作者：万蕾 等
出版社：电子工业出版社
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LTE/NR频谱共享——5G标准之上下行解耦试读：
前言
随着移动通信技术的迅速发展，万物互联的智能世界将革命性地改变人们的生活。海量的设备连接，迅猛增长的数据流量，以及实时性、可靠性要求更高的新型业务，这些都对未来通信系统提出了更高的要求。早在2012年7月，国际电信联盟无线电通信组就启动了对2020年及以后的未来无线通信的研究；在2013年至2015年期间，包括中国、欧洲、韩国、日本和美国在内的诸多国家和地区相继成立了5G推进组织和研究机构，业界、研究机构和高校都非常积极地投入到3GPP 5G-NR的研究当中，这为最终能够制定出广泛支持多种应用场景的无线接入技术方案打下了坚实的基础。国际电信联盟启动IMT-2020研究已经六年了，在2018年3GPP发布了首个5G国际标准版本，迎来了5G标准化的第一个里程碑，其中5G非独立部署标准在2018年3月冻结，5G独立部署版本在2018年6月冻结。2018年9月，3GPP向ITU提交了5G技术标准提案和初评报告。
在获得了大带宽频谱后，5G的峰值速率不断刷新，在视距传输条件下能达到100 MHz 4 Gbps以上的峰值速率。但是在实际商用部署中，5G-NR新无线接入技术面临的首要问题是覆盖问题，因为在蜂窝移动通信网络中，蜂窝小区边缘速率决定了用户体验，并在一定程度上决定了网络容量。当前，4G LTE蜂窝网络部署已经占据了无线频谱中传输损耗小、广覆盖的2.6 GHz及以下中低频段，随着社会信息化的发展，4G用户数在未来几年内还将保持强劲增长的趋势，因此被4G LTE占据的中低频段在短期内难以释放给5G使用。另外，5G系统在大带宽的频谱资源利用方面也更能够发挥其空口设计优势，而2 GHz以下的低频段很难找到100 MHz以上的连续频谱，因此在全球范围内5G初期部署主要集中在有潜在大带宽资源的2.6 GHz到5 GHz的C波段等中频频段，以及部分毫米波补充频段。无论是 C 波段还是毫米波频段，其无线信号的传播损耗都明显大于目前2G/3G/4G 蜂窝网络部署的中低频段，覆盖是最主要的问题，尤其是手持终端上行发射功率受限，而且中高频段都选用TDD制式导致上行不能连续发射，因此上行覆盖不足将是5G首发商用阶段需要解决的最主要问题。
本书聚焦5G-NR新无线接入技术标准中的上下行解耦、LTE/NR上行和下行频谱共享等技术特性，通过与LTE系统的和谐频谱共享和共存，提升5G网络覆盖性能，提供了从LTE向5G平滑的网络演进路线。5G-NR的上下行解耦特性创造性地提出了把用户上行传输和下行传输频段解耦的概念，允许5G-NR下行锚定具有大带宽的频段（如C-band），依赖多天线技术提供高速率下载等下行服务，而上行则与 LTE 网络共享低频段频谱，从而极大地扩展5G小区的上行覆盖。提升5G首发商用部署的覆盖，能够降低部署基站的数量和密度，可以达到5G-NR和LTE共站部署共覆盖的效果，从而极大地降低5G部署成本，加快5G商用网络部署的节奏。上下行解耦带来的另一个优点是低空口时延，因为上行传输可以在低频FDD上行频段的任意时隙上发送，而不像在 TDD 频段的上行发送时隙上那样受限，因此上下行解耦的5G-NR链路其下行传输对应的上行反馈明显快于那些仅在 TDD 频段传输的5G-NR链路的上行反馈，从而可以提供和FDD系统相同的低空口时延。众所周知，中高频段的覆盖受限导致其业务适用范围受限，尤其对于广覆盖的物联网和高可靠低时延类的业务。而采用上下行解耦的5G 部署通过提升上行链路的覆盖可以很好地弥补中高频段的业务受限这一缺点，完美地把大带宽下行高速率传输和上行广覆盖与低时延结合在一起，真正达到包括移动宽带接入、广覆盖大连接物联网、超低时延的高可靠业务的全业务公共网络的部署和配置。
本书为5G 新无线接入技术的研究人员和开发人员系统地讲解了上下行解耦等频谱共享的技术特性。全书分为三部分共十章，第一部分介绍了上下行解耦的标准化背景和驱动力，包括：第1章5G-NR的发展、背景和标准化，第2章5G-NR上下行解耦技术的驱动力，以及第3章5G频谱和双工模式。第二部分详细阐述了5G-NR上下行解耦的系统设计和部署方案，包括：第4章5G网络部署、覆盖分析和挑战，第5章5G-NR组网模式和上下行解耦应用场景，第6章3GPP ReIease 15上下行解耦的空口接入机制，第7章LTE/NR同频段下行共存和第8章Sub 6 GHz终端的实现和能力。第三部分从产业角度总结了上下行解耦的产业化进程并指出下一步演进方向，包括第9章上下行解耦外场测试和第10章上下行解耦技术的展望。
本书的完成离不开参与LTE、5G-NR的新无线接入技术/上下行解耦标准化工作的同行们两年来的辛苦努力，离不开对现有网络痛点问题认识深刻的运营商的专家们给予的技术和标准上的支持，离不开对实现难点了如指掌的终端和芯片同行们提供的技术帮助，也离不开严谨的互通测试和外场测试的同事们，我们尽可能将他们的贡献指明出处。在3GPP 5G-NR 20个月的上下行解耦标准化讨论过程中，大量的覆盖分析、仿真评估、网络部署和终端实现分析及热烈讨论贯穿始终。3GPP历史上鲜有对一个技术特性在其标准化过程中进行如此全方位的分析和评估，翔实的分析为商用部署和网络配置及优化管理提供了保障。谨以此书献给那些为5G和上下行解耦特性做出贡献的标准代表、仿真团队、研发和测试团队；献给IMT-2020推进组、广大支持5G的运营商和各参与公司的专家们，让我们期待5G以最稳健的步伐走上历史的舞台，开启移动通信的新篇章。
最后，对于本书中存在的不足之处敬请读者和专家批评指正。著者2019年1月13日第1章 概述1.1 5G-NR的发展和背景
2012年7月，国际电信联盟无线电通信组（International Telecommunication Union Radio communication sector,ITU-R）启动了对2020年及未来的无线通信技术的研究，这也就是后来广为人知的国际移动通信 IMT-2020（International Mobile Telecommunications th2020），随即在全球掀起了第五代移动通信技术（5Generation,5G）研究的热潮。在2013年至2015年期间，包括中国、欧洲、韩国、日本和美国在内的诸多国家和地区相继成立了5G推进组织和研究机构。各个国家及地区的研究组织对5G的应用场景和能力需求进行了广泛而深入的研究，为之后ITU-R确定5G愿景提供了有力的保障和参考。2015年，ITU-R 综合各个国家及地区研究组织的研究成果，确定[1]了5G愿景。
随着5G研究的不断成熟和完善，在2014年年末，对5G技术的研究逐渐从学术界延伸到工业界。在2015年ITU-R确定5G愿景的时候，rd第三代合作伙伴计划（3Generation Partnership Project,3GPP）作为全球范围内最为支持5G研究的标准化组织之一，为了实现5G愿景，迅速启动了技术需求研究和应用场景调研。2015年9月，3GPP在北京举行了5G技术的研讨会，并在随后的2016年3月通过了5G研究的[2]立项，同时启动了5G新空口（5G New Radio,5G-NR）的技术研究[3]。业界、研究机构和高校都非常积极地投入到3GPP 5G-NR的研究当中，这为最终能够制定出广泛支持多种应用场景的无线接入技术方案打下了坚实的基础。
2018年3月，3GPP完成了5G-NR第一个版本的非独立组网标准，5G独立部署版本在2018年6月冻结，迎来了标准化的第一个里程碑。2018年9月， 3GPP向ITU提交了5G技术标准提案和初评报告，5G获得了全世界广泛的支持，未来全球5G的部署将打开世界万物互联的大门，而协作共赢也恰恰是5G部署中的重中之重。1.1.1 5G在国际范围内的研究
从2013年开始，各个国家和地区的研究人员加大了对5G应用场景和关键技术的研究力度。在ITU开始5G愿景研究以后，诸多国家及地区的推进组织和研究机构相继在中国、欧洲、韩国、日本和美国成立。这些组织从5G需求、应用场景和部署场景开始研究，随后扩展到了关键技术和5G频谱。与此同时，下一代移动通信网络（Next Generation Mobile Networks,NGMN）作为全球移动网络运营商联盟也从运营商的视角开始研究5G需求。
中国：IMT-2020（5G）推进组
2013年2月，中国的工业和信息化部、国家发展和改革委员会以及科学技术部共同组织成立了IMT-2020（5G）推进组。该推进组由中国的运营商、网络设备商、研究机构和高校组成，是中国推进5G研究的主要平台。[4]
IMT-2020（5G）推进组在2014年5月发布了5G愿景白皮书，其中指出：移动宽带和物联网将成为5G 网络中两种重要的应用场景。一方面，5G将继续对移动宽带场景进行增强，在多种环境中提供1 Gbps的用户体验速率；另一方面，5G需要为物联网提供海量连接、低时延和高可靠的服务，因而物联网将成为5G网络部署的新驱动者。中国5G白皮书最先给出了5G应用场景的概述，随后ITU-R对该应用场景进行扩展并认定为5G的三大应用场景。
欧洲：5G PPP
5G 基础设施建设中的政府和社会资本合作（5G Infrastructure Public Private Partnership,5G PPP）是欧盟委员会和欧洲信息通信产业共同倡议的5G研究模式。5G PPP的第一阶段是从2015年7月开始的，并在2017年继续其第二阶段的研究。
在第一阶段的5G PPP倡议之前，即2012年11月，欧洲便开始了5G重点研究项目——实现2020信息社会的移动和无线通信项目（Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty Information Society,METIS），并于2013年4月公开了其在5G应用场景[5]和需求方面的研究成果。在其研究中，除移动宽带应用之外，METIS 还提出了很多新的工业和机器类的通信应用。2015年4月，[6]METIS在公开发表的研究中将应用场景分为三类——极致的宽带移动通信（Extreme Mobile Broadband,xMBB）、海量机器类通信（Massive Machine-Type Communications,mMTC）和高可靠的机器类通信（Ultra-reliable Machine-Type Communications,uMTC），而这三类场景恰恰是ITU-R所采纳的三大5G应用场景，本书将在第2章中对其进行详细介绍。
韩国：5G Forum
5G Forum由韩国的科技、信息通信技术与未来规划和移动产业部在2013年5月成立，旨在帮助推进5G标准化进程并且扩展其在全球范围内的影响。5G Forum的成员包括移动通信运营商、制造商和学术界的专家。
5G Forum预测了5大核心应用服务，包括社交网络服务、移动3D成像、人工智能、高速服务、超高清分辨率能力以及全息技术。这些新的业务都会通过强大的5G网络提供服务。
日本：5GMFth
第五代移动通信推进论坛（5Generation Mobile Communications Promotion Forum,5GMF）于2014年9月成立于日本。5GMF的研究和工作包括5G的标准化、相关组织的协作，以及其他推进活动。[7]
5GMF在2016年7月发表了白皮书，突出了高速率数据服务、自动驾驶、定位服务等5G应用场景。5GMF预测5G网络需要足够灵活才能够满足多种多样服务的需求。
美国：5G Americas
5G Americas 是由通信服务商和制造商组成的工业贸易组织，其成立于2014年，是4G Americas 的延续。该组织的主要目标是支持和促进长期演进（Long Term Evolution,LTE）网络的深度应用和能力挖掘，同时关注LTE网络向5G的演进，其研究贯穿了整个产业链、服务、应用和无线连接终端，引领了整个美洲的5G发展。
5G Americas于2017年11月发布了其关于5G服务和应用场景的白
[8]皮书。该白皮书深入地研究了能够满足5G多样需求的关键技术，并且其提出的用例也为未来5G研究打下了坚实的基础。
全球组织：NGMN
NGMN 是全球移动网络运营商和制造商领导者的联盟组织，该组织的目标是扩展通信体验，为终端用户提供可负担的移动宽带服务，特别关注5G的发展，同时加速长期演进增强（Long Term Evolution-Advanced,LTE-Advanced）及其产业链的发展。[9]
NGMN于2015年2月发布了5G白皮书，从运营商的角度提供了一系列的5G需求和指标。这些指标凸显了未来网络对高容量的需求，以及从城市到农村地区的广大覆盖区域内统一的用户速率体验的需求。该白皮书同时指出，5G网络应该能够提供多种多样的服务，包括以海量传感器网络为代表的物联网通信、以触觉互联网为代表的极端实时通信，以及以电子健康服务为代表的超可靠通信等。这些服务必须能够在多种应用场景中得到保证，包括高速列车、移动热点和飞机等。
全球5G活动
5G的发展需要通过全球范围内的协作来共同制定出一个统一的全球认可的5G技术标准。为此，包括IMT-2020（5G）推进组、5G PPP、5G Forum、5GMF、5G Americas、5G Brasil在内的5G推动组织举办了一系列国际化的5G活动，分享各地区的观点和发展状况，以推动5G达成全球共识，并且努力促进5G用于不同垂直行业，构建5G产业链。1.1.2 3GPP对于5G标准的启动
随着IUT-R和5G区域研究的发展，标准化组织从2014年开始就重点关注5G,3GPP是5G标准化研究组织中的重要一员。
随着3G网络的发展，3GPP已经成为全球移动通信标准的领导者，它把LTE标准应用于移动宽带业务，使得LTE成为全球应用最成功的移动通信标准之一。
3GPP 将世界各地的电信标准发展组织（Standards Development Organization,SDO）统一组织到一起进行标准化工作。这些SDO在3GPP中被称为组织伙伴（Organization Partner,OP），目前有七个OP：日本的无线工业及商贸联合会（Association of Radio Industries and Businesses,ARIB）和电信技术委员会（Telecommunications Technology Committee,TTC）、美国的电信产业解决方案联盟（Alliance for Telecommunications Industry Solutions,ATIS）、中国通信标准化协会（China Communications Standards Association,CCSA）、欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute,ETSI）、印度电信标准开发协会（Telecommunications Standards Development Society India,TSDSI）和韩国的电信技术协会（Telecommunications Technology Association,TTA）。七个OP为成员提供了稳定的组织环境来研究和开发3GPP技术。3GPP的成员包括关键行业参与者、领先运营商、供应商、用户终端制造商和芯片组开发人员，同时还包括有区域影响力的研究机构、学术机构和大学。3GPP成员积极参与技术标准的制定，确保3GPP技术能够解决不同方面和不同区域所关注的内容和问题。基于不同成员所达成的一致意见，由3GPP制定的技术规范将被OP纳入其区域规范中。通过这种方式建立全球移动通信标准，这是3GPP标准开发成功的关键所在。
LTE 协议是基于广泛共识机制的一个成功先例，全球范围的广泛参与，为LTE发展、标准化和实施的成功奠定了坚实的基础。由于LTE技术的巨大成功，3GPP已经成为5G必不可少的标准开发组织。2015年，随着5G愿景的逐渐成熟，3GPP启动了5G研究和开发。
3GPP 5G-NR协议研究规划如图1-1所示，在2016年年底到2017年年初，当3GPP处于第14版本（Release 14,Rel-14）的研究周期时，3GPP进行了5G技术需求和部署方案的研究，目标是在2018年6月实现ITU-R定义的5G愿景。3GPP在5G研究过程中确定了5G-NR开发的关键技术，这些关键技术构成了Release 15规范工作的基础，Release 15从2017年年初持续到2018年6月。在2018年至2019年年底的期间，3GPP同时计划在Release 16中开发包括5G-NR和LTE在内的全能力3GPP 5G技术。通过这一阶段性的计划方案，3GPP将把其制定的5G标准作为IMT-2020的解决方案，并在2020年度递交到ITU-R。图1-1 3GPP 5G-NR协议研究规划1.2 5G-NR标准化
5G-NR研究不同阶段的目标简介如图1-2所示，在5G-NR标准化的第一阶段工作一部分是5G-NR的基本框架的搭建，包括初始接入过程、基本的数据传输和控制过程等，还包括波形和正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）参数的选择，帧结构设计以及大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）的支持；另一部分是架构方面的研究，主要包括独立组网/非独立组网、LTE/NR共存、上下行解耦和载波聚合等特性。
5G-NR的关键技术如图1-3所示，各项关键技术及其组合为5G-NR能够支持未来多种业务打下了坚实的基础。大带宽与大规模天线的结合带来断代式的用户速率体验，大规模天线的应用极大地提升了用户覆盖和运营商频谱价值；0.5 ms的传输时延为时延敏感型业务提供支持；以用户为中心的网络管理实现随时随地的100 Mbps下载；上下行解耦使能C波段（C-band）与1.8 GHz附近的频段同覆盖，降低了运营商5G-NR部署成本；更加灵活和前向兼容的空口设计使能了多种业务的空口共存。图1-2 5G-NR研究不同阶段的目标简介图1-3 5G-NR的关键技术1.2.1 上下行解耦
上下行解耦是Release 15标准规范中的一个标准化特性[10,11,12,13]，其概念可以直观地解释为：将一个蜂窝小区中的上行载波和下行载波配置在不同频段内的频点上。
在通常情况下，上行载波所在频段对应的频点比下行载波所在的频段对应的频点更低，有利于上行覆盖与下行覆盖的匹配。
在应用上下行解耦时，一个蜂窝小区中的下行载波可以是一个时分双工（Time Division Duplexing,TDD）载波，在该TDD载波上还存在一个TDD的上行通道。因此，该蜂窝小区中存在一个下行载波和两个上行载波，其中一个为增补上行（Supplementary Uplink,SUL）载波，另一个为普通上行载波。在本书中，将下行载波在一个频段内的上行载波称为普通上行载波或普通上行（Uplink,UL）。
上下行解耦在标准化过程中也经历了从标准推动到标准采纳的过程，其推动和标准化过程见表1-1。上下行解耦的标准化内容主要包括物理层的工作机制、频段的定义、射频关键技术指标、高层的信令配置/指示和媒体接入控制（Medium Access Control,MAC）层的流程等，详细的关键技术标准化过程将在后续章节中进行介绍。表1-1 上下行解耦标准化过程（续表）（续表）1.2.2 LTE/NR同频段共存
表1-2中给出了LTE/NR同频段共存的标准化过程，包括LTE与5G-NR共享频谱和邻频共存，其中共享频谱的概念是指LTE和5G-NR在上下行传输方向上使用互相重叠的频率，LTE和5G-NR的载波在频率上部分或者全部重叠。与上下行解耦提升小区上行覆盖不同，上下行共享频谱是在有限的频谱上，尤其是频分双工（Frequency Division Duplexing,FDD）的频谱上同时部署LTE和5G-NR，达到同时服务5G-NR用户和存量LTE用户的目的，实现LTE向5G-NR的平滑过渡，尤其适合缺少新5G频谱的运营商使用。LTE/NR邻频共存部署是将LTE和5G-NR部署在同一个频段内的不同频率上，为了避免 LTE 和5G-NR 相互间的干扰，5G-NR 需要有特殊的设计，特别是当 LTE和5G-NR 部署在同一个 TDD 频段上时，二者之间需要通过合理的设计来避免上下行之间的干扰。根据不同频谱和带宽的配置，上下行同频段共存有多种方式，在本书的后续章节中将进行详细的介绍。表1-2 LTE/NR同频段共存的标准化过程（续表）（续表）参考文献
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ITU 的5G 需求中包括增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband,eMBB）、海量机器类通信（Massive Machine-Type Communications,mMTC）和高可靠低时延通信（Ultra-Reliable Low-[1]Latency Communications,uRLLC）三种应用场景，其中：eMBB为移动宽带上网业务场景，满足人的无线通信的需求；mMTC和uRLLC为机器通信，mMTC即为海量的物联网连接，而uRLLC则强调业务的短时延和高可靠性。IMT-2020的关键应用场景和能力如图2-1所示。[1,2]图2-1 IMT-2020的关键应用场景和能力
eMBB业务
移动宽带接入提供了以人为中心的多媒体内容的服务和数据接入，人对移动宽带业务的需求将从移动宽带（Mobile Broadband,MBB）业务不断提升到eMBB业务。eMBB业务除提供MBB的传统业务应用之外还能够提供新的业务应用和需求，包括业务性能的提升和无缝覆盖的业务体验。eMBB接入包括具有不同要求的大范围覆盖和无线热点服务等多种场景，在表2-1、图2-2和图2-3中分别给出了下行视频业务的不同速率需求、5G-NR 部署初期的主流终端类型和业务，以及5G-NR部署初期的上行业务。对于无线热点服务场景，例如在用户密度超高的区域，对业务容量有较高的需求。对于大范围的覆盖场景就要求网络具有极致的无缝覆盖，以及在中高移动速度中提供高速数据服务的能力。表2-1 下行视频业务的不同速率需求图2-2 5G-NR部署初期的主流终端类型和业务图2-3 5G部署初期的上行业务
mMTC业务
mMTC 业务是将海量终端通过无线方式连接到网络中，每个终端需要传输相对较少的数据，而且这种数据对传输时延不敏感。mMTC 终端的成本相对较低，耗电量极低，其配备的电池生命周期极长，甚至可以10年不需要更换电池。
uRLLC业务
uRLLC 业务具有严格的速率、延迟时间（时延）和可靠性要求，比如，工业制造中的无线控制，生产中的数据处理，远程医疗手术，智能电网的自动配电和故障隔离，物流安全应用等。
还有一些未来的业务，目前虽然还没有出现，但是希望5G足够灵活，能够支持未来出现的新业务，而新业务可能会具有更广泛的特征。
图2-4中对比分析了不同业务对网络和终端的需求。[2]图2-4 不同业务对网络和终端的需求2.1 适配多业务的IMT-2020能力
IMT-2020及其后续演进期望能够提供更强的无线能力，图2-5给出了IMT-2020的能力需求，关键的能力包括以下一些关键的衡量指标：[2]图2-5 IMT-2020的能力需求
峰值数据速率（Peak data rate）：单个用户在理想条件下最高能
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