基于5G 無(wú)線接入和無(wú)線回程一體化的增強(qiáng)技術(shù)研究

畢峰

（1. 中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057；2. 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055）

0 引言

隨著寬帶無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信提出越來(lái)越高的要求，這就需要采用有效的技術(shù)手段來(lái)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提高頻譜效率和系統(tǒng)在各種環(huán)境中的魯棒性。在常規(guī)的無(wú)線移動(dòng)通信中，典型的收發(fā)端包括基站和用戶設(shè)備，基站和用戶設(shè)備之間的鏈路被稱為無(wú)線接入鏈路，針對(duì)上述擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高頻譜效率等需求，技術(shù)演進(jìn)和研究大多集中在無(wú)線接入鏈路。然而，基站的選址是運(yùn)營(yíng)商結(jié)合了地形地貌、周圍環(huán)境、光纜鋪設(shè)等因素決定的，另一方面，現(xiàn)在的無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越趨于密集型網(wǎng)絡(luò)，這嚴(yán)重影響了運(yùn)營(yíng)商的資本投入和運(yùn)營(yíng)成本，運(yùn)營(yíng)商不能不計(jì)成本地增加基站的數(shù)量。第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partner Project，3GPP）提出在基站和用戶設(shè)備之間引入中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)和用戶設(shè)備（user equipment，UE）之間的鏈路被稱為無(wú)線接入鏈路（access link，AL），基站和中繼節(jié)點(diǎn)之間的鏈路被稱為無(wú)線回程鏈路（backhaul link，BL）。通過(guò)引入中繼節(jié)點(diǎn)，預(yù)期目標(biāo)可以增強(qiáng)拓?fù)涔芾?、提供路徑選擇/冗余鏈接、提高頻譜效率。密集型網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致BL 也會(huì)存在非視距傳輸，AL 與BL 使用的頻率更加接近，即無(wú)論從無(wú)線環(huán)境還是頻率資源來(lái)看，AL 和BL 的特點(diǎn)越來(lái)越相似。因此，如何高效地一體化設(shè)計(jì)AL和BL 成為重點(diǎn)。本文主要集中在AL 和BL 之間的資源復(fù)用方式、節(jié)點(diǎn)定時(shí)關(guān)系、保護(hù)頻帶和性能仿真驗(yàn)證。

1 一體化設(shè)計(jì)

在第5 代新空口（5th generation new radio，5G NR）系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)被稱為無(wú)線接入和無(wú)線回程一體化節(jié)點(diǎn)（integrated access and backhaul-node，IAB-node 或記為IAB），引入IAB 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是能夠靈活且密集地部署NR 小區(qū)[1-3]，支持室外部署、室內(nèi)部署，甚至支持移動(dòng)中繼（如在公共汽車或火車上安裝中繼節(jié)點(diǎn)）?；爻替溌钒◣?nèi)和帶外回程，帶內(nèi)回程指AL 和BL 存在頻率資源重疊從而產(chǎn)生半雙工限制或收發(fā)自干擾，這意味著IAB 在兩條鏈路上不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)射和接收處理，但是帶外回程沒(méi)有這樣的限制。所以，在半雙工限制下，研究無(wú)線接入和無(wú)線回程之間更緊密互通的帶內(nèi)回程解決方案至關(guān)重要。節(jié)點(diǎn)實(shí)體和鏈路示意圖如圖1 所示，典型的IAB 包括兩個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)：移動(dòng)終端（mobile termination，MT 或記為IAB-MT）和分布單元（distributed unit，DU 或記為IAB-DU）。其中，MT 是IAB 執(zhí)行下行接收和上行發(fā)射的邏輯節(jié)點(diǎn)，DU 是IAB 執(zhí)行下行發(fā)射和上行接收的邏輯節(jié)點(diǎn)，DU 受邏輯節(jié)點(diǎn)集中單元（centralized unit，CU）控制[4-6]。為了便于敘述，定義下行接入（downlink access，DA）表示下行AL，下行回程（downlink backhaul，DB）表示下行BL，上行接入（uplink access，UA）表示上行AL，上行回程（uplink backhaul，UB）表示上行BL。

圖1 節(jié)點(diǎn)實(shí)體和鏈路示意圖

對(duì)于帶內(nèi)回程場(chǎng)景，受限于半雙工限制，現(xiàn)有AL 和BL 之間的資源復(fù)用方式采用時(shí)分復(fù)用（time-division multiplexing，TDM），以避免IAB收發(fā)自干擾問(wèn)題[7]。為了更加合理地協(xié)調(diào)AL 和BL 的資源，CU 負(fù)責(zé)兩路鏈路的資源配置[8]。由CU 統(tǒng)一配置IAB-DU 資源，配置的資源類型包括hard、soft、non-applicable。其中，hard 表示IAB-DU 在該資源上可執(zhí)行傳輸，soft 表示IAB-DU 根據(jù)施主基站（donor gNB，DgNB）指示是否允許在該資源上可執(zhí)行傳輸，non-applicable 表示IAB-DU在該資源上不可執(zhí)行傳輸。為了減少節(jié)點(diǎn)間相互干擾，全網(wǎng)同步成為優(yōu)先級(jí)較高的需求，即需要保持DgNB 和IAB之間下行發(fā)射定時(shí)對(duì)齊[9-10]。

1.1 資源復(fù)用方式

現(xiàn)有AL 和BL 之間的資源復(fù)用方式指DA 和DB、UA 和UB 之間的資源復(fù)用方式是TDM，雖然采用TDM 避免了IAB 收發(fā)自干擾，但TDM 將增加端到端業(yè)務(wù)時(shí)延。所以有必要針對(duì)AL 和BL之間的資源復(fù)用方式進(jìn)行進(jìn)一步研究，以達(dá)到既避免IAB 收發(fā)自干擾、又不增加端到端業(yè)務(wù)時(shí)延的目的。一種直接的方式是DA 和DB、UA 和UB之間的資源復(fù)用方式采用頻分復(fù)用（frequency-division multiplexing，F(xiàn)DM）或空分復(fù)用（spatial-division multiplexing，SDM），把這種FDM、SDM 稱為常規(guī)的頻分復(fù)用（conventional FDM，cFDM）、常規(guī)的空分復(fù)用（conventional SDM，cSDM），但是采用cFDM 或cSDM 將產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。例如，假設(shè)采用cFDM，在IAB側(cè)存在未經(jīng)過(guò)空口衰落的DA 下行發(fā)射信號(hào)對(duì)經(jīng)過(guò)空口衰落的DB 下行接收信號(hào)的邊帶泄露干擾，或在IAB 側(cè)存在未經(jīng)過(guò)空口衰落的UB 上行發(fā)射信號(hào)對(duì)經(jīng)過(guò)空口衰落的UA 上行接收信號(hào)的邊帶泄露干擾；假設(shè)采用cSDM，在IAB 側(cè)存在未經(jīng)過(guò)空口衰落的DA 下行發(fā)射波束對(duì)經(jīng)過(guò)空口衰落的DB 下行接收波束的旁瓣泄露干擾，或在IAB側(cè)存在未經(jīng)過(guò)空口衰落的UB 上行發(fā)射波束對(duì)經(jīng)過(guò)空口衰落的UA 上行接收波束的旁瓣泄露干擾。因?yàn)槲唇?jīng)過(guò)空口衰落的信號(hào)或波束具有極高的功率，然而經(jīng)過(guò)空口衰落的信號(hào)或波束具有較低的功率，后者將受到前者嚴(yán)重的泄露干擾，本質(zhì)上這種泄露干擾屬于收發(fā)自干擾[11-12]。

為了解決上述泄露干擾問(wèn)題，本文把資源復(fù)用重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到DA 和UB、UA 和DB 之間，即在DA 和UB、UA 和DB 之間采用FDM 或SDM，把這種 FDM、SDM 稱為增強(qiáng)的頻分復(fù)用（enhancement FDM，eFDM）、增強(qiáng)的空分復(fù)用（enhancement SDM，eSDM）。可以看出，在IAB側(cè)DA 和UB 為同時(shí)發(fā)射（simultaneous transmission，STx）狀態(tài)，所以不存在干擾問(wèn)題；在IAB側(cè)UA 和DB 為同時(shí)接收（simultaneous reception，SRx）狀態(tài)，但此時(shí)的接收信號(hào)均是經(jīng)過(guò)空口衰落的接收信號(hào)，接收功率差異不大。所以，采用eFDM時(shí)，UA 和DB 之間的邊帶泄露干擾不嚴(yán)重，采用eSDM 時(shí)，基于波束管理，則不存在旁瓣泄露干擾。接下來(lái)將針對(duì)eFDM/eSDM 共性問(wèn)題（如節(jié)點(diǎn)定時(shí)關(guān)系）、eFDM 特有問(wèn)題（如保護(hù)頻帶）、TDM/eFDM/eSDM 性能仿真進(jìn)行介紹。

1.2 節(jié)點(diǎn)定時(shí)關(guān)系

對(duì)于STx，如果IAB 上行發(fā)射定時(shí)與IAB 下行發(fā)射定時(shí)沒(méi)有對(duì)齊，即正交頻分復(fù)用（ orthogonal frequency-division multiplexing ，OFDM）符號(hào)沒(méi)有對(duì)齊，則將產(chǎn)生符號(hào)間干擾（inter symbol interference，ISI）和子載波間干擾（inter carrier interference，ICI），所以必須對(duì)上述兩種發(fā)射定時(shí)做定時(shí)對(duì)齊處理，定時(shí)對(duì)齊示意圖如圖2所示，相應(yīng)地，DgNB 上行接收定時(shí)隨著IAB 上行發(fā)射定時(shí)向右調(diào)整。

對(duì)于SRx，如果IAB 上行接收定時(shí)與IAB 下行接收定時(shí)沒(méi)有對(duì)齊，即OFDM 符號(hào)沒(méi)有對(duì)齊，則將產(chǎn)生ISI 和ICI，所以必須采用如圖2 所示對(duì)上述兩種接收定時(shí)做定時(shí)對(duì)齊處理，相應(yīng)地，UE 上行發(fā)射定時(shí)隨著IAB 上行接收定時(shí)向右調(diào)整。

圖2 定時(shí)對(duì)齊示意圖

1.3 保護(hù)頻帶

NR 的基帶調(diào)制方式仍然為OFDM 調(diào)制，所以必須保持子載波正交性，雖然帶內(nèi)回程的AL 和BL 共用重疊的頻率資源，但這不意味著AL 和BL必須使用相同的子載波間隔（subcarrier spacing，SCS）。為滿足AL 和BL 的不同業(yè)務(wù)調(diào)度需求，AL 和BL 將具有不同幀結(jié)構(gòu)形式，而幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常依賴SCS 的選擇，所以需要考慮AL 和BL具有不同SCS 的情況，這里分別稱為SCS_AL 和SCS_BL。但在同一個(gè)OFDM 符號(hào)內(nèi)同時(shí)具有SCS_AL 和SCS_BL，這將在SCS_AL 和SCS_BL鄰近的頻率資源之間產(chǎn)生不同子載波間隔的共存干擾。值得注意的是，共存干擾和常規(guī)的ICI 有本質(zhì)區(qū)別，ICI 主要是子載波正交性遭到破壞，所以使用克服ICI 的方法無(wú)法解決共存干擾[13-15]。

本文針對(duì)功率譜密度（power spectral density，PSD）研究SCS 共存干擾。不同子載波間隔的共存干擾如圖3 所示，15 kHz 和60 kHz 共存時(shí)，60 kHz對(duì)15 kHz 產(chǎn)生更嚴(yán)重的共存干擾。

圖3 不同子載波間隔的共存干擾

從圖3 PSD 結(jié)果來(lái)看，共存干擾的程度和子載波間隔之間的大小差異有密切關(guān)系，并且觀察到受干擾的子載波位置僅位于鄰近的若干個(gè)子載波，這樣的現(xiàn)象對(duì)設(shè)計(jì)降低共存干擾的方案提供了有力的依據(jù)。在NR 系統(tǒng)中業(yè)務(wù)調(diào)度的最小單位是資源塊（resource block，RB），每個(gè)資源塊包含12 個(gè)子載波。也就是說(shuō)，為克服共存干擾需要將整個(gè)RB 作為保護(hù)頻帶，例如鄰近RB 不調(diào)度業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，但是當(dāng)子載波間隔較大時(shí)，RB 所占的頻帶較寬，整個(gè)RB 作為保護(hù)頻帶將會(huì)浪費(fèi)較多的頻率資源[16]。因此，提出一種改進(jìn)的方案：一方面使用較小子載波間隔對(duì)應(yīng)的頻帶資源作為保護(hù)頻帶，一方面使用更小的顆粒度自適應(yīng)地調(diào)整若干個(gè)子載波作為保護(hù)頻帶，以此保證頻譜效率。具體地，SCS_AL 為15 kHz，對(duì)應(yīng)1 個(gè)RB_AL 帶寬為180 kHz；SCS_BL 為60 kHz，對(duì)應(yīng)1 個(gè)RB_BL帶寬為720 kHz，采用RB_AL 作為保護(hù)頻帶可降低75%的保護(hù)頻帶，采用6 個(gè)子載波間隔為SCS_AL的子載波作為保護(hù)頻帶可降低87.5%的保護(hù)頻帶。

2 性能仿真與分析

如前所述，盡管eFDM、eSDM 方式可以減少端到端業(yè)務(wù)時(shí)延，但也要通過(guò)仿真驗(yàn)證eFDM、eSDM 相對(duì)于TDM 的性能是否存在較大差異，本文仿真假設(shè)見(jiàn)表1[17-20]。

表1 仿真假設(shè)

為了便于對(duì)比用戶感知吞吐量（user perceived throughput，UPT），以如圖4 所示的不同復(fù)用方式的下行UPT 性能曲線為基準(zhǔn)，把90% UPT統(tǒng)計(jì)在表2 中，不同復(fù)用方式的下行UPT 性能對(duì)比見(jiàn)表2，并以實(shí)例1 全下行（full downlink，F(xiàn)ull DL）資源的性能作為基線?？梢钥闯鰧?shí)例2 在下行資源與上行資源比例調(diào)整為8:2 條件下，實(shí)例2 UPT 降低為實(shí)例1 UPT 的80%左右，符合仿真預(yù)期，驗(yàn)證了仿真平臺(tái)準(zhǔn)確性。實(shí)例3 UPT 比實(shí)例2 UPT 有所下降，這是因?yàn)閑FDM 自適應(yīng)地把部分頻率資源調(diào)整為上行傳輸。實(shí)例4 UPT 比實(shí)例3 UPT 有明顯上升是因?yàn)榭沼虻馁Y源復(fù)用增益，但由于存在同時(shí)同頻傳輸時(shí)的波束間干擾，所以實(shí)例4 UPT 相對(duì)實(shí)例2 UPT 有少量上升?？傮w來(lái)看，在保持UPT 沒(méi)有嚴(yán)重下降的情況下，eFDM、eSDM 可以作為一種AL 和BL 資源復(fù)用方案，并且由于eFDM、eSDM 可以執(zhí)行同發(fā)/同收操作，相比于TDM 而言降低了端到端業(yè)務(wù)時(shí)延。

圖4 不同復(fù)用方式的下行UPT 性能曲線

表2 不同復(fù)用方式的下行UPT 性能對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了無(wú)線接入和無(wú)線回程一體化設(shè)計(jì)需求，識(shí)別出TDM 可以避免自干擾、但增加了業(yè)務(wù)時(shí)延這一問(wèn)題，并詳細(xì)研究了一系列增強(qiáng)技術(shù)方案，如自適應(yīng)地調(diào)整鄰近頻率資源的保護(hù)頻帶以降低不同子載波間隔引起的共存干擾，如eFDM、eSDM，以達(dá)到既避免IAB 收發(fā)自干擾、又降低端到端業(yè)務(wù)時(shí)延的目的。從標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)角度看，一體化增強(qiáng)技術(shù)研究需求避免了引入新節(jié)點(diǎn)類型而使得標(biāo)準(zhǔn)制定更加煩瑣重復(fù)，也將進(jìn)一步加快標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)新一代通信標(biāo)準(zhǔn)。同樣，一體化增強(qiáng)技術(shù)研究需求也將降低產(chǎn)業(yè)對(duì)新節(jié)點(diǎn)類型的開(kāi)發(fā)要求，使得網(wǎng)絡(luò)更加高效環(huán)保。另一方面，本文主要集中在固定的節(jié)點(diǎn)類型，然而對(duì)于公共交通場(chǎng)景（如高鐵、汽車、航空、海航等）、臨時(shí)部署場(chǎng)景（如大型集會(huì)、運(yùn)動(dòng)賽事、緊急救援等），這些場(chǎng)景中的節(jié)點(diǎn)共性是移動(dòng)，這將對(duì)無(wú)線回程的可靠性以及無(wú)線接入的群移動(dòng)研究提出更高的要求。對(duì)于移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)類型研究可以從本文獲得一些參考，從而更好地解決移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的引入帶來(lái)的新的技術(shù)問(wèn)題，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)的無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是一個(gè)更加靈活便捷的網(wǎng)絡(luò)。