终端在5G频段下的自干扰问题探讨
何伟俊 戴国华 张婷 桂烜
【摘 要】
针对5G终端因引入双连接技术在新5G频段与LTE频段可能造成的自干扰问题，首先通过双连接技术的5G应用背景、主要干扰类型以及5G频段自干扰理论分析举例等三方面对终端自干扰问题原因展开讨论；然后，分析了业界目前关于此问题的主要解决方案，包括提升射频器件性能、增加干扰消除电路、频分调度以及时分调度等；最后，从运营商的角度提出了解决此问题的策略建议。
【关键词】5G；终端；频谱；自干扰；双连接
Discussion on Self-Interference of Terminal at 5G Frequency Band
HE Weijun1， DAI Guohua1， ZHANG Ting1， GUI Xuan2
[Abstract]
The introduction of dual connectivity into 5G terminals would cause self-interference at 5G and LTE frequency band. In view of this situation， the causes of self-interference at terminals are discussed firstly from three aspects of 5G application background， main interference types and self-interference theory analysis at 5G band. Then， the main solutions in the industry at present are elaborated including the enhancement of RF device performance， supplement of interference elimination circuit， frequency division scheduling and time-division scheduling. Finally， the strategic suggestions to deal with these problems are presented from aspects of operators.
[Key words]5G； terminal； spectrum； self-interference； dual connectivity
1 引言
2017年11月14日工信部发布了5G系统在3 000 MHz—5 000 MHz频段（中频段）内的频率使用规划，我国成为国际上率先发布5G系统在中频段内频率使用规划的国家。规划明确了3 300 MHz—3 400 MHz（原则上限室内使用）、3 400 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz频段作为5G系统的工作频段。此次工信部率先发布的5G系统频率使用规划，将对我国5G系统技术研发、试验和标准等制定以及产业链成熟起到重要的先导作用[1]。5G终端作为5G业务的关键元素，是未来5G产业的重要价值载体[2]，其软硬件技术要求（如基带芯片、射频、天线等）均受到5G频段的影响或限制。其中，原LTE频段与5G频段在终端侧并存时造成的自干扰问题是业界讨论的热点。
目前业界存在两种网络架构部署方式，即SA（Standalone，獨立）架构与NSA（Non-standalone，非独立）架构[3]。若5G网络按NSA架构部署，则要求终端支持双连接[4-5]技术，采用双射频同时连接4G与5G网络并进行双收双发，此时射频器件的非线性等因素容易导致终端存在自干扰问题，即上行可能对下行接收产生谐波与互调干扰，造成接收端灵敏度下降[2]。
文章从终端自干扰问题的根源出发，对终端在新5G频段与LTE频段可能造成的自干扰问题进行了详细分析，同时讨论了业界目前关于此问题的不同解决方案及其对终端与网络的要求，最后从运营商角度提出了相关策略建议。
2 终端自干扰问题分析
2.1 双连接技术5G应用背景
本质上，3GPP在R12标准版本中提出的DC（Dual Connectivity，双连接）技术与CA（Carrier Aggregation，载波聚合）技术均属LTE多连接技术。CA在MAC（Media Access Control，介质访问控制）层进行聚合，对同步要求较高。双连接技术为了规避MAC层调度过程中的时延和同步要求，数据在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）层进行分割和合并，然后将用户数据流通过多个基站同时传送给用户。双连接技术标准相对成熟，同时可帮助运营商更快速地在原LTE网络上部署5G网络，已成为5G下非独立组网实现互操作[6-7]方案的关键技术，5G不同组网架构下的互操作方案及对终端技术要求具体如表1所示。
从表1可看出，双连接作为非独立组网下实现互操作方案的关键技术，需终端在硬件上支持双通道射频同时连接LTE与5G NR网络。
2.2 终端双连接自干扰
根据3GPP在文献[4]和文献[8]对双连接的相关定义和描述，非独立组网下5G终端需同时连接LTE eNB与5G gNB，使用来自两个NB的无线资源，即要求终端支持LTE与5G同时收发，然而终端射频前端器件非线性可能产生谐波干扰信号，上行双发可能产生互调干扰信号，两者均有机会造成终端接收端灵敏度下降。
（1）谐波干扰
理想功率放大器（PA）将信号以一定的放大系数a对输入功率进行放大，实际PA在输入功率较低时能够保证线性地放大，而当输入功率较大时会进入非线性区，从而输出高阶变量，具体如图1所示：
终端在发送频段f0上发射信号，同时若接收频段为n×f0（n=2， 3， ...）时，接收机将受到谐波影响，导致接收机灵敏度下降，如图2（a）所示。而谐波对接收端造成的干扰途径分为两种：即PA输出PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）干扰和发射天线输出干扰。
（2）互调干扰
当两个或多个干扰信号同时加到接收机时，这两个干扰的组合频率可能会恰好等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机，这种干扰就称为互调干扰，如图2（b）所示。其中三阶互调最严重。例如二阶互调为f2-f1，三阶互调为2f2-f1、2f1-f2、……。
2.3 5G频段自干扰理论分析举例
结合国内某运营商现有LTE网络在B1、B3和B5频段上的频率使用范围和工信部目前规划的5G频段（包括n78中的3 400 MHz—3 600 MHz和n79中的4 800 MHz—5 000 MHz），对终端自干扰问题进行理论举例分析，计算方法参考文献[9]第六章节，终端下行接收端受干扰频段与发送端谐波干扰以及互调干扰频段具体如表2～表4所示。
从表4的干扰分析可看出，涉及的主要干扰包括：二次谐波干扰（B3上行对n78下行）；三阶互调干扰（B3与n78上行对B3下行、B5与n78上行对B5下行、B3与n79上行对B3下行、B5与n79上行对B5下行），四阶互调干扰（B3与n78上行对B3下行）。
3 5G终端双连接自干扰解决方案
目前业界关于谐波干扰问题的解决方案包括提升射频前端器件性能指标、增加干扰消除电路、上下行频分调度、上下行时分调度等。而对于互调干扰问题则讨论采用上下行频分调度或上下行时分调度方案来解决。然而关于问题导致的严重性以及现有解决方法的可行性与有效性有待进一步进行研究验证。
3.1 提升射频器件性能
（1）减小PA非线性
造成终端谐波干扰的根本原因在于器件的非线性，因此，提高器件的性能是减少终端谐波干扰的最根本的方法。通过研究器件非线性与相关性能指标的关系，优化相关性能指标，从而减少器件非线性。目前3GPP RAN4正在讨论5G终端在上述谐波干扰问题存在时，其性能指标和LTE相比是否能够有进一步优化的空间。
（2）PA后增加滤波器
在PA输出端增加谐波滤波器，对谐波进行抑制。此方法实现简单，成本较低，但通过增加滤波器仅能消除部分由发射天线输出的谐波干扰信号，对于PA输出PCB的谐波信号不能完全抑制，因此，可考虑将此方法与其余方法协同综合使用。
3.2 增加干扰消除电路
参考全双工自干扰消除方法[9-10]，如模拟域消除法与数字域消除法。模拟电路域自干扰消除通过模拟电路设计重建自干扰信号并从接收信号中直接减去重建的自干扰信号。数字域自干扰消除方法主要依靠对自干扰进行参数估计和重建后，从接收信号中减去重建的自干扰来消除残留的自干扰。
3.3 频分调度
根据上行分配结果确定下行分配的频率资源。例如不使用谐波主瓣或互调信号对应的频谱，降低谐波旁瓣对应频谱的使用频次，正常使用非谐波或互调信号对应的频谱。这种方法对网络有改造要求，并且可能会因避开干扰频谱造成网络峰值速率有所降低。
3.4 时分调度
按上下行时隙配比进行时分调度，网络给出上下行时隙配比，终端根据配比合理控制收发。例如：对于谐波干扰，当LTE发时，NR侧暂停接收；对于互调干扰，当LTE与NR同时双发的时候，LTE侧暂停接收，或者不进行同时双发，上行只进行单频单发，即同一时间只选择LTE发送或者NR发送。
4 运营商策略建议
目前工信部虽然对5G在中频段内的频率范围进行了划分，但未明确各运营商批准商用的频率使用范围。根据理论计算可知，部分运营商原LTE网络使用的频段（如中国电信与中国联通的LTE FDD的B3频段）对应的二次谐波均落入目前批准使用的3.4 GHz—3.6 GHz频段范围内。运营商根据目前频段现状，关于5G网络部署可选择采取以下应对策略：（1）网络直接采用SA架构进行部署，终端采用单射频同一时间只连接LTE网络或5G网络的方案，从而规避双连接带来的自干扰问题。（2）两手准备，即一方面避免被分配到容易造成谐波或互调干扰的5G频段，另一方面对现有干扰消除方案进行充分试验验证，平衡不同方案在代价与性能间的关系，并尽快对可行有效的方案进行标准化。
5 结束语
文章对5G终端因引入双连接技术在新5G频段与LTE频段可能造成的自干扰问题展开讨论，分析了问题的原因及业界的主流解决方案。
运营商5G网络若按非独立（NSA）架构进行部署，则要求终端支持双连接技术进行LTE與5G同时收发，根据LTE与5G频段组合不同，上行双发可能对下行接收产生互调干扰，射频前端器件的非线性可能对下行接收产生谐波干扰，最终均造成终端接收端灵敏度下降。目前产业界解决该问题的思路包括器件性能优化、射频指标提升、频分调度、上下行时分规避等，然而这些方案的可行性与有效性在产业界仍未形成共识，对其有待进一步进行研究和验证。
参考文献：
[1] 无线电管理局. 工业和信息化部发布5G系统在3000-5000MHz频段内的频率使用规划[EB/OL]. （2017-11-14）[2018-01-05]. http：//www.miit.gov.cn/n1146290/n4388791/c5906943/content.html.
[2] 何伟俊，戴国华，詹文浩，等. 运营商5G终端引入策略探讨[J]. 移动通信， 2014，38（24）： 35-39.
[3] 3GPP TR 23.799 Version 14.0.0. Study on Architecture for Next Generation System[S]. 2016.
[4] 3GPP TS 36.300 Version 14.3.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； Overall description[S]. 2017.
[5] 3GPP TS 36.423 Version 14.3.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E-UTRAN）； X2 application Protocol （X2AP）[S]. 2017.
[6] 赵子彬，戴国华，刘兆元. CDMA向LTE演进方式及对终端的影响分析研究[J]. 电信科学， 2011，27（1）： 95-104.
[7] 杨佳宜，李伟. C-L互操作及其部署方案研究[J]. 数字通信， 2014，41（6）： 65-70.
[8] 3GPP TR 38.801 Version 14.0.0. Study on New Radio Access Technology： Radio Access Architecture and Interfaces[S]. 2017.
[9] 3GPP TR 36.714-02-02 Version 14.0.0. LTE Advanced Inter-Band Carrier Aggregation （CA） Rel-14 for 2 Down Link （DL） / 2 Up Link （UL）[S]. 2017.
[10] 张平，陶运铮，张治. 5G若干关键技术评述[J]. 通信学报， 2006，37（7）： 15-29.
[11] 焦秉立，马猛. 同频同时全双工技术浅析[J]. 电信网技术， 2013（11）： 29-32.
【摘 要】
针对5G终端因引入双连接技术在新5G频段与LTE频段可能造成的自干扰问题，首先通过双连接技术的5G应用背景、主要干扰类型以及5G频段自干扰理论分析举例等三方面对终端自干扰问题原因展开讨论；然后，分析了业界目前关于此问题的主要解决方案，包括提升射频器件性能、增加干扰消除电路、频分调度以及时分调度等；最后，从运营商的角度提出了解决此问题的策略建议。
【关键词】5G；终端；频谱；自干扰；双连接
Discussion on Self-Interference of Terminal at 5G Frequency Band
HE Weijun1， DAI Guohua1， ZHANG Ting1， GUI Xuan2
[Abstract]
The introduction of dual connectivity into 5G terminals would cause self-interference at 5G and LTE frequency band. In view of this situation， the causes of self-interference at terminals are discussed firstly from three aspects of 5G application background， main interference types and self-interference theory analysis at 5G band. Then， the main solutions in the industry at present are elaborated including the enhancement of RF device performance， supplement of interference elimination circuit， frequency division scheduling and time-division scheduling. Finally， the strategic suggestions to deal with these problems are presented from aspects of operators.
[Key words]5G； terminal； spectrum； self-interference； dual connectivity
1 引言
2017年11月14日工信部发布了5G系统在3 000 MHz—5 000 MHz频段（中频段）内的频率使用规划，我国成为国际上率先发布5G系统在中频段内频率使用规划的国家。规划明确了3 300 MHz—3 400 MHz（原则上限室内使用）、3 400 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz频段作为5G系统的工作频段。此次工信部率先发布的5G系统频率使用规划，将对我国5G系统技术研发、试验和标准等制定以及产业链成熟起到重要的先导作用[1]。5G终端作为5G业务的关键元素，是未来5G产业的重要价值载体[2]，其软硬件技术要求（如基带芯片、射频、天线等）均受到5G频段的影响或限制。其中，原LTE频段与5G频段在终端侧并存时造成的自干扰问题是业界讨论的热点。
目前业界存在两种网络架构部署方式，即SA（Standalone，獨立）架构与NSA（Non-standalone，非独立）架构[3]。若5G网络按NSA架构部署，则要求终端支持双连接[4-5]技术，采用双射频同时连接4G与5G网络并进行双收双发，此时射频器件的非线性等因素容易导致终端存在自干扰问题，即上行可能对下行接收产生谐波与互调干扰，造成接收端灵敏度下降[2]。
文章从终端自干扰问题的根源出发，对终端在新5G频段与LTE频段可能造成的自干扰问题进行了详细分析，同时讨论了业界目前关于此问题的不同解决方案及其对终端与网络的要求，最后从运营商角度提出了相关策略建议。
2 终端自干扰问题分析
2.1 双连接技术5G应用背景
本质上，3GPP在R12标准版本中提出的DC（Dual Connectivity，双连接）技术与CA（Carrier Aggregation，载波聚合）技术均属LTE多连接技术。CA在MAC（Media Access Control，介质访问控制）层进行聚合，对同步要求较高。双连接技术为了规避MAC层调度过程中的时延和同步要求，数据在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）层进行分割和合并，然后将用户数据流通过多个基站同时传送给用户。双连接技术标准相对成熟，同时可帮助运营商更快速地在原LTE网络上部署5G网络，已成为5G下非独立组网实现互操作[6-7]方案的关键技术，5G不同组网架构下的互操作方案及对终端技术要求具体如表1所示。
从表1可看出，双连接作为非独立组网下实现互操作方案的关键技术，需终端在硬件上支持双通道射频同时连接LTE与5G NR网络。
2.2 终端双连接自干扰
根据3GPP在文献[4]和文献[8]对双连接的相关定义和描述，非独立组网下5G终端需同时连接LTE eNB与5G gNB，使用来自两个NB的无线资源，即要求终端支持LTE与5G同时收发，然而终端射频前端器件非线性可能产生谐波干扰信号，上行双发可能产生互调干扰信号，两者均有机会造成终端接收端灵敏度下降。
（1）谐波干扰
理想功率放大器（PA）将信号以一定的放大系数a对输入功率进行放大，实际PA在输入功率较低时能够保证线性地放大，而当输入功率较大时会进入非线性区，从而输出高阶变量，具体如图1所示：
终端在发送频段f0上发射信号，同时若接收频段为n×f0（n=2， 3， ...）时，接收机将受到谐波影响，导致接收机灵敏度下降，如图2（a）所示。而谐波对接收端造成的干扰途径分为两种：即PA输出PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）干扰和发射天线输出干扰。
（2）互调干扰
当两个或多个干扰信号同时加到接收机时，这两个干扰的组合频率可能会恰好等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机，这种干扰就称为互调干扰，如图2（b）所示。其中三阶互调最严重。例如二阶互调为f2-f1，三阶互调为2f2-f1、2f1-f2、……。
2.3 5G频段自干扰理论分析举例
结合国内某运营商现有LTE网络在B1、B3和B5频段上的频率使用范围和工信部目前规划的5G频段（包括n78中的3 400 MHz—3 600 MHz和n79中的4 800 MHz—5 000 MHz），对终端自干扰问题进行理论举例分析，计算方法参考文献[9]第六章节，终端下行接收端受干扰频段与发送端谐波干扰以及互调干扰频段具体如表2～表4所示。
从表4的干扰分析可看出，涉及的主要干扰包括：二次谐波干扰（B3上行对n78下行）；三阶互调干扰（B3与n78上行对B3下行、B5与n78上行对B5下行、B3与n79上行对B3下行、B5与n79上行对B5下行），四阶互调干扰（B3与n78上行对B3下行）。
3 5G终端双连接自干扰解决方案
目前业界关于谐波干扰问题的解决方案包括提升射频前端器件性能指标、增加干扰消除电路、上下行频分调度、上下行时分调度等。而对于互调干扰问题则讨论采用上下行频分调度或上下行时分调度方案来解决。然而关于问题导致的严重性以及现有解决方法的可行性与有效性有待进一步进行研究验证。
3.1 提升射频器件性能
（1）减小PA非线性
造成终端谐波干扰的根本原因在于器件的非线性，因此，提高器件的性能是减少终端谐波干扰的最根本的方法。通过研究器件非线性与相关性能指标的关系，优化相关性能指标，从而减少器件非线性。目前3GPP RAN4正在讨论5G终端在上述谐波干扰问题存在时，其性能指标和LTE相比是否能够有进一步优化的空间。
（2）PA后增加滤波器
在PA输出端增加谐波滤波器，对谐波进行抑制。此方法实现简单，成本较低，但通过增加滤波器仅能消除部分由发射天线输出的谐波干扰信号，对于PA输出PCB的谐波信号不能完全抑制，因此，可考虑将此方法与其余方法协同综合使用。
3.2 增加干扰消除电路
参考全双工自干扰消除方法[9-10]，如模拟域消除法与数字域消除法。模拟电路域自干扰消除通过模拟电路设计重建自干扰信号并从接收信号中直接减去重建的自干扰信号。数字域自干扰消除方法主要依靠对自干扰进行参数估计和重建后，从接收信号中减去重建的自干扰来消除残留的自干扰。
3.3 频分调度
根据上行分配结果确定下行分配的频率资源。例如不使用谐波主瓣或互调信号对应的频谱，降低谐波旁瓣对应频谱的使用频次，正常使用非谐波或互调信号对应的频谱。这种方法对网络有改造要求，并且可能会因避开干扰频谱造成网络峰值速率有所降低。
3.4 时分调度
按上下行时隙配比进行时分调度，网络给出上下行时隙配比，终端根据配比合理控制收发。例如：对于谐波干扰，当LTE发时，NR侧暂停接收；对于互调干扰，当LTE与NR同时双发的时候，LTE侧暂停接收，或者不进行同时双发，上行只进行单频单发，即同一时间只选择LTE发送或者NR发送。
4 运营商策略建议
目前工信部虽然对5G在中频段内的频率范围进行了划分，但未明确各运营商批准商用的频率使用范围。根据理论计算可知，部分运营商原LTE网络使用的频段（如中国电信与中国联通的LTE FDD的B3频段）对应的二次谐波均落入目前批准使用的3.4 GHz—3.6 GHz频段范围内。运营商根据目前频段现状，关于5G网络部署可选择采取以下应对策略：（1）网络直接采用SA架构进行部署，终端采用单射频同一时间只连接LTE网络或5G网络的方案，从而规避双连接带来的自干扰问题。（2）两手准备，即一方面避免被分配到容易造成谐波或互调干扰的5G频段，另一方面对现有干扰消除方案进行充分试验验证，平衡不同方案在代价与性能间的关系，并尽快对可行有效的方案进行标准化。
5 结束语
文章对5G终端因引入双连接技术在新5G频段与LTE频段可能造成的自干扰问题展开讨论，分析了问题的原因及业界的主流解决方案。
运营商5G网络若按非独立（NSA）架构进行部署，则要求终端支持双连接技术进行LTE與5G同时收发，根据LTE与5G频段组合不同，上行双发可能对下行接收产生互调干扰，射频前端器件的非线性可能对下行接收产生谐波干扰，最终均造成终端接收端灵敏度下降。目前产业界解决该问题的思路包括器件性能优化、射频指标提升、频分调度、上下行时分规避等，然而这些方案的可行性与有效性在产业界仍未形成共识，对其有待进一步进行研究和验证。
参考文献：
[1] 无线电管理局. 工业和信息化部发布5G系统在3000-5000MHz频段内的频率使用规划[EB/OL]. （2017-11-14）[2018-01-05]. http：//www.miit.gov.cn/n1146290/n4388791/c5906943/content.html.
[2] 何伟俊，戴国华，詹文浩，等. 运营商5G终端引入策略探讨[J]. 移动通信， 2014，38（24）： 35-39.
[3] 3GPP TR 23.799 Version 14.0.0. Study on Architecture for Next Generation System[S]. 2016.
[4] 3GPP TS 36.300 Version 14.3.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； Overall description[S]. 2017.
[5] 3GPP TS 36.423 Version 14.3.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E-UTRAN）； X2 application Protocol （X2AP）[S]. 2017.
[6] 赵子彬，戴国华，刘兆元. CDMA向LTE演进方式及对终端的影响分析研究[J]. 电信科学， 2011，27（1）： 95-104.
[7] 杨佳宜，李伟. C-L互操作及其部署方案研究[J]. 数字通信， 2014，41（6）： 65-70.
[8] 3GPP TR 38.801 Version 14.0.0. Study on New Radio Access Technology： Radio Access Architecture and Interfaces[S]. 2017.
[9] 3GPP TR 36.714-02-02 Version 14.0.0. LTE Advanced Inter-Band Carrier Aggregation （CA） Rel-14 for 2 Down Link （DL） / 2 Up Link （UL）[S]. 2017.
[10] 张平，陶运铮，张治. 5G若干关键技术评述[J]. 通信学报， 2006，37（7）： 15-29.
[11] 焦秉立，马猛. 同频同时全双工技术浅析[J]. 电信网技术， 2013（11）： 29-32.
