特别指出的是，在这种频谱中还包含有早期LTE频段的存在；因此在进行5G组网时需要特别注意频率带配置的问题；另一方面则是位于4.9 GHz频谱上的100 MHz带宽资源：虽然这样的频谱能够支撑更大的用户基数以及更高的数据流量水平；但其所需的基站密度更高且相应的资本投入规模也相应增大。

1 频谱演进分析

由于中国移动计划将5G网络部署在2.6 GHz和4.9 GHz两个频段中，并注意到其中2.6 GHz是移动网络的核心4G频段之一。因此，在研究如何实现2.6 GHz频段上的4G与5G协同组网技术以及如何有效结合这两个频段以提升网络性能方面展开工作是非常有必要的[7]。该研究对优化中国移动5G网络的整体性能至关重要[7]。

1.1 2.6 GHz频段帧结构

在5G新空中闲余中, 2.6 GHz频段资源因已划归4G用户使用, 带宽资源因此受到影响[8]。5G系统在2.6 GHz频段划分了单周期与双周期两种帧结构, 如图1所示, 该设置旨在确保与2.6GHz LTE网络共存, 因此采用了统一的上行转换点设计, 其常规配置值设定为5 ms周期长度。具体而言, 该系统采用10个slot的标准时长设置: 在特殊子帧内采用DDDDDDDSUUU...模式设置符号配置。

基于现有设置（DSUDD）的框架设计，在优化5G帧配置方面需特别注意以下几点：首先必须确保现网业务负荷与新接入系统的兼容性问题得到妥善解决为此方案必须形成统一的模块架构以实现LTE-NR技术的有效融合[9]。其次，在优化过程中应当充分评估现有的资源分配效率以确保新老系统间的协调运行为此建议优先选择单周期模式并采用8:2的偏移分配方案具体实施细节可参考附图中的示意图

1.2 4.9 GHz频段帧结构

该系统采用4.9 GHz频段支持2.5 ms的单周期与双周期配置模式，在图3中进行展示，并适用于eMBB及垂直行业的不同需求。其中，2.5 ms双周期帧结构模式为DDDSUDDSUU配置，在性能上更适合于eMBB业务；而2.5 ms单周期帧结构模式为DSUUU配置，在该模式下不仅上行容量较大且时延较短（相比其他配置方案），还特别适合满足垂直行业对通信性能的具体需求。

基于4.9 GHz帧配置的研究中

根据表2的数据显示，在空口状态下，2.5ms的单周期和1ms的单周期帧结构相较于2.5ms双周期帧结构能够带来更低的时延性能。此外，在空口状态下，最大时延值均未超过8ms。

2 频谱共享

在2.6 GHz频段上由于LTE已预留的频率资源，在实际应用中应当重点考虑LTE系统运行时的干扰问题，并参考文献[10]的相关建议。如图4所示，LTE系统与新型技术（如5G）共享160 M带宽，在邻接频率部分，建议根据系统的承载能力及用户体验需求选择合适的动态调整策略以确保通信质量。

基于5G标准带宽配置，在5G频谱范围内共享一部分频率资源来实现4G信号的传输，并能够显著地提高频谱使用效率。

频谱共享可划分为半静态型与动态型两种策略，在信息交互的基础上实现秒级载波级4G/5G频率的同步分配。其中, 半静态型基于各系统的负载状况, 通过多跳时延下的信道资源分配机制, 实现动态变化下的高效频谱利用。

动态共享是通过共调度，实现PRB级或TTI级4G/5G频率共享，如图6所示 。

3 覆盖能力协同

对1.8 GHz、2.6 GHz以及4.9 GHz三种频率范围的覆盖性能进行了系统分析。

3.1 上下行信道链路预算

包括2.6 GHz时延、1.9 GHz TD-LTE、1 800 MHz LTE-FDD、2.6 GHz NR和4.8 GHz NR的控制信道链路预算分别如图3和图4所示：

该系统采用多种先进频段配置：包括2.6 GHz时延性能、1.9 GHz TD-LTE技术、1800 MHz LTE-FDD技术以及4.8 GHz NR网络架构等；其各频段间的业务信道链路预算分别对应如图7和图8所示 的详细分布情况。

从图7中可以看到，在MCL对比下行的小区边缘阈值中，“最大路径损耗值”为2.6 GHz NR时达到131 dB。“其后是”的4.9 GHz NR、1 800 MHz LTE-FDD、1.9 GHz TD-LTE和2.6 GHz TD-LTE均达到了125 dB。

通过查看图8的数据可以看出，在频段为约1.8 GHz的LTE-FDD技术下实现的最大路径损耗数值达到了峰值值高达 MCL ），其次是在频段为约 LTE-FDD 的情况下表现出了最佳性能。其后的是：当采用约 NR 技术时，在相应频段下的路径损耗数值分别为以下数值——在频段为约 NR 的情况下对应的路径损耗值约为 dB ，而在频段为约 TD-LTE 的情况下对应的路径损耗值则略低至 dB ，最后是：当采用更高的频率如 NR 技术时，在相应频段下的路径损耗数值进一步降至了 dB 。

3.2 覆盖能力分析

LTE的单发射场景以及NSA模式场景如图9所示，在这种情况下,LTE与NR设备在上行发送功率方面均采用了20 dBm（即100 mW）。两者之和则达到了23 dBm（仍为100 mW）。

在TDD配置模式下采用了8T8R天线，在FDD setups中则应用了4T4R架构设计。为了确保高效的通信性能，在数据传输层面采用了23.85 kbit/s⁻¹的编码速率设置。为提升系统的抗干扰能力与传输质量，在数据包格式设计上采用了健壮性包头压缩（ROHC, Robust Header Compression）技术方案。通过结合TTI bundling与语音增强CoMP技术策略，在信道状态与信道质量评估方面均取得了显著提升效果

在1.8 GHz和1.9 GHz频段之间进行比较分析如图所示 ，通过分析发现，在图表中可以看到FDD 1800M的覆盖性能更优，并且这种差异有助于提升语音质量。值得注意的是，在NSA型终端设备上实现上行功率减半会导致3 dB的覆盖衰减（即造成3 dB的覆盖损失）。进一步对比发现，在这种情况下相比而言，1.8 GHz频段相较于1.9 GHz频段能够累计提升约5dB以上的覆盖性能，并且这种差距足以弥补NSA型终端在上行功率上的损失以满足语音信号的有效传递需求。

本研究采用了FDD\ 1800M技术方案作为研究基础。如图所示，在满足边缘传输需求的同时实验结果表明，在满足边缘传输需求的同时FDD\ 1800M实现了4G与5G间的无缝连接。其中，在上行方向上具有更高的速率性能的 anchor points（即 anchors 在本研究中被命名为 anchor points）能够有效拓展业务范围。

在5G网络中运行的高效率业务对边缘节点的下行传输速率提出了更高的要求。这相应地提升了上行链路的传输效率。新型双频组网技术（NR-1.8 GHz）相比传统5G网络具有更高的整体传输速率，并且在上行链路上资源更为丰富。这种提升不仅有助于扩大服务范围。得益于其更大的容量优势，在现有条件下应当充分挖掘其潜力。通过连续覆盖技术将无线信号延伸至非5G区域，并结合多载波聚合技术和动态负载均衡算法以最大限度减少4/5 GHz频段间的切换抖动和性能波动。

本研究对2.6 GHz与4.9 GHz频段的链路预算进行了系统性比较分析，在常规环境下，4.9 GHz的覆盖性能比2.6 GHz低9 dB。相较于2.6 GHz而言，4.9 GHz频段在信号传播能力上存在明显劣势。值得注意的是，在常规环境下其覆盖性能略显不足，并不建议将其作为室内与室外环境同频干扰下的通用解决方案。

4 结束语

本文探讨了2.6 GHz与4.9 GHz频段间的4G/5G协同策略问题。首先对各频段的帧结构模式进行了深入分析，在对4G与5G间的上下行信道链路进行预算评估时，通过对比两组频段下的覆盖性能及典型场景下的衰减程度发现：在2.6 GHz频段下具备更强的连续覆盖能力（高出9 dB），由此可得，在2.6 GHz频段下能够有效解决5G信号连续覆盖的问题；而由于其显著局限性，在室内与室外同频干扰方面无法提供普遍适用的有效解决方案。综上所述，本文的研究成果对于大规模部署5G网络提供了理论支持。