第17章　LTE/NR互通和共存

新一代移动通信技术的初始部署通常发生在交通密度高、对新服务能力要求高的地区。 然后是逐渐的进一步扩建，根据运营商的策略，扩建的速度或快或慢。 在随后的逐步部署过程中，新技术和传统技术的混合将提供对运营商网络的无处不在的覆盖，设备不断地进出新技术覆盖的区域。 因此，至少自第一个 3G 网络推出以来，新旧技术之间的无缝切换一直是一项关键要求。 此外，即使在已部署新技术的地区，较早的几代设备通常也必须保留并并行运行相对较长的时间，以确保为不支持新技术的遗留设备提供持续服务。 大多数用户将在几年内迁移到支持最新技术的新设备。 然而，有限数量的遗留设备可能会保留很长时间。 随着越来越多的移动设备不再由人直接使用，而是成为其他设备（例如停车计时器、读卡器、监控摄像头等）的集成部分，情况更是如此。此类设备的使用寿命可能为 超过 10 年，预计在此生命周期内保持连接状态。 这其实也是很多第二代GSM网络在后来3G和4G网络都已经部署的情况下还在运行的一个重要原因。 然而，NR 和 LTE 之间的互通不仅仅是实现两种技术之间的平滑切换并允许它们并行部署。

• NR 允许与LTE 进行双重连接，这意味着设备可以同时连接到LTE 和NR。 正如在第 5 章中已经提到的，NR 的第一个版本实际上依赖于这种双连接，LTE 提供控制平面，NR 仅提供额外的用户平面容量；
• NR 可以部署在与LTE 相同的频谱中，这样可以在两种技术之间动态共享总频谱容量。 这种频谱共存允许在 LTE 已经占用的频谱中更顺利地引入 NR。

17.1　LTE/NR双连接

LTE/NR 双连接的基本原理与 LTE 双连接 [28] 相同，另请参见图 17.1:

• 一个设备同时连接到无线电接入网络中的多个节点（LTE 中的 eNB，gNB 中的 NR 的情况）；
• 有一个主节点（一般情况下是eNB 或gNB）负责无线接入控制平面。 换句话说，在网络侧，信令无线电承载终止于主节点，主节点随后也处理设备的所有基于 RRC 的配置；
• 有一个或一般情况下有多个辅助节点（eNB 或gNB）为设备提供额外的用户平面链路。

17.1.1　部署场景

在 LTE 双连接的情况下，设备同时连接到的多个节点通常在地理上是分开的。 例如，该设备可以同时连接到小型蜂窝层和覆盖的宏层。 同样的场景，即同时连接到小蜂窝层和重叠的宏层，也是 LTE/NR 双连接的高度相关场景。 特别是，更高频段的 NR 可以部署为基于 LTE 的现有宏层下的小蜂窝层（见图 17.2）。

然后，LTE 宏层将提供主节点，确保即使暂时失去与高频小型蜂窝层的连接，也能保留控制平面。 在这种情况下，NR 层提供非常高的容量和非常高的数据速率，而与较低频率的基于 LTE 的宏层的双连接性为固有的鲁棒性较差的高频小型蜂窝层提供了额外的鲁棒性。 请注意，这与上述 LTE 双连接场景本质上是相同的场景，除了在小型蜂窝层中使用 NR 而不是 LTE。 然而，LTE/NR 双连接在 LTE 和 NR 网络节点共址的情况下也是相关的（图 17.3）。

例如，对于初始 NR 部署，运营商可能希望重用已部署的 LTE 站点网格 NR 也可以避免部署额外站点的成本。 在这种情况下，双连接通过允许聚合 NR 和 LTE 载波的吞吐量来实现更高的最终用户数据速率。 在单一无线接入技术的情况下，从同一节点传输的载波之间的这种聚合将通过载波聚合更有效地实现（见第 7.6 节）。 然而，NR 不支持与 LTE 的载波聚合，因此需要双连接来支持 LTE 和 NR 吞吐量的聚合。 当 NR 在较低频谱（即与 LTE 相同或相似的频谱）中运行时，共址部署尤为重要。 然而，当两种技术在非常不同的频谱中运行时，也可以使用共址部署，包括 NR 在毫米波段中运行的情况（图 17.4）。

在这种情况下，NR 可能无法覆盖整个小区区域。 然而，网络的 NR 部分仍然可以捕获大部分流量，从而允许 LTE 部分专注于为覆盖范围较差的位置的设备提供服务。 在图 17.4 的场景中，与 LTE 相比，NR 载波通常具有更宽的带宽。 因此，只要有覆盖，NR 载波在大多数情况下就会提供比 LTE 高得多的数据速率，从而使吞吐量聚合变得不那么重要。 相反，在这种情况下，双连接的主要好处将再次增强高频部署的稳健性。

17.1.2　架构选项

由于存在两种不同的无线电接入技术（LTE 和 NR），以及未来可以使用新的 5G 核心网络来替代传统 4G 核心网络 (EPC)，因此有多种不同的替代方案或选项， 对于 LTE/NR 双连接架构（见图 17.5）。

图 17.5 中不同选项的标记源自早期 3GPP 对可能的 NR 架构选项的讨论，其中有许多不同的备选方案，最终同意支持其中的一个子集（参见第 6 章，了解一些额外的、非 - 双连接，选项）。 可以注意到，使用 EPC 和 NR 提供主节点的 LTE/NR 双连接不包括在图 17.5 中概述的选项中。 在撰写本书时，对该替代方案的可能支持仍在讨论中。

17.1.3　单发工作

在 LTE 和 NR 之间的双连接情况下，将有多个上行链路载波（至少一个 LTE 上行链路载波和一个 NR 上行链路载波）从同一设备传输。 由于 RF 电路中的非线性，两个载波上的同时传输将在发射机输出端产生互调产物。 根据传输信号的特定载波频率，这些互调产物中的一些最终可能会进入设备接收器频带内，从而导致“自干扰”，也称为互调失真 (IMD)。 IMD 会增加接收器噪声并导致接收器灵敏度下降。 通过对设备施加更严格的线性度要求，可以减少 IMD 的影响。 然而，这将对设备成本和能耗产生相应的负面影响。 为了在不对所有设备施加非常严格的 RF 要求的情况下减少 IMD 的影响，NR 允许为“困难的频段组合”提供单 TX 双连接。 在这种情况下，困难的频带组合对应于LTE和NR频带的具体识别的组合，同时传输的LTE和NR上行链路载波之间的低阶互调产物可能落入相应的下行链路频带。 单 TX 操作意味着即使设备在 LTE/NR 双连接中运行，也不会在设备内的 LTE 和 NR 上行链路载波上同时传输。 在单 TX 操作的情况下，LTE 和 NR 调度器的任务是共同防止 LTE 和 NR 上行链路载波同时传输。 这需要调度器之间的协调，即 eNB 和 gNB 之间的协调。 为此，3GPP 规范包括对标准化节点间消息交换的明确支持。 单一 TX 操作固有地导致设备内 LTE 和 NR 上行链路传输之间的时间复用，没有任何上行链路是连续可用的。 然而，仍然希望能够保持相应下行链路载波的充分利用。 对于 NR，凭借其高度的调度和混合 ARQ 灵活性，这可以很容易地实现，而不会对 NR 规范产生额外影响。 对于连接的 LTE 部分，情况有所不同。 LTE FDD 基于同步 HARQ，其中上行链路 HARQ 反馈将在接收到相应的下行链路传输后指定数量的子帧进行传输。 在单 TX 约束下，并非所有上行链路子帧都可用于传输 HARQ 反馈，这可能会限制可以进行下行链路传输的子帧。 然而，同样的情况可能已经发生在 LTE 本身，更具体地说，在 FDD/TDD 载波聚合的情况下，TDD 载波是主小区 [28]。 在这种情况下，固有地不能连续地用于上行链路传输的TDD载波承载对应于FDD载波上的下行链路传输的上行链路HARQ反馈。 为了处理这种情况，LTE 第 13 版引入了所谓的 DL/UL 参考配置 [28]，允许 FDD 载波具有类似 TDD 的时序关系，例如用于上行链路反馈。 在 LTE/NR 双连接受单 TX 操作限制的情况下，相同的功能可用于支持连续的 LTE 下行链路传输。 在 LTE FDD/TDD 载波聚合场景中，上行链路约束是由于小区级下行链路/上行链路配置。 另一方面，在单 TX 双连接的情况下，限制是由于需要避免在 LTE 和 NR 上行链路载波上同时传输，但不同设备之间没有任何紧密的相互依赖性。 不可用上行链路子帧的集合因此可能不需要对于不同设备是相同的。 为了在 LTE 上行链路上实现更均匀的负载，因此可以在每个设备的基础上及时移动单 TX 操作情况下的 DL/UL 参考配置。

17.2　LTE/NR共存

前几代移动通信的引入总是与可以部署新技术的新频谱的引入相关联。 NR 也是如此，支持在毫米波频段运行，为使用以前从未应用于移动通信的频谱范围开辟了道路。 即使考虑到使用具有大量天线元件的天线配置能够实现广泛的波束形成，在这种高频频谱中的操作在覆盖范围方面本身也是不利的。 相反，要提供真正广域的 NR 覆盖，必须使用较低的频谱。 然而，大多数低频频谱已经被当前技术所占用，主要是 LTE。 此外，计划在不久的将来与 LTE 一起部署额外的低频频谱。 因此，在许多情况下，低频频谱中的 NR 部署需要在 LTE 已经使用的频谱中进行。 在 LTE 已经使用的频谱中部署 NR 的最直接方法是静态频域共享，其中部分 LTE 频谱迁移到 NR（见图 17.6）。

但是这种方法有两个缺点。 至少在初始阶段，大部分流量仍将通过 LTE。 同时，静态频域共享减少了LTE可用的频谱，更难满足流量需求。 此外，静态频域共享将导致每种技术可用的带宽减少，从而导致每个载波的峰值数据速率降低。 LTE/NR 双连接的可能使用可以补偿能够进行此类操作的新设备的这一点。 然而，至少对于传统 LTE 设备而言，这将对可实现的数据速率产生直接影响。 更有吸引力的解决方案是让 NR 和 LTE 动态共享相同的频谱，如图 17.7 所示。

这种频谱共存将为每种技术保留全带宽和相应的峰值数据速率。 此外，可以动态分配总频谱容量，以匹配每种技术的流量条件。 实现这种 LTE/NR 频谱共存的基本工具是 LTE 和 NR 的动态调度。 然而，还有其他几个 NR 功能在对 LTE/NR 频谱共存的整体支持中发挥作用：

• LTE 兼容的 15 kHz NR 参数集的可用性允许 LTE 和 NR 在公共时间/频率网格上运行 ;
• 第5.1.3 节中列出的一般NR 前向兼容性设计原则。 这也包括定义基于位图的保留资源的可能性，如第 9.10 节所述；
• NR PDSCH 映射的可能性，以避免对应于LTE 小区特定参考信号的资源元素（参见下面的进一步细节）。
  

如第 5.1.11 节所述，LTE/NR 共存有两种主要场景（另请参见图 17.8）：

• 下行链路和上行链路共存；
• 仅上行链路共存。 仅上行链路共存的典型用例是部署补充上行链路载波（参见第 7.7 节）。 通常，与下行链路方向相比，上行链路方向的共存更直接，并且可以在很大程度上通过调度协调/约束来支持。 NR 和 LTE 上行链路调度应该协调以避免 LTE 和 NR PUSCH 传输之间的冲突。 此外，应限制 NR 调度器避免用于 LTE 上行链路层 1 控制信令 (PUCCH) 的资源，反之亦然。 根据 eNB 和 gNB 之间的交互级别，此类协调和约束可能或多或少是动态的。 同样对于下行链路，应该使用调度协调来避免调度的 LTE 和 NR 传输之间的冲突。 然而，LTE 下行链路还包括几个无法轻松安排的非安排“始终在线”信号。这包括（详见[28]）： • LTE PSS 和SSS，每五个子帧在频域中通过两个OFDM 符号和六个资源块传输一次； • LTE PBCH，每帧（10 个子帧）在频域中通过四个OFDM 符号和六个资源块传输一次； • LTE CRS，根据 CRS 天线端口的数量，在频域和每个子帧中以四个或六个符号定期传输。2 不是通过调度、概念或预留资源来避免（参见第 9.10 节） ) 可用于对这些信号周围的 NR PDSCH 进行速率匹配。 LTE PSS/SSS 周围的速率匹配可以通过根据第 9.10 节中描述的位图定义保留资源来完成。
  

更具体地说，由 {bitmap-1, bitmap-2, bitmap-3} 三元组给出的单个保留资源可以定义如下（另请参见图 17.9）：

• 长度等于 NR 数量的 bitmap-1 频域资源块，表示传输LTE PSS和SSS的六个资源块；
• 位图-2，长度为14（一个时隙），指示在LTE 子帧内传输PSS 和SSS 的两个OFDM 符号；
• 长度为10 的位图3，指示在10 ms 帧内传输PSS 和SSS 的两个子帧。

这假定 15 kHz NR 参数集。 请注意，基于位图的预留资源的使用不限于 15 kHz 参数集，并且原则上，围绕 LTE PSS 和 SSS 进行速率匹配的类似方法也可以用于例如 30 kHz NR 参数集。 相同的方法可用于围绕 LTE PBCH 进行速率匹配，唯一的区别是 bitmap-2 在这种情况下指示传输 PBCH 的四个符号，而 bitmap-3 指示单个子帧。 关于 LTE CRS，NR 规范明确支持围绕与重叠 LTE 载波的 CRS 相对应的资源元素进行 PDSCH 速率匹配。 为了能够正确接收此类速率匹配的 PDSCH，设备配置了以下信息：

• LTE 载波带宽和频域位置，以允许 LTE/NR 共存，即使 LTE 载波可能具有不同的 与 NR 载波相比，带宽和不同的中心载波位置；
• LTE MBSFN 子帧配置，因为这将影响给定LTE 子帧内发生CRS 传输的OFDM 符号集；
• LTE CRS 天线端口的数量，因为这将影响发生CRS 传输的OFDM 符号集以及频域中每个资源块的CRS 资源元素数量；
• LTE CRS偏移，即LTE CRS的准确频域位置。

围绕 LTE CRS 的速率匹配仅适用于 15 kHz NR 参数集。