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(nèi)的頻率使用規(guī)劃，我國(guó)成為國(guó)際上率先發(fā)布5G系統(tǒng)在中頻段內(nèi)頻率使用規(guī)劃的國(guó)家。規(guī)劃明確了3 300 MHz—3 400 MHz（原則上限室內(nèi)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(duì)我國(guó)5G系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)、試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)等制定以及產(chǎn)業(yè)鏈成熟起到重要的先導(dǎo)作用［1］。5G終端作為5G業(yè)務(wù)的關(guān)鍵元素，是未來(lái)5G產(chǎn)業(yè)的重要價(jià)值載體［2］，其軟硬件技術(shù)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(cè)并存時(shí)造成的自干擾問(wèn)題是業(yè)界討論的熱點(diǎn)。

目前業(yè)界存在兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方式，即SA（Standalone，獨(dú)立）架構(gòu)與NSA（Non-standalone，非獨(dú)立）架構(gòu)［3］。若5G網(wǎng)絡(luò)按NSA架構(gòu)部署，則要求終端支持雙連接［4，5］技術(shù)，采用雙射頻同時(shí)連接4G與5G網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行雙收雙發(fā)，此時(shí)射頻器件的非線性等因素容易導(dǎo)致終端存在自干擾問(wèn)題，即上行可能對(duì)下行接收產(chǎn)生諧波與互調(diào)干擾，造成接收端靈敏度下降［2］。

文章從終端自干擾問(wèn)題的根源出發(fā)，對(duì)終端在新5G頻段與LTE頻段可能造成的自干擾問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時(shí)討論了業(yè)界目前關(guān)于此問(wèn)題的不同解決方案及其對(duì)終端與網(wǎng)絡(luò)的要求，最后從運(yùn)營(yíng)商角度提出了相關(guān)策略建議。

2 終端自干擾問(wèn)題分析

2.1 雙連接技術(shù)5G應(yīng)用背景

本質(zhì)上，3GPP在R12標(biāo)準(zhǔn)版本中提出的DC（Dual Connectivity，雙連接）技術(shù)與CA（Carrier Aggregation，載波聚合）技術(shù)均屬LTE多連接技術(shù)。CA在MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問(wèn)控制）層進(jìn)行聚合，對(duì)同步要求較高，雙連接技術(shù)為了規(guī)避MAC層調(diào)度過(guò)程中的時(shí)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(jìn)行分割和合并，然后將用戶數(shù)據(jù)流通過(guò)多個(gè)基站同時(shí)傳送給用戶。雙連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成熟，同時(shí)可幫助運(yùn)營(yíng)商更快速地在原LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上部署5G網(wǎng)絡(luò)，已成為5G下非獨(dú)立組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互操作［6-7］方案的關(guān)鍵技術(shù)，5G不同組網(wǎng)架構(gòu)下的互操作方案及對(duì)終端技術(shù)要求具體如表1所示：

表1 互操作方案及對(duì)終端技術(shù)要求

從表1可看出，雙連接作為非獨(dú)立組網(wǎng)下實(shí)現(xiàn)互操作方案的關(guān)鍵技術(shù)，需終端在硬件上支持雙通道射頻同時(shí)連接LTE與5G NR網(wǎng)絡(luò)。

2.2 終端雙連接自干擾

根據(jù)3GPP對(duì)雙連接在文獻(xiàn)［4］的定義以及文獻(xiàn)［8］的相關(guān)描述，非獨(dú)立組網(wǎng)下5G終端需支持雙收雙發(fā)機(jī)制，同時(shí)連接LTE eNB與5G gNB，使用來(lái)自兩個(gè)NB的無(wú)線資源。然而支持雙連接的終端可能存在自干擾問(wèn)題。在NSA架構(gòu)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(huì)帶來(lái)下行諧波和互調(diào)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(hào)以一定的放大系數(shù)a對(duì)輸入功率進(jìn)行放大，實(shí)際PA在輸入功率較低時(shí)能夠保證線性的放大，而當(dāng)輸入功率較大時(shí)會(huì)進(jìn)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(shí)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(hào)，同時(shí)若接收頻段為n×f0（n=2， 3， 。。。）時(shí)，接收機(jī)將受到諧波影響，導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度下降，如圖2（a）所示。而諧波對(duì)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(diào)干擾

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)干擾信號(hào)同時(shí)加到接收機(jī)時(shí)，這兩個(gè)干擾的組合頻率可能會(huì)恰好等于或接近有用信號(hào)頻率而順利通過(guò)接收機(jī)，這種干擾就稱為互調(diào)干擾，如圖2（b）所示。其中三階互調(diào)最嚴(yán)重。例如二階互調(diào)為f2-f1，三階互調(diào)為2f2-f1、2f1-f2、……

（a） 諧波干擾 （b） 互調(diào)干擾

圖2 諧波干擾與互調(diào)干擾示意圖

2.3 5G頻段自干擾理論分析舉例

結(jié)合國(guó)內(nèi)某運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)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(duì)終端自干擾問(wèn)題進(jìn)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(diào)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(diào)干擾頻段（上行） MHz

注：（1）為更真實(shí)地反映此問(wèn)題對(duì)具體運(yùn)營(yíng)商的影響，表2、表3與表4中的B1，B3和B5頻段均為某運(yùn)營(yíng)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(duì)B42下行）；三階互調(diào)干擾（B3與n78上行對(duì)B3下行、B5與n78上行對(duì)B5下行、B3與n79上行對(duì)B3下行、B5與n79上行對(duì)B5下行），四階互調(diào)干擾（B3與n78上行對(duì)B3下行）。

3 5G終端雙連接自干擾解決方案

目前業(yè)界關(guān)于諧波干擾問(wèn)題的解決方案包括提升射頻前端器件性能指標(biāo)、增加干擾消除電路、上下行頻分調(diào)度、上下行時(shí)分調(diào)度等。而對(duì)于互調(diào)干擾問(wèn)題則討論采用上下行頻分調(diào)度或上下行時(shí)分調(diào)度方案來(lái)解決。然而關(guān)于問(wèn)題導(dǎo)致的嚴(yán)重性以及現(xiàn)有解決方法的可行性與有效性有待進(jìn)一步進(jìn)行研究驗(yàn)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(guò)研究器件非線性與相關(guān)性能指標(biāo)的關(guān)系，優(yōu)化相關(guān)性能指標(biāo)，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(wèn)題存在時(shí)，其性能指標(biāo)是否能夠相比于LTE有進(jìn)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(duì)諧波進(jìn)行抑制。此方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低，但通過(guò)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(hào)，對(duì)于PA輸出PCB的諧波信號(hào)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(guò)模擬電路設(shè)計(jì)重建自干擾信號(hào)并從接收信號(hào)中直接減去重建的自干擾信號(hào)，數(shù)字域自干擾消除方法主要依靠對(duì)自干擾進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和重建后，從接收信號(hào)中減去重建的自干擾來(lái)消除殘留的自干擾。

3.3 頻分調(diào)度

根據(jù)上行分配結(jié)果確定下行分配的頻率資源。例如不使用諧波主瓣或互調(diào)信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻譜，降低諧波旁瓣對(duì)應(yīng)頻譜的使用頻次，正常使用非諧波或互調(diào)信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻譜。這種方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)有改造要求，并且可能會(huì)因避開(kāi)干擾頻譜造成網(wǎng)絡(luò)峰值速率有所降低。

3.4 時(shí)分調(diào)度

按上下行時(shí)隙配比進(jìn)行時(shí)分調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)給出上下行時(shí)隙配比，終端根據(jù)配比合理控制收發(fā)。例如：對(duì)于諧波干擾，當(dāng)LTE發(fā)時(shí)，NR側(cè)暫停接收；對(duì)于互調(diào)干擾，當(dāng)LTE與NR同時(shí)雙發(fā)的時(shí)候，LTE側(cè)暫停接收，或者不進(jìn)行同時(shí)雙發(fā)，上行只進(jìn)行單頻單發(fā)，即同一時(shí)間只選擇LTE發(fā)送或者NR發(fā)送。

4 運(yùn)營(yíng)商策略建議

目前工信部雖然對(duì)5G在中頻段內(nèi)的頻率范圍進(jìn)行了劃分，但未明確各運(yùn)營(yíng)商批準(zhǔn)商用的頻率使用范圍。根據(jù)理論計(jì)算可知，部分運(yùn)營(yíng)商原LTE網(wǎng)絡(luò)使用的頻段（如中國(guó)電信與中國(guó)聯(lián)通的LTE FDD的B3頻段）對(duì)應(yīng)的二次諧波均落入目前批準(zhǔn)使用的3.4 GHz—3.6 GHz頻段范圍內(nèi)。運(yùn)營(yíng)商根據(jù)目前頻段現(xiàn)狀，關(guān)于5G網(wǎng)絡(luò)部署可選擇采取以下應(yīng)對(duì)策略：（1）網(wǎng)絡(luò)直接采用SA架構(gòu)進(jìn)行部署，終端采用單射頻同一時(shí)間只連接LTE網(wǎng)絡(luò)或5G網(wǎng)絡(luò)的方案，從而規(guī)避雙連接帶來(lái)的自干擾問(wèn)題；（2）兩手準(zhǔn)備，即一方面避免被分配到容易造成諧波或互調(diào)干擾的5G頻段，另一方面對(duì)現(xiàn)有干擾消除方案進(jìn)行充分試驗(yàn)驗(yàn)證，平衡不同方案在代價(jià)與性能間的關(guān)系，并盡快對(duì)可行有效的方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)若按非獨(dú)立（NSA）架構(gòu)進(jìn)行部署，則要求終端支持雙連接技術(shù)進(jìn)行LTE與5G同時(shí)收發(fā)，根據(jù)LTE與5G頻段組合不同，上行雙發(fā)可能對(duì)下行接收產(chǎn)生互調(diào)干擾，射頻前端器件的非線性可能對(duì)下行接收產(chǎn)生諧波干擾，最終均造成終端接收端靈敏度下降。目前產(chǎn)業(yè)界解決該問(wèn)題的思路包括器件性能優(yōu)化、射頻指標(biāo)提升、頻分調(diào)度、上下行時(shí)分規(guī)避等，然而這些方案的可行性與有效性在產(chǎn)業(yè)界仍未形成共識(shí)，對(duì)其有待進(jìn)一步進(jìn)行研究和驗(yàn)證。