工程師黃明星 發表於 2018-08-14 16:29:46
2017年11月14日工信部發布了5G系統在3 000 MHz—5 000 MHz頻段（中頻段）內的頻率使用規劃，我國成為國際上率先發布5G系統在中頻段內頻率使用規劃的國家。規劃明確了3 300 MHz—3 400 MHz（原則上限室內使用）、3 400 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz頻段作為5G系統的工作頻段。此次工信部率先發布的5G系統頻率使用規劃，將對我國5G系統技術研發、試驗和標準等制定以及產業鏈成熟起到重要的先導作用［1］。5G終端作為5G業務的關鍵元素，是未來5G產業的重要價值載體［2］，其軟硬體技術要求（如基帶晶片、射頻、天線等）均受到5G頻段的影響或限制。其中，原LTE頻段與5G頻段在終端側並存時造成的自幹擾問題是業界討論的熱點。
目前業界存在兩種網絡架構部署方式，即SA（Standalone，獨立）架構與NSA（Non-standalone，非獨立）架構［3］。若5G網絡按NSA架構部署，則要求終端支持雙連接［4，5］技術，採用雙射頻同時連接4G與5G網絡並進行雙收雙發，此時射頻器件的非線性等因素容易導致終端存在自幹擾問題，即上行可能對下行接收產生諧波與互調幹擾，造成接收端靈敏度下降［2］。
文章從終端自幹擾問題的根源出發，對終端在新5G頻段與LTE頻段可能造成的自幹擾問題進行了詳細分析，同時討論了業界目前關於此問題的不同解決方案及其對終端與網絡的要求，最後從運營商角度提出了相關策略建議。
本質上，3GPP在R12標準版本中提出的DC（Dual Connectivity，雙連接）技術與CA（Carrier Aggregation，載波聚合）技術均屬LTE多連接技術。CA在MAC（Media Access Control，介質訪問控制）層進行聚合，對同步要求較高，雙連接技術為了規避MAC層調度過程中的時延和同步要求，數據在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數據匯聚協議）層進行分割和合併，然後將用戶數據流通過多個基站同時傳送給用戶。雙連接技術標準相對成熟，同時可幫助運營商更快速地在原LTE網絡基礎上部署5G網絡，已成為5G下非獨立組網實現互操作［6-7］方案的關鍵技術，5G不同組網架構下的互操作方案及對終端技術要求具體如表1所示：
表1 互操作方案及對終端技術要求
從表1可看出，雙連接作為非獨立組網下實現互操作方案的關鍵技術，需終端在硬體上支持雙通道射頻同時連接LTE與5G NR網絡。
根據3GPP對雙連接在文獻［4］的定義以及文獻［8］的相關描述，非獨立組網下5G終端需支持雙收雙發機制，同時連接LTE eNB與5G gNB，使用來自兩個NB的無線資源。然而支持雙連接的終端可能存在自幹擾問題。在NSA架構下，要求終端保持雙收雙發（即在LTE頻段和NR頻段保持上行雙連接），由於射頻器件的非線性等因素，上行的雙發會帶來下行諧波和互調幹擾，造成接收端靈敏度下降。
（1）諧波幹擾
理想功率放大器（PA）將信號以一定的放大係數a對輸入功率進行放大，實際PA在輸入功率較低時能夠保證線性的放大，而當輸入功率較大時會進入非線性區，從而輸出高階變量。具體如圖1所示：
圖1 PA理想與實際輸入輸出比較示意圖
終端在發送頻段f0上發射信號，同時若接收頻段為n×f0（n=2， 3， 。。。）時，接收機將受到諧波影響，導致接收機靈敏度下降，如圖2（a）所示。而諧波對接收端造成的幹擾途徑分為兩種：即PA輸出PCB（Printed Circuit Board，印製電路板）幹擾和發射天線輸出幹擾。
（2）互調幹擾
當兩個或多個幹擾信號同時加到接收機時，這兩個幹擾的組合頻率可能會恰好等於或接近有用信號頻率而順利通過接收機，這種幹擾就稱為互調幹擾，如圖2（b）所示。其中三階互調最嚴重。例如二階互調為f2-f1，三階互調為2f2-f1、2f1-f2、……
（a） 諧波幹擾 （b） 互調幹擾
圖2 諧波幹擾與互調幹擾示意圖
結合國內某運營商現有LTE網絡在B1、B3和B5頻段上的頻率使用範圍和工信部目前規劃的5G頻段（包括n78中的3 400 MHz—3 600 MHz和n79中的4 800 MHz—5 000 MHz），對終端自幹擾問題進行理論舉例分析，終端下行接收端受幹擾頻段與發送端諧波幹擾與互調幹擾頻段具體如表2~表4所示。
表2 接收端受幹擾頻段（下行）
表3 發送端諧波幹擾頻段（上行） MHz
表4 發送端互調幹擾頻段（上行） MHz
註：（1）為更真實地反映此問題對具體運營商的影響，表2、表3與表4中的B1，B3和B5頻段均為某運營商的LTE頻率使用範圍，n78與n79為工信部規劃5G頻率範圍，而非原3GPP定義的原頻段範圍。（2）B5與n79組合在3GPP暫未定義。
從表4的幹擾分析可看出，涉及的主要幹擾包括：二次諧波幹擾（B3上行對B42下行）；三階互調幹擾（B3與n78上行對B3下行、B5與n78上行對B5下行、B3與n79上行對B3下行、B5與n79上行對B5下行），四階互調幹擾（B3與n78上行對B3下行）。
目前業界關於諧波幹擾問題的解決方案包括提升射頻前端器件性能指標、增加幹擾消除電路、上下行頻分調度、上下行時分調度等。而對於互調幹擾問題則討論採用上下行頻分調度或上下行時分調度方案來解決。然而關於問題導致的嚴重性以及現有解決方法的可行性與有效性有待進一步進行研究驗證。
（1）減小PA非線性
造成終端諧波幹擾的根本原因在於器件的非線性（如圖3所示），因此，提高器件的性能是減少終端諧波幹擾的最根本的解決方法。通過研究器件非線性與相關性能指標的關係，優化相關性能指標，從而減少器件非線性。目前3GPP RAN4正在討論5G終端在上述諧波幹擾問題存在時，其性能指標是否能夠相比於LTE有進一步優化的空間。
（2）PA後增加濾波器
在PA輸出端增加諧波濾波器，對諧波進行抑制。此方法實現簡單，成本較低，但通過增加濾波器僅能消除部分由發射天線輸出的諧波幹擾信號，對於PA輸出PCB的諧波信號不能完全抑制，因此，可考慮將此方法與其餘方法協同綜合使用。
參考全雙工自幹擾消除方法［9-10］，如模擬域消除法與數字域消除法。模擬電路域自幹擾消除通過模擬電路設計重建自幹擾信號並從接收信號中直接減去重建的自幹擾信號，數字域自幹擾消除方法主要依靠對自幹擾進行參數估計和重建後，從接收信號中減去重建的自幹擾來消除殘留的自幹擾。
根據上行分配結果確定下行分配的頻率資源。例如不使用諧波主瓣或互調信號對應的頻譜，降低諧波旁瓣對應頻譜的使用頻次，正常使用非諧波或互調信號對應的頻譜。這種方法對網絡有改造要求，並且可能會因避開幹擾頻譜造成網絡峰值速率有所降低。
按上下行時隙配比進行時分調度，網絡給出上下行時隙配比，終端根據配比合理控制收發。例如：對於諧波幹擾，當LTE發時，NR側暫停接收；對於互調幹擾，當LTE與NR同時雙發的時候，LTE側暫停接收，或者不進行同時雙發，上行只進行單頻單發，即同一時間只選擇LTE發送或者NR發送。
目前工信部雖然對5G在中頻段內的頻率範圍進行了劃分，但未明確各運營商批准商用的頻率使用範圍。根據理論計算可知，部分運營商原LTE網絡使用的頻段（如中國電信與中國聯通的LTE FDD的B3頻段）對應的二次諧波均落入目前批准使用的3.4 GHz—3.6 GHz頻段範圍內。運營商根據目前頻段現狀，關於5G網絡部署可選擇採取以下應對策略：（1）網絡直接採用SA架構進行部署，終端採用單射頻同一時間只連接LTE網絡或5G網絡的方案，從而規避雙連接帶來的自幹擾問題；（2）兩手準備，即一方面避免被分配到容易造成諧波或互調幹擾的5G頻段，另一方面對現有幹擾消除方案進行充分試驗驗證，平衡不同方案在代價與性能間的關係，並儘快對可行有效的方案進行標準化。
文章對5G終端因引入雙連接技術在新5G頻段與LTE頻段可能造成的自幹擾問題展開討論，分析了問題的原因及業界的主流解決方案。
運營商5G網絡若按非獨立（NSA）架構進行部署，則要求終端支持雙連接技術進行LTE與5G同時收發，根據LTE與5G頻段組合不同，上行雙發可能對下行接收產生互調幹擾，射頻前端器件的非線性可能對下行接收產生諧波幹擾，最終均造成終端接收端靈敏度下降。目前產業界解決該問題的思路包括器件性能優化、射頻指標提升、頻分調度、上下行時分規避等，然而這些方案的可行性與有效性在產業界仍未形成共識，對其有待進一步進行研究和驗證。
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