3GPP技术趋势-5G-Advanced发展趋势(他山之石）-5

6. 3GPP 中的频谱和空口

本章将探讨在 5G-Advanced 中部署 FR3 频谱的复杂性，重点介绍信号衰减和硬件限制带来的挑战，以及先进波束成形和自适应天线系统等创新解决方案。载波聚合的讨论将研究它如何通过优化带宽和提高跨不同频段的数据速率来增强空口性能。关于使用单下行控制信息 (DCI) 格式的多小区调度部分揭示了它如何通过高效协调多个小区来简化网络运营，为密集的 5G 部署铺平道路，实现更加一致和统一的网络管理。

6.1 5G-Advanced 的 FR3 频谱部署：挑战和解决方案

引入新的频谱不仅有望促进创新应用，还可以增强 5G-Advanced 领域内现有应用的功能。如图 5.1 所示，分配给 5G-Advanced 蜂窝部署的频谱通常位于上中频段，范围从 7.125 GHz 到 24.25 GHz。在本白皮书中，我们将此频段称为“FR3”频谱，与之前建立的 FR1 和 FR2 频谱不同。3GPP 未来可能会为任何新定义的 5G-Advanced 频谱引入特定的频段名称。

图 6. 全球已分配/锁定的 5G 频谱快照

“FR3”频段拥有几个关键优势，其中最重要的是其巨大的带宽和适用于广泛地理覆盖的特性，尽管它带来的挑战与FR1部署截然不同。从本质上说，“FR3”有可能结合FR1（覆盖范围）和FR2（宽带宽）频段的最佳方面。此外，充足的覆盖区域加上可用的大带宽使该频段对于增强定位和感知能力具有非常好的前景。总而言之，“FR3”可能成为开发和评估关键5G-Advanced技术的关键频段。

为了充分挖掘新频段（如 FR3）带来的潜在收益，我们需要解决一系列重要的挑战：

1. 传播损耗挑战: FR3 的传播损耗大于 FR1。为了确保 FR1 和 FR3 之间具有类似的覆盖范围，改善 FR3 上下行覆盖的技术对于 FR3 部署的成功至关重要。其中一项技术是巨型 MIMO，它将 FR1 的大规模 MIMO 扩展到拥有超过 1000 个元素的巨型 MIMO 天线面板，以提供更大的波束成形增益，从而克服 FR3 中更大的传播损耗。

2. 与现有通信系统共存: 新频段（如 FR3）中的蜂窝通信可能需要与已经在这些频段部署的现有通信系统共存。例如，地球/卫星通信已部署在 FR3 的许多频段中。这些现有通信系统的经营者可能是政府机构，例如国防部，他们对抑制来自其他共存蜂窝通信系统的干扰有非常严格的要求，以确保现有通信系统的可靠性。需要注意的是，蜂窝通信与 NTN 共存和蜂窝通信与政府机构现有通信系统共存这两种共存场景是不同的。在前一种情况下，NTN 是由运营商运营并由 3GPP 标准化的商用通信系统，这意味着 3GPP 可以开发 NTN 和 FR3 蜂窝通信系统方面的技术，例如动态频谱共享，以确保它们和谐共存。而对于后一种共存场景，由于政府机构这些通信系统的保密性，不太可能在它们和 FR3 的商用蜂窝通信之间共享频谱和数据。因此，需要在 FR3 蜂窝通信方面开发先进的干扰管理和抑制技术，以保证蜂窝通信和其他通信系统可以在新频段和谐共存，互不干扰。

3. 新收发器要求: 在新的频段部署蜂窝通信可能需要部署全新的收发器技术。这些新型收发器可能包括先进的射频滤波器、高性能功率放大器以及用于 UE 和 gNB 的创新天线设计。

3GPP 期望解决上述挑战性问题，并支持在新的频段部署 5G-Advanced。在 3GPP Rel-19 研讨会（2023 年 6 月 15 日 - 16 日，台北）上，讨论了与 FR3 相关的提案。讨论建议从研究 FR3 的信道模型开始，以更好地了解信道特性，例如信道时延扩展、角扩展、路径损耗、室外到室内损耗等。在建立信道模型后，可以进行 FR3 其他方面的研究。

6.2 载波聚合和空口

载波聚合是 5G 网络的基石技术之一，它通过允许组合多个频段来增强空口，从而提高数据吞吐量和网络容量。

6.2.1 使用单个 DCI 进行多小区调度

在 5G-Advanced 时代，预计频谱可用性将进一步提高，包括重新利用前几代频段和扩展毫米波 (mmW) 频段。这些频段可以聚合用于 UE，以增加下行链路和/或上行链路的數據吞吐量。传统载波聚合有两种模式 - 自调度和跨载波调度。对于自调度，指示每个载波上 DL 数据 (PDSCH) 或 UL 数据 (PUSCH) 调度信息（资源分配、链路自适应等）的下行控制信息 (DCI) 由与调度数据相同的单元上的 PDCCH 传输。对于跨载波调度，PDCCH 和调度的 DL 或 UL 数据可以在不同的单元上发送/接收。跨载波调度进一步允许在调度单元上通过一个 PDCCH 传输/接收承载多个 DCI 的 DL 数据和/或多个不同单元上的 UL 数据。

当载波聚合操作中的小区数量较少时，跨载波调度将使 UE 操作更节能，因为 UE 只需监控调度单元上的 PDCCH。然而，随着小区数量的增加，由于以下原因，很难实现跨载波调度的优势：

一个调度单元的 PDCCH 必须承载多个调度单元的多个 DCIs。这会占用单元的 DL 控制的大量资源，从而阻碍其他 UE 的调度机会。
UE 必须监控调度单元中的许多 PDCCH 候选者，这会消耗大量 UE 电量。

3GPP 技术趋势白皮书解决了下行控制开销和 UE 功耗问题，并同意支持通过单个 DCI 进行多小区 PUSCH/PDSCH 调度。与传统载波聚合不同，单个 DCI 提供多个调度单元的 DL 数据或 UL 数据的调度信息。对于此功能，最重要的未解决问题是如何设计用于多小区调度的 DCI。由于 DCI 的有效载荷有限（例如，不包括 CRC 的 120 位），因此不可能将多个调度单元的现有指示字段全部连接起来形成用于多小区调度的 DCI。此外，DCI 的大有效载荷会降低 PDCCH 的覆盖性能。另一方面，减少 DCI 字段的位数通常会降低调度灵活性。因此，必须仔细考虑 DCI 有效载荷大小和调度灵活性之间的权衡。

图 7. 自调度、跨载波调度和多小区调度

6.2.1.1 上行发射切换‘

3GPP 在 Rel-16 和 Rel-17 中规定了两种频段切换，Rel-16 是 1 发射器 (Tx) 切换到 2 发射器 (Tx)，Rel-17 是 2Tx 切换。随着 5G 部署的扩展，运营商计划重新利用更多 3G/4G 频段用于 5G，并进一步要求在两个以上频段之间灵活切换。

图 8 展示了涉及两个或更多频段时切换频段的组合。每个频段可能包含 1 个或 2 个 Tx，具体取决于支持的天线数量。Tx 链可以根据调度或配置在不同频段之间动态切换。

图 8. 两个以上波段的切换波段组合

与两个频段切换相比，在三个或更多频段之间切换会带来更复杂的切换频段对和射频组合。例如，如果没有限制，切换可以从任何频段列表切换到列表中的另一个随机频段。整体频段对组合将达到十个左右，这对于 UE 实现来说不可承受。因此，设计应优先考虑降低切换复杂性。

经过广泛讨论，复杂性降低包括三个方面：

允许 UE 在频段组合内仅报告某些频段上的一个发射器 (Tx)。这可以减少射频内存和架构复杂性，因为切换只会发生在频段组合中部分 Tx 之间。

允许 UE 为频段组合中的每个频段对报告切换选项（DualUL 或 SwitchedUL）。在四频段组合中，UE 只对一个频段对报告 DualUL。这允许 UE 实现灵活性，降低了 UE 支持 DualUL 的门槛。
当切换涉及两个连续时隙内的三个或更多频段时，UE 可以为两个连续切换报告最小间隙时间 (500 微秒)，基站将避免背靠背切换。

6.2.1.2 Rel-18 动态频谱共享 (DSS)

自 Rel-15 以来，3GPP 为 NR 引入了各种用于 DSS 操作的功能。NR 引入的一个关键功能是在 LTE 小区特定参考信号 (CRS) 资源元素周围速率匹配 NR 物理下行链路数据信道 (PDSCH)。LTE CRS 在每个 LTE 下行链路 (DL) 子帧中传输。NR PDSCH 速率匹配围绕 LTE-CRS 能够在传输 LTE-CRS 的资源上传输 NR PDSCH。

然而，直到 Rel-17，NR 物理下行控制信道 (PDCCH) 都不能与 LTE CRS 重叠。对于 DSS 载波，网络基本上需要为 NR UE 配置 NR-PDCCH，使得 NR-PDCCH 位于没有 LTE CRS 的 OFDM 符号上（例如，OFDM 符号 #2）。这限制了可用于 NR-PDCCH 传输的 OFDM 符号，导致 NR-PDCCH 容量有限（参见图 9）。在 Rel-18 中，支持在具有 LTE-CRS 的 OFDM 符号上接收 NR-PDCCH（参见图 10）。为此，NR-PDCCH 结构保持不变。NR 基站可能会被 LTE-CRS 穿孔 NR-PDCCH。NR UE 可以接收和解码 NR-PDCCH，就像它是一个常规 NR-PDCCH，不受 LTE-CRS 的影响一样，即使 NR-PDCCH 可能被 LTE-CRS 穿孔。