[4G&5G专题-5]:RRU 全面了解什么是4G+5G RF动态频谱共享?

发布于:2021-05-15 00:07:45

前言:


建议在了解动态频谱DSS之前,前先了解《[5G专题-4]:RRU 全面了解什么是4G+5G RF静态射频共享?》https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/112265675,以便更容易理解本文的内容。



目录


1.?什么是动态频谱共享DSS?


1.1?动态频谱共享大众化的解读


1.2?动态频谱共享专业化的解读


1.3??实现动态频谱共享的条件


1.4?动态频谱共享的提出与发展


2. 动态频谱共享DSS与静态射频共享的比较


3. 如何部署动态频谱共享?


4?动态频谱共享的好处?


5.?动态频谱共享的技术实现


5.1?动态频谱共享技术的本质


5.2?动态频谱共享技术实现方法之“基于MBSFN”


5.3?动态频谱共享技术实现方法之“基于5G的mini-slot”


5.4?动态频谱共享技术实现方法之“基于NR CRS RM”


6.?动态频谱共享技术好坏的衡量指标




1.?什么是动态频谱共享DSS?
1.1?动态频谱共享大众化的解读


1.2?动态频谱共享专业化的解读


动态频谱共享(DSS,Dynamic Spectrum Sharing),就是允许4G LTE BBU和5G NR BBU共享相同的RRU FPGA、相同的RFIC、相同射频载波频谱,并将“时频资源PRB动态分配给4G和5G用户。


(1)理解动态频谱共享概念的几个关键点:


共享源:4G和5G的基站。共享对象:是5M/10M/15M/20M带宽的频谱资源(时频资源PRB),而不仅仅是RFIC硬件处理单元.共享的方式:为4G LTE基站和5G NR基站动态的分配各自的时频资源,也就是5G借用了4G的时频资源。

如下图所示:



(2)此部署方式的特点:


需要增加新的5G BBU或5G DSP基带处理单元。需要修改4G BBU需要在4G和5G BBU之间增加新的关于共享的时频资源PRB的调度信息。共享4G已经部署在现场的RRU硬件。需要升级RRU软件,使之支持4G+5G RRU共享4G和5G的FPGA数字处理单元是共享的,4G和5G的RFIC射频处理单元是分开的,各自共享的。4G和5G的空口频谱资源是分开的,各自共享的。在此部署下,虽然物理上是不同的BBU,?对于RRU而言,4G和5G BBU相同于同一个BBU, 天线信号也是来自同一个小区Cell的信号。

(3)技术实现


4G和5G的BBU因为需要共享相同载波频率,相同的时频资源PRB,因此需要紧密协作,4G和5G的BBU,协调使用共享PRB资源,不能有所冲突,调度步调也需要一致 。


因此RRU FPGA需要把4G和5G的基带信号合并成一路重叠在一起的中频信号。


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(4)优点


5G的基站,不但可以复用4G的RRU硬件设备,还可以与4G的基站,共享相同的频谱资源、共享相同的时频资源,节省了RRU硬件资源的同时,还节省了频谱资源。4G和5G可动态的分配PRB的时频资源。

(5)缺点


软件设计复杂。虽然4G和5G是动态共享的时频资源PRB,但很显然,5G基站消耗了4G的频谱资源, 实际上对4G LTE的性能造成影响。只适合一些特定需要增加5G广覆盖的的场合,实际上5G的多模手机,都支持4G, 因此这种共享4G的频谱的5G部署,意义其实并不大。

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1.3??实现动态频谱共享的条件

(1)5G终端:必须支持动态频谱共享,否则不能驻留在低频段享受覆盖增益;


(2)4G终端:必须兼容现网的4G终端,否则原有4G终端无法在该4G频段发起呼叫;


(3)4G网络:最小化影响4G网络运行,直接软件升级,无需上站更换硬件,这要求现网的4G设备必需硬件支持4G和5G混模;


(4)调度周期:低频段资源宝贵,最大化提高频谱效率,在每个时隙1毫秒级别动态分配频谱资源。


因为小区实际话务量瞬间波动很大,如果动态转换时间过长,譬如达到100ms,会导致某些5G用户的流量已经从波峰切换到波谷时, 小区调度器才从4G转换到5G,而这时的5G用户已经不再需要被调度了。


1.4?动态频谱共享的提出与发展

爱立信在2017年首先推出动态频谱共享概念,


在2018年2月巴展展示功能验证,


2018年年中把实现这一能力的所有技术成功贡献进3GPP R15规范,


并于2019年2月巴展上宣布和商用芯片测试成功。


到今天,爱立信已经和三款主流商用芯片测试成功毫秒级别的动态频谱共享,


2020年将和更多的商用芯片及终端做商用测试,配合运营商在更多4G低频段快速商用部署5G。


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2. 动态频谱共享DSS与静态射频共享的比较

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(1)静态RF共享:?


指在同一频段内(Band)为不同制式的技术(比如4G和5G)分别提供不同的、专用、固定分配的、独立的、载波资源。这种方式“简单透明”,但频谱利用率较低。


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(2)动态频谱共享:


指在同一频段内(Band)为不同制式的技术(比如4G和5G)同时提供相同的、动态、灵活分配的、单一共享的、时频资源。这种方式可提升频谱效率,且利于4G和5G之间*滑演进。


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3. 如何部署动态频谱共享?

步骤1:在现有的4G RRU基础上升级成支持4G+5G动态频谱共享的RRU.



传统网络部署方式需新增5G BBU、RRU和天线,而动态频谱共享可利现有4G网络的频段、RRU和天线,理论上讲,只需更换或添加BBU单元即可快速将4G网络升级到5G。


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步骤2:更换BBU或升级BBU单元



基带部分,动态共享频谱有两种部署方式:


一种是在原有4G BBU的基础上,新增5G BBU或基带板。一种是用原来4G BBU的基础上,升级同时成支持4G+5G的BBU。

注意:


用于在4G LTE与5G NR之间的交换PRB调度信息的专用通信接口是厂家独有的,非开放的。


这意味着动态频谱共享部署绑定于单一厂商,不支持多供应商部署。



4?动态频谱共享的好处?

(1)利用4G的低频段实现5G广覆盖(共存法)



5G自身的频段频率较高,信号穿透能力较弱,即使在密集城区,5G信号也难以渗透入室内场景,5G单站覆盖距离小,难以在短时间内实现连续的5G广覆盖。


而目前的低频段频谱资源几乎都被2/3/4G占据,且由于2/3/4G,尤其是4G,将与5G长期共存,因此蜂窝无线接入的覆盖主要有2G/4G来完成,低频段资源将长期被4G占用,短时间内无法释放出来专供5G使用。


动态频谱共享技术,就是让5G基站与4G基站动态共享4G的优质低频段频谱资源,快速实现5G的广覆盖和深度覆盖。


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(2)利于4G向5G*滑演进,降低5G投资成本(蚕食法)


如果一刀切,从优质的4G低频资源中静态的分割出一段给5G使用,静态割让频谱资源的办法可能会导致4G网络拥塞。如果一刀切,从优质的4G低频资源中静态的分割出一段给5G使用,由于早期5G用户并不太多,低频段主要覆盖的农村场景的5G用户更少,这可能会导致5G频谱资源的浪费。

采用动态频谱共享技术后,既可利旧4G的低频段资源和基站,也可实现4G向5G*滑演进,可大幅降低5G投资成本。


共享阶段:在5G发展早期,4G用户多,5G用户很少,可以动态的分配更多频谱资源给4G用户。蚕食阶段:在5G发展中期,5G用户越来越多,可以动态的分配更多频谱资源给5G用户。取代阶段:最后,所有的4G用户都转为5G了,那就将整段频谱资源给5G用。

难点是:如何实现4G+5G频谱资源的共享?


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(3)利于实现5G SA堵路组网


众所周知,5G有两种组网方式:NSA和SA。



NSA组网:通过4G和5G双连接(DC)的方式将5G基站锚定于4G,并沿用4G核心网;


SA组网? :断了与4G之间的瓜葛,从核心网到接入网都采用全新的5G技术。


NSA组网利用现有的4G网络规模渐进式的引入5G NR,利于4运营商利用已有的4G用户,快速推出5G,抢占市场。


但NSA组网依然是4G生态的延续,主要针对eMBB场景和2C消费者市场。


而SA组网才是5G的重头戏,可使能丰富多彩的2B垂直行业应用,为运营商增加收入来源。为此,全球领先运营商都在积极筹备5G SA。


但由于SA组网不再依托于4G网络规模,需从头开始部署一张完整的、广覆盖的5G网络,考虑5G频段更高,单站覆盖范围更小,这意味着网络投资更大。


采用动态频谱共享技术后,利用4G低频段,可快速实现5G SA广覆盖,而不需要为了网络覆盖,大量、密集的部署高频段的5G设备,借用4G的频谱就可以达到5G广覆盖的要求。



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4)利于支持5G载波聚合


如上所述,4G低频段和5G中频段之间的“结合”叫双连接,这种“结合”在性能上要低于载波聚合


比如,载波聚合仅需一条上行链路,而双连接需要两条上行链路,会导致3dB的覆盖损耗。


采用动态频谱共享后,将4G低频段直接动态分配给5G基站用,可在FDD低频段和TDD中频段之间实现5G载波聚合,实现性能最大化。



5.?动态频谱共享的技术实现
5.1?动态频谱共享技术的本质

(1)PRB级别的资源共享


要实现频谱资源在PRB级别的共享,并不是一个简单的事,需要4G BBU与5G BBU之间动态共享、协商PRB资源的使用情况。



(2)PRB级别的资源共享的条件


5G NR物理层设计与4G LTE物理层设计具有相似之处,这是4G和5G之间实现动态频谱(时频资源PRB)共享的基础。


在相同的子载波间隔和相似的时域结构下,4G和5G之间动态PRB级别的频谱共享才能可行。


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(3)主要要解决的问题


如何在LTE子帧中调度NR用户。如何确保用于4G和5G各自的同步信号和下行链路测量的参考信号等小区公共信道不会发生冲突。

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(4)解决问题的基本思想:以5G灵活去适应4G的固定分配!


4G LTE:所有信道的时频资源是固定分配的。LTE的参考信号在连续的时频资源中占用特定的位置。


5G NR:定义了各种numerologies,物理层设计灵活可扩展,可根据不同的频段分配为数据信道和同步信道提供不同的子载波间隔。NR的参考信号、数据信道、控制信道都具有极高的灵活性,允许进行动态配置。


因此,利用NR物理层的动态灵活性去适配静态的LTE,可避免两种技术之间发生冲突。


众所周知,手机使用导频信号(比如CRS,公共参考信号)来建立公共参考以与网络同步。导频和同步信号对于手机接入网络和与网络保持通信至关重要。


在LTE子帧的基础上:


先要确保4G和5G网络中各自的公共信道相互独立且相互不受影响,比如确保5G NR的参考信号(SSB或DMRS)与LTE的参考信号(CRS)在时频资源分配上不会发生冲突。然后将5G NR的用户数据插入LTE子帧。

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5.2?动态频谱共享技术实现方法之“基于MBSFN”


MBSFN,是Multicast Broadcast Single Frequency Network的缩写,意思是多播/组播单频网络。


MBSFN,就是在同一时间,以相同频率,在多个小区进行同步传输,起到了在多个小区中广播的效果。使用这种传输方式可以节约频率资源,提高频谱利用率。同时这种多小区同频传输所带来的分集效果可以解决盲区覆盖等问题,增强接收的可靠性,提高覆盖率。


MBSFN在LTE中,用于广播多播传输,比如eMBMS多媒体广播、多播服务。


若子帧用于传输MBSFN时,子帧的前两个OFDM符号用于传输小区参考信号,剩下的12个OFDM符号保留用于eMBMS广播服务,并不能用于其他LTE 用户传输数据。


MBSFN动态频谱共享技术的思想就是“鸠占鹊巢”,利用这些已有的、保留的OFDM符号传输5G NR信号,而不再传送eMBMS广播信号,这样就避免了与LTE冲突。


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5.3?动态频谱共享技术实现方法之“基于5G的mini-slot”

mini-slot机制是5G的引入的技术规范,其允许OFDM符号置于NR 1ms时隙的任意位置,它与帧结构没有固定关系,可不受帧结构限制,而直接调度。


其通过缩短持续时间来“压缩” 5G同步符号(SSB符号),可避免与LTE CRS(小区参考信号)符号冲突,可调度空闲符号用于NR传输。



但mini-slot机制主要用于超低时延的URLLC场景,不适合eMBB大带宽场景。


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5.4?动态频谱共享技术实现方法之“基于NR CRS RM”


基于在非MBSFN子帧中的CRS RM(Rate match速率匹配),常用于NR数据信道。


其通过UE执行LTE CRS使用的RE打孔,以便NR调度程序知道哪些RE不可用于在PDSCH上进行NR数据调度。该选项的实现可以是RB级的,也可以是RE级的。


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6.?动态频谱共享技术好坏的衡量指标

(1)容量损失的大小


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。


(2)调度的时间粒度


由于动态频谱共享需跨越两个不同制式的网络来实现调度,调度程序是大脑,这个大脑至关重要,需在1-100ms之间的粒度范围内响应不断变化的流量需求。


粒度越小,性能越好。

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