5G終端頻段和LTE頻段下的自干擾問題研究分析

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）內的頻率使用規(guī)劃，我國成為國際上率先發(fā)布5G系統(tǒng)在中頻段內頻率使用規(guī)劃的國家。規(guī)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(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，將對我國5G系統(tǒng)技術研發(fā)、試驗和標準等制定以及產業(yè)鏈成熟起到重要的先導作用［1］。5G終端作為5G業(yè)務的關鍵元素，是未來5G產業(yè)的重要價值載體［2］，其軟硬件技術要求（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頻段在終端側并存時造成的自干擾問題是業(yè)界討論的熱點。

目前業(yè)界存在兩種網(wǎng)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(wǎng)絡按NSA架構部署，則要求終端支持雙連接［4，5］技術，采用雙射頻同時連接4G與5G網(wǎng)絡并進行雙收雙發(fā)，此時射頻器件的非線性等因素容易導致終端存在自干擾問題，即上行可能對下行接收產生諧波與互調干擾，造成接收端靈敏度下降［2］。

文章從終端自干擾問題的根源出發(fā)，對終端在新5G頻段與LTE頻段可能造成的自干擾問題進行了詳細分析，同時討論了業(yè)界目前關于此問題的不同解決方案及其對終端與網(wǎng)絡的要求，最后從運營商角度提出了相關策略建議。

2 終端自干擾問題分析

2.1 雙連接技術5G應用背景

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(guī)避MAC層調度過程中的時延和同步要求，數(shù)據(jù)在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）層進行分割和合并，然后將用戶數(shù)據(jù)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(wǎng)絡基礎上部署5G網(wǎng)絡，已成為5G下非獨立組網(wǎng)實現(xiàn)互操作［6-7］方案的關鍵技術，5G不同組網(wǎng)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(wǎng)下實現(xiàn)互操作方案的關鍵技術，需終端在硬件上支持雙通道射頻同時連接LTE與5G NR網(wǎng)絡。

2.2 終端雙連接自干擾

根據(jù)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(wǎng)下5G終端需支持雙收雙發(fā)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干擾問題。在NSA架構下，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)會帶來下行諧波和互調干擾，造成接收端靈敏度下降。

（1）諧波干擾

理想功率放大器（PA）將信號以一定的放大系數(shù)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(qū)，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(fā)送頻段f0上發(fā)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）互調干擾

當兩個或多個干擾信號同時加到接收機時，這兩個干擾的組合頻率可能會恰好等于或接近有用信號頻率而順利通過接收機，這種干擾就稱為互調干擾，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） 諧波干擾 （b） 互調干擾

圖2 諧波干擾與互調干擾示意圖

2.3 5G頻段自干擾理論分析舉例

結合國內某運營商現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡在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），對終端自干擾問題進行理論舉例分析，終端下行接收端受干擾頻段與發(fā)送端諧波干擾與互調干擾頻段具體如表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)送端互調干擾頻段（上行） MHz

注：（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B42下行）；三階互調干擾（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），四階互調干擾（B3與n78上行對B3下行）。

3 5G終端雙連接自干擾解決方案

目前業(yè)界關于諧波干擾問題的解決方案包括提升射頻前端器件性能指標、增加干擾消除電路、上下行頻分調度、上下行時分調度等。而對于互調干擾問題則討論采用上下行頻分調度或上下行時分調度方案來解決。然而關于問題導致的嚴重性以及現(xiàn)有解決方法的可行性與有效性有待進一步進行研究驗證。

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。通過研究器件非線性與相關性能指標的關系，優(yōu)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終端在上述諧波干擾問題存在時，其性能指標是否能夠相比于LTE有進一步優(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，對諧波進行抑制。此方法實現(xiàn)簡單，成本較低，但通過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，對于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模擬電路設計重建自干擾信號并從接收信號中直接減去重建的自干擾信號，數(shù)字域自干擾消除方法主要依靠對自干擾進行參數(shù)估計和重建后，從接收信號中減去重建的自干擾來消除殘留的自干擾。

3.3 頻分調度

根據(jù)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(wǎng)絡有改造要求，并且可能會因避開干擾頻譜造成網(wǎng)絡峰值速率有所降低。

3.4 時分調度

按上下行時隙配比進行時分調度，網(wǎng)絡給出上下行時隙配比，終端根據(jù)配比合理控制收發(fā)。例如：對于諧波干擾，當LTE發(fā)時，NR側暫停接收；對于互調干擾，當LTE與NR同時雙發(fā)的時候，LTE側暫停接收，或者不進行同時雙發(fā)，上行只進行單頻單發(fā)，即同一時間只選擇LTE發(fā)送或者NR發(fā)送。

4 運營商策略建議

目前工信部雖然對5G在中頻段內的頻率范圍進行了劃分，但未明確各運營商批準商用的頻率使用范圍。根據(jù)理論計算可知，部分運營商原LTE網(wǎng)絡使用的頻段（如中國電信與中國聯(lián)通的LTE FDD的B3頻段）對應的二次諧波均落入目前批準使用的3.4 GHz—3.6 GHz頻段范圍內。運營商根據(jù)目前頻段現(xiàn)狀，關于5G網(wǎng)絡部署可選擇采取以下應對策略：（1）網(wǎng)絡直接采用SA架構進行部署，終端采用單射頻同一時間只連接LTE網(wǎng)絡或5G網(wǎng)絡的方案，從而規(guī)避雙連接帶來的自干擾問題；（2）兩手準備，即一方面避免被分配到容易造成諧波或互調干擾的5G頻段，另一方面對現(xiàn)有干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系，并盡快對可行有效的方案進行標準化。

5 結束語

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

運營商5G網(wǎng)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(fā)，根據(jù)LTE與5G頻段組合不同，上行雙發(fā)可能對下行接收產生互調干擾，射頻前端器件的非線性可能對下行接收產生諧波干擾，最終均造成終端接收端靈敏度下降。目前產業(yè)界解決該問題的思路包括器件性能優(yōu)化、射頻指標提升、頻分調度、上下行時分規(guī)避等，然而這些方案的可行性與有效性在產業(yè)界仍未形成共識，對其有待進一步進行研究和驗證。