频谱共享专题组技术报告.pdf

IMT-2020(5G)推进组 频 谱共享 专题组技术报告 技术报告 Technical Report 版权声明 Copyright Notification 本文档由 IMT-2020(5G)推进组 频谱共享 专题组成员单位起草 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 2015 IMT-2020推进组版权所有 - 2 - 目 录 1.引言 . 3 2.总体方案 . 3 2.1 多运营商频谱共享 . 3 2.1.1 集中式方案 . 3 2.1.2 分布式方案 . 6 2.2 运营商内频谱共享 . 8 2.2.1 原频谱使用系统改造成本大 . 8 2.2.2 原频谱使用系统改造成本小 . 9 3.关键技术研究与评估 . 10 3.1 高层技术 . 10 3.1.1 不同系统架构的频谱共享策略 . 10 3.1.2 关键技术和 问题 . 10 3.2 物理层技术 . 35 3.2.1 关键技术 . 35 3.3 数据库技术 . 41 3.3.1 非 IMT 频段数据库 . 41 3.3.2 IMT 频段数据库 . 43 3.4 干扰处理技术 . 45 3.4.1 干扰的定义 . 45 3.4.2 干扰场景 . 45 3.4.3 干扰管理技术 . 49 3.5 射频技术 . 76 3.5.1 射频挑战和候选方案 . 76 3.5.2 研究进展 . 77 3.5.3 RF 设计 78 4. 总结 . 79 5. 缩写词 . 81 6. 参考文献 . 82 第 3 页 共 84 页 1. 引言 本报告是在频谱共享需求分析和应用场景报告的基础上， 基于 频谱共享技术的重点应用场景，给出总体方案，并对关键技术展开深入研究与评估，具体关键技术包括：高层技术、物理层技术、干扰处理技术、射频技术等。 本报告作为频谱共享专题组的 2 份报告之一，为技术组的后续工作方向决策与方案制定提供参考， 为 5G 的技术推进和标准化奠定理论基础。 2. 总体方案 本章基于频谱共享技术的重点应用场景，给出总体技术方案，主要包括系统的架构、接口、功能模块、工作流程等。为下一章的各功能单元的关键技术设计提供基础。 2.1 多运营商频谱共享 2.1.1 集中式方案 2.1.1.1 架构与接口 在集中式方案中，需要增加高级管理节点，位于网络架构各频谱共享者之上，实现频谱的需求管理、 频谱池维护管理、 干扰处理、频谱分配决策、频谱回收等。 在多个运营商采用同等级频谱共享方式时 （ co-primary sharing）， 该共享方式的可能共享方案包括共享频谱池和租赁等。 为了尽量降低运营商间相互干扰，有效部署站点并提升频谱实际使用效率，考虑设置频谱高级管理节点，该节点统一管理分配运营商共享的频谱资源，运营商的 OAM 与高级管理节点 进行连接 与信息交互， 运营商站点的中心频点能够灵活更改，实现频谱的动态使用。 S m a l l c e l l 基 站U uU u新增接口扩展接口S m a l l c e l l 基 站U uU uO A M扩展接口S m a l l c e l l 基 站U u扩展接口S m a l l c e l l 基 站U uU uO A M扩展接口新增接口U u运 营 商 A运 营 商 B图 2 1 频谱共享集中式架构示意图 第 4 页 共 84 页 在上述架构中与现有 IMT 接口的差异在于： 高级管理节点和运营商 OAM 间新增接口，运营商 OAM 与基 站之间扩展接口。 在各网络节点中，主要功能如下： 新增的高级管理节点：维护 管理频谱池的使用状况，获取运营商的频谱需求申请，频谱的分配决策 ，分配结果的通知等。 运营商 OAM： 汇总各基站的需求和其它测量参数等上报，接收来自高级管理节点的频谱分配结果，在基站间进行资源分配等。 运营商基站：频谱需求统计与上报，接收频谱分配结果，根据更新后的频谱资源进行重配置等。 对于其它频谱共享场景，集中式架构与上图基本相似，只是需要根据各自场景的网络节点设置情况，替换图中相应位置的节点。 2.1.1.2 工作流程 对于上述多运营商频谱共享的场景 ， 根据高 级管理节点的频谱分配是针对每个基站的还是针对运营商全部基站的大段 频谱，可以区分为两个 case 及各自的工作流程，如下的工作流程对于室内外场景和不同站型，都是通用的。 具体如下： 高级管理节点能够管控运营商级别的频谱资源，不参与管理每个运营商内的 站点 频率分配。 频 频 频 频频 频 频 频 频 频 频 O A M频 频 频频 频 频 O A M频 频 频第 5 页 共 84 页 高 级 管 理 节 点 运 营 商 O A M 运 营 商 基 站 终 端测 量 结 果 上 报频 谱 需 求 及 相 关 参 数 上 报频 谱 占 用 情 况 更 新 消 息 上 报频 谱 资 源 占 用 结 束 消 息 上 报执 行 频 谱分 配 结 果通 知 频 谱 分 配 结 果执 行 各 运 营 商 间频 谱 分 配 方 案 并 决 策频 谱 分 配 的 授 权 分 配 消 息频 谱 分 配 的 收 回 消 息配 置 频 谱 资 源相 关 参 数 测 量运 营 商 内 基 站 间 频谱 管 理 与 协 调频 谱 需 求 和 参 数 上 报运 营 商 内 频 谱 需 求 和 参数 统 计 与 预 测 ，频 谱 需 求 更 新 的 触 发测 量 ，站 内 频 谱 需 求 和 参 数 统 计 ，频 谱 需 求 更 新 的 触 发反 馈 频 谱 分 配 的 确 认 消 息反 馈 频 谱 分 配 的 确 认 消 息图 2 2 管控到运营 商级别的集中式频谱共享工作流程 高级管理节点能够管控到运营商的每个站点级别的频谱资源。 频 频 频 频频 频 频 频第 6 页 共 84 页 高 级 管 理 节 点 运 营 商 O A M 运 营 商 基 站 终 端测 量 结 果 上 报频 谱 需 求 及 相 关 参 数 上 报频 谱 占 用 情 况 更 新 消 息 上 报频 谱 资 源 占 用 结 束 消 息 上 报执 行 频 谱分 配 结 果转 发 频 谱 分 配 结 果上 报 基 站 频 谱需 求 和 参 数 消 息频 谱 分 配 的 授 权 分 配 消 息频 谱 分 配 的 收 回 消 息配 置 频 谱 资 源相 关 参 数 测 量测 量 ，频 谱 需 求 的 统 计 和 预 测 ，频 谱 需 求 更 新 的 触 发执 行 各 基 站 间频 谱 分 配 方 案 并 决 策对 A P 的 频 谱 需 求 做策 略 性 过 滤 处 理反 馈 频 谱 分 配 的 确 认 消 息反 馈 频 谱 分 配 的 确 认 消 息图 2 3 管控到站点级别的集中式频谱共享工作流程 2.1.2 分布式 方案 2.1.2.1 架构与接口 与集中式架构不同，在分布式架构中不设置新增的高层管理节点，而是在频谱共享者之间进行信息交互，包括：频谱请求、频谱占用情况、负载情况、信号特性等消息，实现竞争或协商的频谱共享。 不同运营商的业务需求在时间、空间和频率上分布不均匀、 QoS 需求多样化且差异较大，同优先级频谱共享允许多运营商的小小区根据特定的规则以相同的优先级共享频谱，使各运营商更加高效、灵活、动态地接入频谱，从而解决传统频谱规划不能较好地匹配频谱资源和业务分布的问题。 集中式跨运营商频谱共享架构下运营商之间不能直接进行通信，而必须要通过第三方的频谱管理高级节点来进行信息采集和处理，在未来的通信架构中，随着运营商对频谱共享的程度加深，不排除运营商之间存在通信接口的可能性，这里将分布式跨运营商频谱共享架构作为另外一种选项。 下图是 多 运营商频谱共享的 分布式 系统架构 ， 为简便起见，以两个运营商即运营商 A（ OPA）和运营商 B（ OPB）为例进行说明。每个运营商配置一个频谱控制器（ Spectrum controller, SC）实体，该实体可以单独是一个独立的物理实体，也可以是集成在其他物 理实体中的一个功能模块 ，如 OAM。 在 运营商 的 频谱控制器之间 定义一个通信接口，多运营商可以通过该 接口来交互信息， 并 对频谱共享规则进行协商，从而达到公平、有效地共享频谱资源的目的。 第 7 页 共 84 页 O P AO P B频 谱 共 享 规 则O A M &R R MO A M &R R M频 谱 控 制 器频 谱 控 制 器M e N BAM e N BBS e N BBS e N BBS e N BAS e N BAM e N BX- 运 营 商 X 的 宏 基 站S e N BX- 运 营 商 X 的 小 基 站频 谱 配 置图 2 4 频谱共享分布式架构示意图 2.1.2.2 工作流程 针对分布式多运营商频谱共享架构，运营商之间可以通过跨运营商共享接口来交互信息，但是由于运营商之间的竞争关系，不会也不愿意交互较为细节的敏感信息 。因此，可以在运营商之间传递一些模糊信息，该模糊信息是通过各运营商的频谱控制器对所辖的所有基站信息进行统计得到的。 相应的 工作流程如 下图 所示。 第 8 页 共 84 页 S e N BAs S CAS CBS e N BBs统 计 信 息 交 互相 关 信 息 统 计 相 关 信 息 统 计确 定 可 利 用 的 资 源 确 定 可 利 用 的 资 源资 源 分 配 资 源 分 配相 关 信 息 上 报 相 关 信 息 上 报U EAsU EBs测 量 汇 报 测 量 汇 报资 源 配 置 资 源 配 置测 量测 量图 2 5 分布式多运营商频谱共享工作流程 具体的工作流程步骤如下： (1) 终端对服务基站的相关信息进行测量； (2) 终端将相关信息以测量汇报的方式发送给服务基站； (3) 各基站将搜集到的相关信息上报给频谱控制器，其中相关信息可能包含业务负载、资源配置、频谱需求等； (4) 频谱控制器根据搜集到的各基站的相关信息进行统计，得到本运营商的频谱需求信息； (5) 不同运营商的频谱控制器交互统计信息； (6) 各运营商的频谱控制器根据其他运营商的统计信息来计算可用的资源，如频谱、功率等； (7) 频谱控制器给所辖的基站分配资源； (8) 基站给用户进行资源配置。 2.2 运营商内频谱共享 从总体来说，运营商内频谱共享方案需要综合考虑技术可行性、改造成本、共享效率与性能、运维难度等多种因素。同时，由于运营商内部多系统大多采用共站方式建设，网络拓扑具有较大相似性，且无须严格考虑网间隐私屏蔽等问题，因此为运营商内频谱共享方案设计提供了良好的网络基础。 2.2.1 原频谱使用系统改造成本大 第 9 页 共 84 页 R A T A , R A T B 共 站O A M AR A T A 系 统（ 频 谱 共 享 使 用 者 ）R A T B 系 统（ 原 频 谱 使 用 者 ）O A M B频 谱 控 制 器图 2 6 运营商内 RAT 间的频谱共享 Intra-OP 频谱共享技术方案（ 1） RAT B RAT B 系统 OAM 频谱控制器 RAT A 系统 OAM RAT A RAT B 通过 RAT B OAM 系统收集并上报频谱使用情况，并接受频谱控制器协调，规范RAT B 频谱使用（ RAT B 改动小） 。 频谱控制器通过 RAT A OAM 进行 RAT A 频谱管理协同 （频谱共享效率低， RAT A 改动较小） 。 Intra-OP 频谱共享技术方案（ 2） RAT B RAT B 系统 OAM 频谱控制器 RAT A RAT B 通过 RAT B OAM 系统收集并上报频谱使用情况，并接受频谱控制器协调， 规范RAT B 频谱使用（ RAT B 改动小） 。 频谱控制器直接下发 RAT A 基站相关频谱共享指令信息 （效率高，需要对 RAT A BS进行增强） 。 2.2.2 原频谱使用系统改造成本小 Intra-OP 频谱共享技术方案（ 3） 第 10 页 共 84 页 RAT A 与 RAT B 共站场景可以直接通过频谱控制器管理和协调共享频谱 ，流程为： RAT B 控制器 RAT A 对比上述的运营商内共享方案，优缺点如下表： 技术方案 优点 缺点 技术方案 1 对 RAT B 和 RAT A 改动小 共享 效率 较 低 技术方案 2 RAT B 改动小 ， 效率高 需要对 RAT-A 基站进行增强 技术方案 3 共享 效率 最高 对 RAT B 和 RAT A 改动 大 3. 关键技术研究与评估 3.1 高层技术 高层技术主要包括在 MAC 层和 RRM 层等物理层以上 的动态频谱共享管理与分配 。 动态频谱共享导致了频谱资源的动态变化和多优先级网络共存，使得无线通信系统的传输和管理面临新的技术挑战。频谱感知、频谱管理、业务 QoS 保障等是频谱资源共享无线通信研究领域竞相突破的核心关键技术。 3.1.1 不同系统架构的 频谱共享策略 频谱共享策略的设计是依托于不同的系统架构，主要包括集中式、分布式、混合式架构。 - 对于集中式架构，需要 设立高级管理者， 各共享系统 接入该管理者，通过新定义的接口交互当前频谱使用状况信息、 各共享系统 对频谱的需求信息、频谱授权配置决策结果信息等。 在该架构下，需要 定义高级管理者在频谱分配和共享中的功能，设计频谱分配和共享功能的承载实体， 据此明确 新增的高层节点与 各共享系统 间接口负责承载的消息 ，制定共享频段的频谱分配方案和干扰处理方案。 - 对于分布式架构， 不 需要 设立高级管理者， 各共享系统 间新增接口，交互 各共享系统 对频谱的需求信息、 各共享系统 实际的频谱占用情况和发射参数信息、频谱退让的相关信息等。 在该架构下， 设计新增的 各共享系统 间接口负责承载的消息 ，制定共享频段的频谱的竞争和协作共享方案，以及干扰处理方案。 - 对于混合式架构，需要结合上面两种架构下的结果，从网络结构、功能单元、接口和消息承载等方面，进行联合设计，并据此设计综合性能更加优化的频谱共享分配方案。 3.1.2 关键技术和问题 3.1.2.1 频谱感知 频谱感知是发现可用频谱资源的基本技术手段，是实现动态频谱共享的核心关键技术之一。 频谱感知的目标是检测频谱机会和授权用户 (即 主用户 )的信号 ， 当频谱机会被检测到 ，非授权用户就可使用这段暂时空闲的频谱。介于非授权用户的低优先 级 ， 非授权用户必须及时检测到授权用户的出现来避免对授权用户的干扰 ， 在检测到授权用户到达后及时进行频谱