ДИНАМИЧЕСКОЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТНОГО СПЕКТРА DSS

В статье описаны принцип и преимущества технологии динамического перераспределения частотного спектра. Рассмотрены перспективы ее применения в сетях 5G. Особое внимание уделено вопросу синхронизации.
Технологии динамического перераспределения частотного спектра DSS (dynamic spectrum sharing) могут принести большую выгоду операторам мобильных сетей, открыв путь к сетям 5G без реорганизации спектра LTE или покупки спектра 5G. Применение технологии DSS возможно с помощью программного обновления на существующих базовых станциях. Суть концепции 5G зак лючается в обеспечении одной сети для поддержки разных сценариев, к которым относится расширенная мобильная широкополосная связь (enhanced mobile broadband, eMBB), массовые машинные коммуникации (massive machine-type communications, mMTC) и предоставление высоконадежного соединения с очень низкой задержкой передачи данных (ultra-reliable ultra-low latency communications, URLLC). В этих сценариях используются разные динамические диапазоны: низкие частоты для широкомасштабных сетей; средние частоты для расширения емкости сети; высокие частоты для обеспечения предельной емкости. Однако в большинстве сетей 5G используются только средние и высокие частоты, и сервисы 5G соперничают друг с другом за доступ в городской среде, а также за возможность работать внутри помещений без использования низких частот. Развертываемые в настоящее время сети 5G в первом частотном диапазоне (frequency range 1, FR1) работают в полосе 3,5 ГГц, хотя иногда частоты гораздо ниже – около 700 МГц. Некоторые операторы свернули старые сети и реорганизовали освободившиеся частоты под LTE, однако многие компании все еще обслуживают сети 2G и 3G для работы с устаревшей техникой, а также голосовые коммутируемые сети. В результате возникает нехватка спектра для развертывания 5G на этих частотах. Реорганизация спектра LTE под технологию радиодоступа для сетей подвижной связи 5-го поколения (new radio, 5G NR) не является целесообразной, поскольку большая часть потока данных в ближайшие годы пойдет по LTE. С этой точки зрения технология DSS является очень перспективной, т. к. она позволяет разворачивать сети 5G в существующих полосах 4G без реорганизации несущих и с минимальным влиянием на используемые в настоящее время сервисы. Технология DSS обеспечивает одновременную работ у сетей LTE и NR на одной несущей. При этом устройства LTE и NR имеют доступ к полной полосе пропускания. Ресурсы распределяются динамически между двумя передатчиками в соответствии с запросами и во временной, и в частотной области. Операторы связи могут подстроить запросы по трафику. Кроме того, технология DSS реализуется с помощью обновления программного обеспечения. Несмотря на усложнение процедуры планирования задач, перечисленные преимущества выгодно отличают технологию DSS от других (см. рис. 1).
Рисунок 1
Концепция динамического перераспределения частотного спектра, обеспечивающая совместную работу сетей LTE и NR
Реализация DSS
Обратная совместимость является фундаментальным свойством технологии DSS. Поскольку в настоящее время используется большое количество устройств LTE, желательно избежать в них изменений. Соответственно, устройства NR должны быть адаптированы для совместного использования спектра. При передаче LTE поднесущие разносят на интервалы 15 кГц, а в NR используются интервалы 15 или 30 кГц. Изначально в DSS также использовались интервалы 15 кГц. Сигналы NR ортогональны сигналам LTE при разнесении поднесущих на 15 кГц, поскольку используется одна и та же частотно-временная область. При интервалах 30 кГц этого не происходит, хотя сети по-прежнему используют одни и те же частотно-временные ресурсы с точки зрения сети. Оборудование пользователя декодирует комбинированную передачу по LTE и NR; при этом устаревшие устройства LTE декодируют сигнал LTE, а устройства NR – сигнал NR. устройство, поддерживающее оба стандарта, должно одновременно декодировать оба сигнала. При разнесении поднесущих на 30 кГц NR занимает в два раза больше частот, чем полоса пропускания, но в течение половины длительности во временной области. Из-за смешанных численных данных возникает интерференция, и ортогональность нарушается. Во избежание помех используются защитные интервалы в частотной области. Для разделения двух потоков во временной области применяется мультиплексирование по времени (см. рис. 2). На физическом уровне в DSS применяются два подхода: согласование скоростей; одночастотные сети многоадресной широковещательной передачи (multicast broadcast single frequency network, MBSFN). Согласование скоростей подразумевает использование ресурсных элементов, которые передают постоянно включенный сигнал LTE. Это распространенный подход для передачи NR с разнесением несущих на 15 кГц. Подкадры MBSFN часто применяются при передаче синхроблоков в сетях NR, а также для передачи данных в сетях NR с разнесением поднесущих на 30 кГц. Они могут использоваться и для других целей, например для передачи периодических сигналов. Согласование скоростей используется в NR на физическом уровне для передачи по общему каналу в нисходящем направлении (PDSCH) по образцу, определенному в стандартах 3GPP (см. табл.). При этом опорный демодулирующий сигнал (DMRS) не согласован по скорости. Оборудование пользователя имеет информацию о том, в каких ресурсных элементах содержится опорный сигнал ячейки сети LTE (cell-specific reference signal, CRS), и оно игнорирует эти элементы при декодировании NR PDSCH. Несущие частоты и информация о полосе пропускания могут сосуществовать в LTE-канале. Конфигурационный подкадр LTE и MBSFN содержит информацию о подкадрах LTE, настроенных как MBSFN. Это влияет на набор символов OFDM, в которых передается опорный сигнал CRS. Количество антенных входов LTE CRS также влияет на количество символов OFDM, которые содержат CRS, и ресурсные элементы в частотной области. Параметр v-Shift обеспечивает точное расположение сигнала LTE CRS в частотной области. Шаблон согласования скоростей в 5G Release 15 предусматривает сети LTE с одной несущей, и перераспределение частотного спектра DSS может выполняться только в рамках одной несущей, что ограничивает полосу NR 20 МГц. При согласовании сигнала синхронизации и физического канала вещания (synchronization signal/physical broadcast channel, SS/PBCH) интервал разнесения поднесущих зависит от рабочей полосы NR. На частотах FR1, в основном, используются интервалы 15 кГц, но из-за коллизий не представляется возможным задействовать обычные подкадры LTE – приходится применять MBSFN. В подкадре MBSFN умещается до двух сигналов синхронизации SSB, потому что в нем не осуществляется передача CRS. Однако не все сигналы синхронизации можно разместить в рамках одного подкадра MBSFN, поскольку расположение SSB фиксировано по времени. Таким образом, для передачи DSS имеют значение не только согласование скоростей, но и подкадры MBSFN. Один подход используется для передачи данных, другой – для передачи синхронизирующего сигнала SSB (см. рис. 3). Что касается управляющего физического канала передачи в нисходящем направлении в NR (physical downlink control channel, PDCCH), то в нем недопустимы коллизии между опорным сигналом LTE и управляющими каналами. Символ 2 представляет собой первый символ, который можно использовать для передачи NR PDCCH из-за наличия управляющего домена LTE и в подкадре LTE, и в подкадре MBSFN. Однако сети 5G позволяют передавать PDCCH в любом символе, который не накладывается на LTE CRS. В восходящем направлении для DSS проводится смещение половины поднесущей, т. е. для LTE это значение составляет 7,5 кГц, поскольку необходимо избежать поднесущей нулевой частоты (DC subcarrier). Однако в NR по-прежнему используется эта поднесущая для передачи в восходящем направлении, т. к. не все оборудование NR поддерживает смещение несущей. Это нарушение ортогональности LTE и NR исправлено в новой версии NR (см. рис. 4).
Таблица: Формат передачи информации согласно требованиям 3GPP TS 38.214 и TS 38.331
Рисунок 2
Рисунок 3
Рисунок 4
Использование защитного интервала или временного мультиплексирования для предотвращения интерференции в системах DSS 5G NR с разнесением поднесущих на 30 кГц
Подкадр MBSFN для передачи сигнала синхронизации DSS
Новая версия NR подразумевает смещение на 7,5 кГц при передаче в восходящем направлении
Синхронизация и ошибки DSS
Одним из ключевых аспектов при измерении параметров DSS является синхронизация в системах 4G и 5G. Они должны работать синхронно и в частотной, и во временной области, иначе блоки рассогласуются. Во-вторых, необходима высокая скорость координации между планировщиками пакетов LTE и NR для динамического перераспределения ресурсов. Следует избегать использования одних и тех же ресурсов, чтобы не произошло ошибки при дешифрации в оборудовании пользователя. Заметим, что DSS добавляет альтернативные точки опорного демодулирующего сигнала DMRS при передаче в нисходящем канале (DSCH): DMRS переносится с символа 11 на символ 12, чтобы избежать коллизий с последовательностью LTE CRS, которая содержится в символе 11. Во избежание ошибок терминал пользователя должен оповестить сеть, что он поддерживает использование символа 12 для DMRS. С точки зрения проведения измерений синхронизация между системами LTE и NR является основополагающим фактором. Выборка сигналов и измерения в лабораторных условиях должны осуществляться строго в одни и те же моменты времени. Далее проводятся испытания в реальных условиях. При испытаниях передатчика DSS следует удостовериться, что сигналы LTE и NR можно отделить от объединенного сигнала. Важно также проверить работоспособность существующих устройств LTE. Наконец, необходимо удостовериться, что передача SS/PBCH в подкадрах MBSFN проводится успешно и согласование скоростей в NR PDSCH выполнено корректно. Проверка величины вектора ошибки (error vector magnitude, EVM) и циклическая проверка избыточности (cyclic redundancy check, CRC) позволяют судить о качестве физического уровня передачи.
Особенности DSS 3GPP release 16
Хотя использование динамического перераспределения частотного спек- тра DSS предполагает некоторые сложности, оно обеспечивает серьезные преимущества в использовании имеющегося спектра. Обратная совместимость с существующими устройствами LTE гарантирует, что пользователи LTE не столкнутся с ухудшением качества предоставления услуг. Стандарты 3GPP продолжают развиваться. В Release 16 будет оптимизировано использование ресурсов для DSS. Длина NR PDSCH Type B увеличится с 7 до 9 или 10 символов, шаблоны DMRS предотвратят коллизии с символами, содержащими LTE-CRS. Принципы согласования скоростей LTE-CRS будут применимы к нескольким несущим LTE, что позволит проводить широкополосную передачу 5G NR с наложением на несущие LTE. Это сделает принцип динамического перераспределения частотного спектра еще более перспективным.