1   引言

2017 年 11 月 14 日工信部发布了 5G 系统在 3 000 MHz—5 000 MHz 频段(中频段)内的频率使用规划,我国成为国际上率先发布 5G 系统在中频段内频率使用规划的国家。规划明确了 3 300 MHz—3 400 MHz(原则上限室内使用)、3 400 MHz—3 600 MHz 和 4 800 MHz—5 000 MHz 频段作为 5G 系统的工作频段。此次工信部率先发布的 5G 系统频率使用规划,将对我国 5G 系统技术研发、试验和标准等制定以及产业链成熟起到重要的先导作用[1]。5G 终端作为 5G 业务的关键元素,是未来 5G 产业的重要价值载体[2],其软硬件技术要求(如基带芯片、射频、天线等)均受到 5G 频段的影响或限制。其中,原 LTE 频段与 5G 频段在终端侧并存时造成的自干扰问题是业界讨论的热点。

 

目前业界存在两种网络架构部署方式,即 SA(Standalone,独立)架构与 NSA(Non-standalone,非独立)架构[3]。若 5G 网络按 NSA 架构部署,则要求终端支持双连接[4,5]技术,采用双射频同时连接 4G 与 5G 网络并进行双收双发,此时射频器件的非线性等因素容易导致终端存在自干扰问题,即上行可能对下行接收产生谐波与互调干扰,造成接收端灵敏度下降[2]。

 

文章从终端自干扰问题的根源出发,对终端在新 5G 频段与 LTE 频段可能造成的自干扰问题进行了详细分析,同时讨论了业界目前关于此问题的不同解决方案及其对终端与网络的要求,最后从运营商角度提出了相关策略建议。

 

2   终端自干扰问题分析

2.1  双连接技术 5G 应用背景

本质上,3GPP 在 R12 标准版本中提出的 DC(Dual Connectivity,双连接)技术与 CA(Carrier Aggregation,载波聚合)技术均属 LTE 多连接技术。CA 在 MAC(Media Access Control,介质访问控制)层进行聚合,对同步要求较高,双连接技术为了规避 MAC 层调度过程中的时延和同步要求,数据在 PDCP(Packet Data Convergence Protocol,分组数据汇聚协议)层进行分割和合并,然后将用户数据流通过多个基站同时传送给用户。双连接技术标准相对成熟,同时可帮助运营商更快速地在原 LTE 网络基础上部署 5G 网络,已成为 5G 下非独立组网实现互操作[6-7]方案的关键技术,5G 不同组网架构下的互操作方案及对终端技术要求具体如表 1 所示:

 

表 1    互操作方案及对终端技术要求

 

 

从表 1 可看出,双连接作为非独立组网下实现互操作方案的关键技术,需终端在硬件上支持双通道射频同时连接 LTE 与 5G NR 网络。

 

2.2  终端双连接自干扰

根据 3GPP 对双连接在文献[4]的定义以及文献[8]的相关描述,非独立组网下 5G 终端需支持双收双发机制,同时连接 LTE eNB 与 5G gNB,使用来自两个 NB 的无线资源。然而支持双连接的终端可能存在自干扰问题。在 NSA 架构下,要求终端保持双收双发(即在 LTE 频段和 NR 频段保持上行双连接),由于射频器件的非线性等因素,上行的双发会带来下行谐波和互调干扰,造成接收端灵敏度下降。

 

(1)谐波干扰

理想功率放大器(PA)将信号以一定的放大系数 a 对输入功率进行放大,实际 PA 在输入功率较低时能够保证线性的放大,而当输入功率较大时会进入非线性区,从而输出高阶变量。具体如图 1 所示:

 

图 1    PA 理想与实际输入输出比较示意图

 

终端在发送频段 f0 上发射信号,同时若接收频段为 n×f0(n=2, 3, ...)时,接收机将受到谐波影响,导致接收机灵敏度下降,如图 2(a)所示。而谐波对接收端造成的干扰途径分为两种:即 PA 输出 PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)干扰和发射天线输出干扰。

 

(2)互调干扰

当两个或多个干扰信号同时加到接收机时,这两个干扰的组合频率可能会恰好等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机,这种干扰就称为互调干扰,如图 2(b)所示。其中三阶互调最严重。例如二阶互调为 f2-f1,三阶互调为 2f2-f1、2f1-f2、……

 

(a) 谐波干扰  (b) 互调干扰

图 2    谐波干扰与互调干扰示意图

 

2.3  5G 频段自干扰理论分析举例

结合国内某运营商现有 LTE 网络在 B1、B3 和 B5 频段上的频率使用范围和工信部目前规划的 5G 频段(包括 n78 中的 3 400 MHz—3 600 MHz 和 n79 中的 4 800 MHz—5 000 MHz),对终端自干扰问题进行理论举例分析,计算方法参考文献[9]第六章节,终端下行接收端受干扰频段与发送端谐波干扰与互调干扰频段具体如表 2~表 4 所示。

 

表 2    接收端受干扰频段(下行)

 

 

表 3    发送端谐波干扰频段(上行)   MHz

 

 

表 4    发送端互调干扰频段(上行) MHz

 

 

注:(1)为更真实地反映此问题对具体运营商的影响,表 2、表 3 与表 4 中的 B1,B3 和 B5 频段均为某运营商的 LTE 频率使用范围,n78 与 n79 为工信部规划 5G 频率范围,而非原 3GPP 定义的原频段范围。(2)B5 与 n79 组合在 3GPP 暂未定义。

 

从表 4 的干扰分析可看出,涉及的主要干扰包括:二次谐波干扰(B3 上行对 B42 下行);三阶互调干扰(B3 与 n78 上行对 B3 下行、B5 与 n78 上行对 B5 下行、B3 与 n79 上行对 B3 下行、B5 与 n79 上行对 B5 下行),四阶互调干扰(B3 与 n78 上行对 B3 下行)。

 

3   5G 终端双连接自干扰解决方案

目前业界关于谐波干扰问题的解决方案包括提升射频前端器件性能指标、增加干扰消除电路、上下行频分调度、上下行时分调度等。而对于互调干扰问题则讨论采用上下行频分调度或上下行时分调度方案来解决。然而关于问题导致的严重性以及现有解决方法的可行性与有效性有待进一步进行研究验证。

 

3.1  提升射频器件性能

(1)减小 PA 非线性

造成终端谐波干扰的根本原因在于器件的非线性(如图 3 所示),因此,提高器件的性能是减少终端谐波干扰的最根本的解决方法。通过研究器件非线性与相关性能指标的关系,优化相关性能指标,从而减少器件非线性。目前 3GPP RAN4 正在讨论 5G 终端在上述谐波干扰问题存在时,其性能指标是否能够相比于 LTE 有进一步优化的空间。

 

(2)PA 后增加滤波器

在 PA 输出端增加谐波滤波器,对谐波进行抑制。此方法实现简单,成本较低,但通过增加滤波器仅能消除部分由发射天线输出的谐波干扰信号,对于 PA 输出 PCB 的谐波信号不能完全抑制,因此,可考虑将此方法与其余方法协同综合使用。

 

3.2  增加干扰消除电路

参考全双工自干扰消除方法[9-10],如模拟域消除法与数字域消除法。模拟电路域自干扰消除通过模拟电路设计重建自干扰信号并从接收信号中直接减去重建的自干扰信号,数字域自干扰消除方法主要依靠对自干扰进行参数估计和重建后,从接收信号中减去重建的自干扰来消除残留的自干扰。

 

3.3  频分调度

根据上行分配结果确定下行分配的频率资源。例如不使用谐波主瓣或互调信号对应的频谱,降低谐波旁瓣对应频谱的使用频次,正常使用非谐波或互调信号对应的频谱。这种方法对网络有改造要求,并且可能会因避开干扰频谱造成网络峰值速率有所降低。

 

3.4  时分调度

按上下行时隙配比进行时分调度,网络给出上下行时隙配比,终端根据配比合理控制收发。例如:对于谐波干扰,当 LTE 发时,NR 侧暂停接收;对于互调干扰,当 LTE 与 NR 同时双发的时候,LTE 侧暂停接收,或者不进行同时双发,上行只进行单频单发,即同一时间只选择 LTE 发送或者 NR 发送。

 

4   运营商策略建议

目前工信部虽然对 5G 在中频段内的频率范围进行了划分,但未明确各运营商批准商用的频率使用范围。根据理论计算可知,部分运营商原 LTE 网络使用的频段(如中国电信与中国联通的 LTE FDD 的 B3 频段)对应的二次谐波均落入目前批准使用的 3.4 GHz—3.6 GHz 频段范围内。运营商根据目前频段现状,关于 5G 网络部署可选择采取以下应对策略:(1)网络直接采用 SA 架构进行部署,终端采用单射频同一时间只连接 LTE 网络或 5G 网络的方案,从而规避双连接带来的自干扰问题;(2)两手准备,即一方面避免被分配到容易造成谐波或互调干扰的 5G 频段,另一方面对现有干扰消除方案进行充分试验验证,平衡不同方案在代价与性能间的关系,并尽快对可行有效的方案进行标准化。

 

5   结束语

文章对 5G 终端因引入双连接技术在新 5G 频段与 LTE 频段可能造成的自干扰问题展开讨论,分析了问题的原因及业界的主流解决方案。

 

运营商 5G 网络若按非独立(NSA)架构进行部署,则要求终端支持双连接技术进行 LTE 与 5G 同时收发,根据 LTE 与 5G 频段组合不同,上行双发可能对下行接收产生互调干扰,射频前端器件的非线性可能对下行接收产生谐波干扰,最终均造成终端接收端灵敏度下降。目前产业界解决该问题的思路包括器件性能优化、射频指标提升、频分调度、上下行时分规避等,然而这些方案的可行性与有效性在产业界仍未形成共识,对其有待进一步进行研究和验证。