終端在5G頻段下的自干擾問(wèn)題探討

【摘要】針對(duì)5G終端因引入雙連接技術(shù)在新5G頻段與LTE頻段可能造成的自干擾問(wèn)題，首先通過(guò)雙連接技術(shù)的5G應(yīng)用背景、主要干擾類型以及5G頻段自干擾理論分析舉例等三方面對(duì)終端自干擾問(wèn)題原因展開討論；然后，分析了業(yè)界目前關(guān)于此問(wèn)題的主要解決方案，包括提升射頻器件性能、增加干擾消除電路、頻分調(diào)度以及時(shí)分調(diào)度等；最后，從運(yùn)營(yíng)商的角度提出了解決此問(wèn)題的策略建議。

【關(guān)鍵詞】5G；終端；頻譜；自干擾；雙連接

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.02.000 中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010(2018)02-0000-00

引用格式：何偉俊,戴國(guó)華,張婷,等. 終端在5G頻段下的自干擾問(wèn)題探討[J]. 移動(dòng)通信, 2018,42(2): 00-00.

Discussion on Problem of Terminal Self Interference in 5G Band

HE Weijun, DAI Guohua, ZHANG Ting, CUI Peidong

(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

[Abstract] For the self-interference problem of 5G terminal by introducing dual connectivity technology in the new 5G band and LTE band, opened discussion is firstly given through three aspects: the 5G application background of dual connectivity technology, main types of interference and 5G band self-interference theory analysis in the paper. Then, an analysis of solutions about this problem in the industry is given, including improving RF devices performance, supplementing interference elimination circuit, frequency division scheduling and time-division scheduling etc; Finally, some strategy suggestions are put forward from the perspective of the operators.

[Key words] 5G; terminal; spectrum; self interference; dual connectivity

1 引言

2017年11月14日工信部發(fā)布了5G系統(tǒng)在3 000 MHz—5 000 MHz頻段（中頻段）內(nèi)的頻率使用規(guī)劃，我國(guó)成為國(guó)際上率先發(fā)布5G系統(tǒng)在中頻段內(nèi)頻率使用規(guī)劃的國(guó)家。規(guī)劃明確了3 300 MHz—3 400 MHz（原則上限室內(nèi)使用）、3 400 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz頻段作為5G系統(tǒng)的工作頻段。此次工信部率先發(fā)布的5G系統(tǒng)頻率使用規(guī)劃，將對(duì)我國(guó)5G系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)、試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)等制定以及產(chǎn)業(yè)鏈成熟起到重要的先導(dǎo)作用[1]。5G終端作為5G業(yè)務(wù)的關(guān)鍵元素，是未來(lái)5G產(chǎn)業(yè)的重要價(jià)值載體[2]，其軟硬件技術(shù)要求（如基帶芯片、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(cè)并存時(shí)造成的自干擾問(wèn)題是業(yè)界討論的熱點(diǎn)。

目前業(yè)界存在兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方式，即SA（Standalone，獨(dú)立）架構(gòu)與NSA（Non-standalone，非獨(dú)立）架構(gòu)[3]。若5G網(wǎng)絡(luò)按NSA架構(gòu)部署，則要求終端支持雙連接[4，5]技術(shù)，采用雙射頻同時(shí)連接4G與5G網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行雙收雙發(fā)，此時(shí)射頻器件的非線性等因素容易導(dǎo)致終端存在自干擾問(wèn)題，即上行可能對(duì)下行接收產(chǎn)生諧波與互調(diào)干擾，造成接收端靈敏度下降[2]。

文章從終端自干擾問(wèn)題的根源出發(fā)，對(duì)終端在新5G頻段與LTE頻段可能造成的自干擾問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時(shí)討論了業(yè)界目前關(guān)于此問(wèn)題的不同解決方案及其對(duì)終端與網(wǎng)絡(luò)的要求，最后從運(yùn)營(yíng)商角度提出了相關(guān)策略建議。

2 終端自干擾問(wèn)題分析

2.1 雙連接技術(shù)5G應(yīng)用背景

本質(zhì)上，3GPP在R12標(biāo)準(zhǔn)版本中提出的DC（Dual Connectivity，雙連接）技術(shù)與CA（Carrier Aggregation，載波聚合）技術(shù)均屬LTE多連接技術(shù)。CA在MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問(wèn)控制）層進(jìn)行聚合，對(duì)同步要求較高，雙連接技術(shù)為了規(guī)避MAC層調(diào)度過(guò)程中的時(shí)延和同步要求，數(shù)據(jù)在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）層進(jìn)行分割和合并，然后將用戶數(shù)據(jù)流通過(guò)多個(gè)基站同時(shí)傳送給用戶。雙連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成熟，同時(shí)可幫助運(yùn)營(yíng)商更快速地在原LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上部署5G網(wǎng)絡(luò)，已成為5G下非獨(dú)立組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互操作[6-7]方案的關(guān)鍵技術(shù)，5G不同組網(wǎng)架構(gòu)下的互操作方案及對(duì)終端技術(shù)要求具體如表1所示：

表1 互操作方案及對(duì)終端技術(shù)要求

從表1可看出，雙連接作為非獨(dú)立組網(wǎng)下實(shí)現(xiàn)互操作方案的關(guān)鍵技術(shù)，需終端在硬件上支持雙通道射頻同時(shí)連接LTE與5G NR網(wǎng)絡(luò)。

2.2 終端雙連接自干擾

根據(jù)3GPP對(duì)雙連接在文獻(xiàn)[4]的定義以及文獻(xiàn)[8]的相關(guān)描述，非獨(dú)立組網(wǎng)下5G終端需支持雙收雙發(fā)機(jī)制，同時(shí)連接LTE eNB與5G gNB，使用來(lái)自兩個(gè)NB的無(wú)線資源。然而支持雙連接的終端可能存在自干擾問(wèn)題。在NSA架構(gòu)下，要求終端保持雙收雙發(fā)（即在LTE頻段和NR頻段保持上行雙連接），由于射頻器件的非線性等因素，上行的雙發(fā)會(huì)帶來(lái)下行諧波和互調(diào)干擾，造成接收端靈敏度下降。

（1）諧波干擾

理想功率放大器（PA）將信號(hào)以一定的放大系數(shù)a對(duì)輸入功率進(jìn)行放大，實(shí)際PA在輸入功率較低時(shí)能夠保證線性的放大，而當(dāng)輸入功率較大時(shí)會(huì)進(jìn)入非線性區(qū)，從而輸出高階變量。具體如圖1所示：

圖1 PA理想與實(shí)際輸入輸出比較示意圖

終端在發(fā)送頻段f0上發(fā)射信號(hào)，同時(shí)若接收頻段為n×f0(n=2, 3, ...)時(shí)，接收機(jī)將受到諧波影響，導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度下降，如圖2（a）所示。而諧波對(duì)接收端造成的干擾途徑分為兩種：即PA輸出PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）干擾和發(fā)射天線輸出干擾。

（2）互調(diào)干擾

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)干擾信號(hào)同時(shí)加到接收機(jī)時(shí)，這兩個(gè)干擾的組合頻率可能會(huì)恰好等于或接近有用信號(hào)頻率而順利通過(guò)接收機(jī)，這種干擾就稱為互調(diào)干擾，如圖2（b）所示。其中三階互調(diào)最嚴(yán)重。例如二階互調(diào)為f2-f1，三階互調(diào)為2f2-f1、2f1-f2、……

(a) 諧波干擾 (b) 互調(diào)干擾

圖2 諧波干擾與互調(diào)干擾示意圖

2.3 5G頻段自干擾理論分析舉例

結(jié)合國(guó)內(nèi)某運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)在B1、B3和B5頻段上的頻率使用范圍和工信部目前規(guī)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(duì)終端自干擾問(wèn)題進(jìn)行理論舉例分析，計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[9]第六章節(jié)，終端下行接收端受干擾頻段與發(fā)送端諧波干擾與互調(diào)干擾頻段具體如表2~表4所示。

表2 接收端受干擾頻段（下行）

表3 發(fā)送端諧波干擾頻段（上行） MHz

表4 發(fā)送端互調(diào)干擾頻段（上行） MHz

注：（1）為更真實(shí)地反映此問(wèn)題對(duì)具體運(yùn)營(yíng)商的影響，表2、表3與表4中的B1，B3和B5頻段均為某運(yùn)營(yíng)商的LTE頻率使用范圍，n78與n79為工信部規(guī)劃5G頻率范圍，而非原3GPP定義的原頻段范圍。（2）B5與n79組合在3GPP暫未定義。

從表4的干擾分析可看出，涉及的主要干擾包括：二次諧波干擾（B3上行對(duì)B42下行）；三階互調(diào)干擾（B3與n78上行對(duì)B3下行、B5與n78上行對(duì)B5下行、B3與n79上行對(duì)B3下行、B5與n79上行對(duì)B5下行），四階互調(diào)干擾（B3與n78上行對(duì)B3下行）。

3 5G終端雙連接自干擾解決方案

目前業(yè)界關(guān)于諧波干擾問(wèn)題的解決方案包括提升射頻前端器件性能指標(biāo)、增加干擾消除電路、上下行頻分調(diào)度、上下行時(shí)分調(diào)度等。而對(duì)于互調(diào)干擾問(wèn)題則討論采用上下行頻分調(diào)度或上下行時(shí)分調(diào)度方案來(lái)解決。然而關(guān)于問(wèn)題導(dǎo)致的嚴(yán)重性以及現(xiàn)有解決方法的可行性與有效性有待進(jìn)一步進(jìn)行研究驗(yàn)證。

3.1 提升射頻器件性能

（1）減小PA非線性

造成終端諧波干擾的根本原因在于器件的非線性（如圖3所示），因此，提高器件的性能是減少終端諧波干擾的最根本的解決方法。通過(guò)研究器件非線性與相關(guān)性能指標(biāo)的關(guān)系，優(yōu)化相關(guān)性能指標(biāo)，從而減少器件非線性。目前3GPP RAN4正在討論5G終端在上述諧波干擾問(wèn)題存在時(shí)，其性能指標(biāo)是否能夠相比于LTE有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

（2）PA后增加濾波器

在PA輸出端增加諧波濾波器，對(duì)諧波進(jìn)行抑制。此方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低，但通過(guò)增加濾波器僅能消除部分由發(fā)射天線輸出的諧波干擾信號(hào)，對(duì)于PA輸出PCB的諧波信號(hào)不能完全抑制，因此，可考慮將此方法與其余方法協(xié)同綜合使用。

3.2 增加干擾消除電路

參考全雙工自干擾消除方法[9-10]，如模擬域消除法與數(shù)字域消除法。模擬電路域自干擾消除通過(guò)模擬電路設(shè)計(jì)重建自干擾信號(hào)并從接收信號(hào)中直接減去重建的自干擾信號(hào)，數(shù)字域自干擾消除方法主要依靠對(duì)自干擾進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和重建后，從接收信號(hào)中減去重建的自干擾來(lái)消除殘留的自干擾。

3.3 頻分調(diào)度

根據(jù)上行分配結(jié)果確定下行分配的頻率資源。例如不使用諧波主瓣或互調(diào)信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻譜，降低諧波旁瓣對(duì)應(yīng)頻譜的使用頻次，正常使用非諧波或互調(diào)信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻譜。這種方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)有改造要求，并且可能會(huì)因避開干擾頻譜造成網(wǎng)絡(luò)峰值速率有所降低。

3.4 時(shí)分調(diào)度

按上下行時(shí)隙配比進(jìn)行時(shí)分調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)給出上下行時(shí)隙配比，終端根據(jù)配比合理控制收發(fā)。例如：對(duì)于諧波干擾，當(dāng)LTE發(fā)時(shí)，NR側(cè)暫停接收；對(duì)于互調(diào)干擾，當(dāng)LTE與NR同時(shí)雙發(fā)的時(shí)候，LTE側(cè)暫停接收，或者不進(jìn)行同時(shí)雙發(fā)，上行只進(jìn)行單頻單發(fā)，即同一時(shí)間只選擇LTE發(fā)送或者NR發(fā)送。

4 運(yùn)營(yíng)商策略建議

目前工信部雖然對(duì)5G在中頻段內(nèi)的頻率范圍進(jìn)行了劃分，但未明確各運(yùn)營(yíng)商批準(zhǔn)商用的頻率使用范圍。根據(jù)理論計(jì)算可知，部分運(yùn)營(yíng)商原LTE網(wǎng)絡(luò)使用的頻段（如中國(guó)電信與中國(guó)聯(lián)通的LTE FDD的B3頻段）對(duì)應(yīng)的二次諧波均落入目前批準(zhǔn)使用的3.4 GHz—3.6 GHz頻段范圍內(nèi)。運(yùn)營(yíng)商根據(jù)目前頻段現(xiàn)狀，關(guān)于5G網(wǎng)絡(luò)部署可選擇采取以下應(yīng)對(duì)策略：（1）網(wǎng)絡(luò)直接采用SA架構(gòu)進(jìn)行部署，終端采用單射頻同一時(shí)間只連接LTE網(wǎng)絡(luò)或5G網(wǎng)絡(luò)的方案，從而規(guī)避雙連接帶來(lái)的自干擾問(wèn)題；（2）兩手準(zhǔn)備，即一方面避免被分配到容易造成諧波或互調(diào)干擾的5G頻段，另一方面對(duì)現(xiàn)有干擾消除方案進(jìn)行充分試驗(yàn)驗(yàn)證，平衡不同方案在代價(jià)與性能間的關(guān)系，并盡快對(duì)可行有效的方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)5G終端因引入雙連接技術(shù)在新5G頻段與LTE頻段可能造成的自干擾問(wèn)題展開討論，分析了問(wèn)題的原因及業(yè)界的主流解決方案。

運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)若按非獨(dú)立（NSA）架構(gòu)進(jìn)行部署，則要求終端支持雙連接技術(shù)進(jìn)行LTE與5G同時(shí)收發(fā)，根據(jù)LTE與5G頻段組合不同，上行雙發(fā)可能對(duì)下行接收產(chǎn)生互調(diào)干擾，射頻前端器件的非線性可能對(duì)下行接收產(chǎn)生諧波干擾，最終均造成終端接收端靈敏度下降。目前產(chǎn)業(yè)界解決該問(wèn)題的思路包括器件性能優(yōu)化、射頻指標(biāo)提升、頻分調(diào)度、上下行時(shí)分規(guī)避等，然而這些方案的可行性與有效性在產(chǎn)業(yè)界仍未形成共識(shí)，對(duì)其有待進(jìn)一步進(jìn)行研究和驗(yàn)證。

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作者簡(jiǎn)介

何偉俊：博士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，主要從事5G終端技術(shù)，語(yǔ)音信號(hào)處理等方向的研究工作。

戴國(guó)華：碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，主要從事移動(dòng)通信應(yīng)用開發(fā)、終端新技術(shù)等方向的研究工作。

張婷：碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，主要從事終端新技術(shù)、終端標(biāo)準(zhǔn)等研究工作。

崔沛東：碩士畢業(yè)于暨南大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，主要從事終端新技術(shù)等方向的研究工作。

作者：何偉俊 戴國(guó)華 張婷 崔沛東