基于4.9GHz頻段的5G專網(wǎng)性能及應(yīng)用策略探討

【摘要】? ? 本文通過基于4.9G頻段的特性和網(wǎng)絡(luò)能力，重點(diǎn)對(duì)時(shí)延、容量、干擾三個(gè)方面進(jìn)行分析，同時(shí)以中國(guó)移動(dòng)公網(wǎng)2.6G頻段為例，進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)合5G不同的行業(yè)專網(wǎng)對(duì)4.9G能力的需求，得出4.9G頻段在5G行業(yè)專網(wǎng)的可提供的各項(xiàng)能力，同時(shí)對(duì)4.9G頻率在不同時(shí)隙下的交叉干擾進(jìn)行了深入分析，最后給出了基于4.9G頻率的5G專網(wǎng)應(yīng)用和未來展望。

【關(guān)鍵詞】? ? 4.9G? ? 2.6G? ? 幀配置? ? 超級(jí)上行? ? URLLC? ? 專網(wǎng)? ? 交叉時(shí)隙

一、概述

隨著國(guó)內(nèi)5G垂直行業(yè)的蓬勃發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)專網(wǎng)對(duì)專有頻率和基站的需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性和網(wǎng)絡(luò)性能的要求也越來越高，中國(guó)移動(dòng)2.6GHz的公網(wǎng)頻率資源在某些行業(yè)和場(chǎng)景中已經(jīng)不能滿足行業(yè)用戶的需求，而中國(guó)移動(dòng)4.9GHz的頻率資源就越發(fā)凸顯其價(jià)值所在，本文通過對(duì)4.9GHz頻率適用的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行逐一分析，得出了中國(guó)移動(dòng)4.9GHz頻段資源的發(fā)展方向，以及目前存在的客觀問題。

二、4.9G頻率特性分析

2.1覆蓋能力

本文以2.6G與4.9G室外覆蓋能力進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)3GPP發(fā)布的38.901協(xié)議，其中定義的室外非視距下的UMa NLOS傳播模型如下：

其中，f單位是GHz，d單位是m，發(fā)射功率按照200W@100MHz取定，2.6GHz與4.9GHz路損計(jì)算對(duì)比見下表所示：

由上表可得，室外相同距離下，4.9GHz比2.6GHz路損平均大約6dB左右。

同時(shí)，結(jié)合外場(chǎng)某廠家對(duì)2.6G與4.9G 進(jìn)行室外單站拉遠(yuǎn)測(cè)試，測(cè)試對(duì)比結(jié)果見圖1所示。

由圖1分析可知，在NLOS環(huán)境下，相同位置處，4.9G比2.6G覆蓋差8.7dB，LOS環(huán)境下，相同位置處，4.9G比2.6G覆蓋差5.5dB，總體基本符合上述理論計(jì)算結(jié)果。

2.2容量性能

相比2.6G系統(tǒng)，由于4.9G頻段不受公網(wǎng)影響，幀結(jié)構(gòu)可靈活調(diào)整上下行時(shí)隙配比，4.9G頻段目前有3種時(shí)隙結(jié)構(gòu)配比，分別為5ms時(shí)隙，2.5ms單周期，雙周期，及1ms周期。

由于可進(jìn)行靈活調(diào)整上下行時(shí)隙配比，4.9GHz頻段天然存在對(duì)比2.6GHz系統(tǒng)的大上行帶寬特性，當(dāng)配置為上多下少的幀結(jié)構(gòu)配置時(shí)，其上行相當(dāng)于2.6GHz的200%到300%的吞吐率，下行為2.6GHz的45%～65%。其中，上多下少配置為2.5ms單周期配置，1D：3U的典型配置，另外還有1ms周期為1D：1U的配置。

根據(jù)相關(guān)協(xié)議配置和系統(tǒng)信令開銷，分別對(duì)2.6GHz和4.9GHz的不同幀結(jié)構(gòu)配置下進(jìn)行理論速率計(jì)算，結(jié)果見下表所示：

由上表可見，在1D3U配比下，SA組網(wǎng)架構(gòu)下的單用戶最高上行速率可達(dá)783Mbps，為普通2.6GHz公網(wǎng)單用戶峰值速率的3倍。根據(jù)外場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，也印證了該理論速率，在網(wǎng)絡(luò)空載下，RSRP為-67dbm，SINR為28dB的情況下，單用戶峰值速率達(dá)到了755Mbps，基本接近了理論峰值速率。

4.9GHz在2.5ms的單周期配置下，可靈活提供不同的網(wǎng)絡(luò)能力，有效提升上行和下行速率，而在1ms單周期的幀結(jié)構(gòu)配置下，能夠有效縮短空口時(shí)延。因此，在不同的場(chǎng)景下，系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求不同，可靈活對(duì)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，以適應(yīng)業(yè)務(wù)的不同需求，提供優(yōu)質(zhì)的客戶體驗(yàn)。另外， 為充分發(fā)揮系統(tǒng)的速率優(yōu)勢(shì)，終端或者模組需支持2T4R，并針對(duì)4.9GHz的高上行的占空比業(yè)務(wù)，對(duì)上行業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，要求終端模組支持4天線的SRS輪發(fā)，最大程度獲得多天線的MIMO效果。

小區(qū)吞吐量與單用戶相比，由于單小區(qū)可支持更多流數(shù)的多用戶MU-MIMO，單小區(qū)下行16流，上行8流，在SA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，UE為2T4R，因此，單小區(qū)峰值吞吐量約為單用戶的峰值吞吐量的4倍，即小區(qū)在理想情況下，可對(duì)4個(gè)用戶進(jìn)行滿調(diào)度工作，在2.5ms單周期，3U1D的幀配置下，小區(qū)上行理論峰值吞吐量為783Mbps*4=3020Mbps。

2.3業(yè)務(wù)時(shí)延

由于4.9GHz主要采用了2.5ms周期的幀結(jié)構(gòu)配置，為降低時(shí)延，基站側(cè)開啟預(yù)調(diào)度功能，時(shí)延可進(jìn)一步降低。在網(wǎng)絡(luò)空載時(shí)，4.9GHz的空口平均時(shí)延為4-7ms，在時(shí)延方面明顯優(yōu)于2.6GHz的5ms周期。

上行預(yù)調(diào)度是上行調(diào)度的增強(qiáng)調(diào)度，在上行預(yù)調(diào)度期間，eNB給UE發(fā)送上行調(diào)度指示，預(yù)調(diào)度節(jié)省了SR上發(fā)到UL Grant下發(fā)的時(shí)間，最大可節(jié)省8ms。系統(tǒng)在做業(yè)務(wù)時(shí)預(yù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)最低，不會(huì)影響正常的上行調(diào)度資源，對(duì)資源沒有浪費(fèi);只有在上行比較空閑的時(shí)候才會(huì)觸發(fā)預(yù)調(diào)度，對(duì)空閑資源進(jìn)行預(yù)調(diào)度以獲取更好時(shí)延。

在不使用預(yù)調(diào)度場(chǎng)景：如果需要發(fā)送ACK，UE需要發(fā)送SR請(qǐng)求上行調(diào)度UL Grant，從發(fā)送SR到接收到UL Grant的時(shí)間大概需要7-8ms。

使用預(yù)調(diào)度場(chǎng)景：在每次預(yù)調(diào)度周期（默認(rèn)為5ms）都會(huì)下發(fā)上行調(diào)度UL Grant，因此可以加速ACK的反饋，從而提升下行吞吐率。因此，當(dāng)開啟基站預(yù)調(diào)度后，時(shí)延較2.6GHz縮短1.2～1.8ms，當(dāng)關(guān)閉預(yù)調(diào)度后，由于SRS的反饋機(jī)制，空口時(shí)延平均比2.6GHz縮短3.6～5.3ms。

如采用1ms短幀周期時(shí)，4.9GHz的平均時(shí)延還可進(jìn)一步降低，其平均時(shí)延為4.2～6ms，接近FDD隨到隨傳的時(shí)延效果。

根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)地測(cè)試結(jié)果分析，不同幀結(jié)構(gòu)下整體上預(yù)調(diào)度的引入會(huì)降低58%的時(shí)延，見下表所示：

三、4.9GHz頻率的應(yīng)用策略

3.1容量需求類補(bǔ)熱場(chǎng)景

在目前5G發(fā)展初期，2.6GHz主要作為網(wǎng)絡(luò)覆蓋層進(jìn)行規(guī)模連續(xù)覆蓋，在有業(yè)務(wù)需求的熱點(diǎn)區(qū)域，4.9GHz作為容量補(bǔ)充進(jìn)行局部區(qū)域的補(bǔ)熱覆蓋。

由于2.6GHz頻段較低，覆蓋性能較好，在5G初期作為網(wǎng)絡(luò)覆蓋基本層面進(jìn)行大面積連續(xù)覆蓋，為公眾提供一般eMBB業(yè)務(wù)。4.9GHz頻段作為容量補(bǔ)充，有利于提升系統(tǒng)容量，在有業(yè)務(wù)需求的場(chǎng)景下，4.9GHz可部署于室內(nèi)高熱點(diǎn)區(qū)域，由于該頻段可進(jìn)行靈活的上下行時(shí)隙配比調(diào)制，根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行匹配相應(yīng)的幀配置，以提供更大的系統(tǒng)上/下行容量。

因此，在5G公網(wǎng)和專網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展初期，視業(yè)務(wù)需求和場(chǎng)景類型，靈活對(duì)4.9GHz和2.6GHz的網(wǎng)絡(luò)部署進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃，充分釋放兩段頻譜資源的網(wǎng)絡(luò)能力。

3.2補(bǔ)盲類場(chǎng)景

由于4.9GHz頻段的覆蓋能力，相比2.6GHz存在較大短板，不適合作為廣覆蓋頻段，在室外場(chǎng)景下，根據(jù)前文所述，其空間傳播損耗比2.6GHz高5.5～8.7dB，在室內(nèi)場(chǎng)景，穿透一般的墻體，4.9GHz比2.6GHz高約6dB。但也正因?yàn)?.9GHz的高穿損，以及其頻段的獨(dú)立性，非常適合在2.6GHz弱覆蓋的局部室內(nèi)外區(qū)域，進(jìn)行小范圍的補(bǔ)盲覆蓋，在提供精準(zhǔn)覆蓋的前提下，還帶來系統(tǒng)隔離增益和容量增益，一定程度上可降低系統(tǒng)工程造價(jià)，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

3.3上行大帶寬場(chǎng)景

根據(jù)現(xiàn)有行業(yè)用戶對(duì)業(yè)務(wù)的需求，高清視頻監(jiān)控，AR/VR/8K等高清娛樂業(yè)務(wù)，對(duì)上行速率有極大的要求，目前主流分辨率對(duì)空口速率需求見下表所示：

由上表可看出，8K級(jí)視頻流單終端最低需100Mbps的上行帶寬需求，4K需30～50Mbps，且通常多為多終端并發(fā)業(yè)務(wù)，對(duì)小區(qū)容量提出極大要求;在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景下，智慧工廠的生產(chǎn)線零部件的視覺檢測(cè)，通常采用7～8臺(tái)8K級(jí)高清攝像頭實(shí)時(shí)回傳視頻數(shù)據(jù)，上行帶寬并發(fā)速率需求最大將近1Gbps，而目前現(xiàn)網(wǎng)2.6GHz由于需與4G幀結(jié)構(gòu)上下行時(shí)隙對(duì)齊，只能采用5ms雙周期，7D2U的幀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致上行最大速率僅為250Mbps，單小區(qū)容量小，無法提供更大的小區(qū)容量，因此，在這樣的大上行場(chǎng)景下，4.9GHz的2.5ms單周期，3U1D的配置是最契合高上行速率需求業(yè)務(wù)，小區(qū)最大可提供1.2Gbps的上行容量（見表2）。

3.4行業(yè)專網(wǎng)應(yīng)用分析

在垂直行業(yè)應(yīng)用中，特殊行業(yè)對(duì)頻率隔離度和系統(tǒng)的性能要求較高，使用2.6GHz的切片服務(wù)難以滿足業(yè)務(wù)需求，包括安全性要求，接入控制，URLLC類業(yè)務(wù)對(duì)高可靠的要求，遠(yuǎn)程醫(yī)療對(duì)超低時(shí)延的要求等等不一而足，該類個(gè)性化業(yè)務(wù)均對(duì)系統(tǒng)的頻率隔離和系統(tǒng)性能提出極高要求，而無線側(cè)作為接入網(wǎng)，無線接入的指標(biāo)將極大影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)，4.9GHz作為行業(yè)專網(wǎng)的黃金頻率，在定制化業(yè)務(wù)需求強(qiáng)烈的專網(wǎng)應(yīng)用下將發(fā)揮關(guān)鍵性作用，下文將結(jié)合專網(wǎng)業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行逐一分析。

3.4.1行業(yè)專網(wǎng)類應(yīng)用

ATG（地空通信）系統(tǒng)由于為地對(duì)空通信專網(wǎng)，為避免與大網(wǎng)業(yè)務(wù)的相互干擾和影響，使用4.9GHz頻段可與2.6GHz進(jìn)行頻率隔離，承載地空通信業(yè)務(wù)最為合適。由于地空通信的特殊性，需采用20ms的特殊幀配置，可滿足覆蓋半徑300km，覆蓋空域最高13000米，根據(jù)計(jì)算和仿真，理論上下行速率可達(dá)120Mbps/800Mbps@100Mhz。

3.4.2 URLLC類應(yīng)用

隨著3GPP R16版本的發(fā)布，5G系統(tǒng)URLLC能力逐步釋放，由于該類業(yè)務(wù)要求超高可靠，超低時(shí)延，對(duì)無線和傳輸，核心網(wǎng)都提出了具體的要求，對(duì)無線側(cè)的需求和分析見下文所述。

1. 5G-V2X自動(dòng)駕駛

5G-V2X 是“人- 車- 路- 云”相互連接和交互的協(xié)同體系，是汽車、交通、通信、計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)跨界融合的新型產(chǎn)業(yè)，是社會(huì)發(fā)展的新型基礎(chǔ)設(shè)施，具備3C 屬性（Connection、Control、Convergence）。通過5G-V2X 信息感知，可將駕駛員“盲區(qū)”的信息快速傳遞給駕駛員，減少事故的發(fā)生，提升駕駛的安全性;可將前方更實(shí)時(shí)的路況信息傳遞給駕駛員，規(guī)劃更省時(shí)的行駛路線，按時(shí)到達(dá)目的地;可幫助汽車在封閉園區(qū)、景區(qū)、停車場(chǎng)、港口等場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，未來可以實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的自動(dòng)駕駛，提供安全、高效、節(jié)能、舒適的駕乘體驗(yàn)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能要求：上行>10Mbps，下行>100Mbps，時(shí)延<10ms，且由于自動(dòng)駕駛對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景目前較為封閉，不得受公網(wǎng)業(yè)務(wù)的干擾和影響，因此，采用4.9GHz頻段進(jìn)行組網(wǎng)，與公網(wǎng)進(jìn)行頻率隔離，同時(shí)根據(jù)上下行業(yè)務(wù)需求可以靈活配置，為縮短時(shí)延，可采用1ms幀結(jié)構(gòu)，使用自包含幀結(jié)構(gòu)，同時(shí)在基站側(cè)開啟資源預(yù)調(diào)度，當(dāng)Upf下沉園區(qū)后，可滿足端到端時(shí)延小于10ms的要求。

2.遠(yuǎn)程醫(yī)療

遠(yuǎn)程會(huì)診是院間協(xié)同場(chǎng)景，基于5G 大帶寬、低時(shí)延的特性，支持醫(yī)療機(jī)構(gòu)間、院區(qū)間、科室間進(jìn)行4K 高清遠(yuǎn)程會(huì)診，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端醫(yī)療專家實(shí)時(shí)指導(dǎo)基層醫(yī)生的診療服務(wù)，改變4G 網(wǎng)絡(luò)下實(shí)時(shí)性差、清晰度低的通訊現(xiàn)狀，提高遠(yuǎn)程會(huì)診系統(tǒng)的診斷準(zhǔn)確率和醫(yī)療指導(dǎo)效率。不僅如此，5G 網(wǎng)絡(luò)下可實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的多路傳輸和實(shí)時(shí)共享，助力醫(yī)生移動(dòng)閱片。4K級(jí)攝像機(jī)對(duì)系統(tǒng)上行帶寬要求>50Mbps，在會(huì)診過程中，時(shí)延要求低于20ms，且對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性也有極大要求。因此，采用4.9Ghz進(jìn)行組網(wǎng)，可提供單小區(qū)最大3Gbps的小區(qū)上行容量（100MHz帶寬，3U1D時(shí)隙配比下）。

由于篇幅限制，其他類似的行業(yè)應(yīng)用就不在此過多贅述。

四、干擾協(xié)同問題

4.1系統(tǒng)間干擾分析

中國(guó)移動(dòng)的4.9GHz頻段為4800～4900MHz，WRC對(duì)4.9 G頻段的分配方案：4825—4835 MHz用于射電天文業(yè)務(wù)（高優(yōu)先級(jí)），4830 MHz射電天文業(yè)務(wù)主要分布在新疆、內(nèi)蒙、云南和貴州，另外，衛(wèi)星空對(duì)地的頻段為4500～4800MHz。

4.2系統(tǒng)內(nèi)干擾分析

在部署4.9G 1D3U專網(wǎng)配置的空間隔離，建議如下：

1.室內(nèi)場(chǎng)景

由于與傳播信道特性強(qiáng)相關(guān)，經(jīng)鏈路預(yù)算，以及實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)，室外宏站距離室分260～350米，且皮站距離墻體10米時(shí)，隔離度可達(dá)130dB，滿足理論計(jì)算所需的隔離度。因此，在NLOS環(huán)境下，所需隔離距離至少300米。

大部分場(chǎng)景下，室內(nèi)專網(wǎng)與室外公網(wǎng)為NLOS環(huán)境，數(shù)百米的隔離距離較易滿足，專網(wǎng)使用專屬的幀結(jié)構(gòu)，其性能不受交叉時(shí)隙干擾影響。

2.室外場(chǎng)景

與傳播信道特性強(qiáng)相關(guān)，經(jīng)鏈路預(yù)算，專網(wǎng)采用微站部署時(shí)，在NLOS環(huán)境下，1.8公里外的宏站產(chǎn)生的干擾基本不影響系統(tǒng)性能，視距條件下，需41公里。在密集城區(qū)環(huán)境下，如專網(wǎng)采用微站部署，較易滿足1.8公里的隔離度要求，專網(wǎng)性能可基本不受交叉時(shí)隙干擾影響。

上述隔離措施需根據(jù)場(chǎng)景和業(yè)務(wù)，綜合考慮，統(tǒng)一部署，以盡可能避免干擾，提升系統(tǒng)頻率利用率和系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

五、4.9GHz部署策略和應(yīng)用展望

根據(jù)上文分析，4.9GHz在國(guó)內(nèi)天然適合用于行業(yè)專網(wǎng)，其靈活的上下行時(shí)隙配比，可非常好的適應(yīng)特殊行業(yè)的大上行業(yè)務(wù)需求場(chǎng)景，同時(shí)也適用于對(duì)上下行業(yè)務(wù)均有較大需求的行業(yè)。

面向容量方面，在對(duì)公網(wǎng)業(yè)務(wù)中，4.9GHz可適用于熱點(diǎn)和盲點(diǎn)區(qū)域補(bǔ)熱補(bǔ)盲，可與2.6GHz進(jìn)行雙頻組網(wǎng)，通過帶間載波聚合，提供更大帶寬上下行能力，同時(shí)具備高可靠低時(shí)延基礎(chǔ)能力。

面向行業(yè)應(yīng)用方面，由于4.9GHz頻段在國(guó)內(nèi)環(huán)境下，頻段相對(duì)干凈，基本不受帶外干擾影響，在對(duì)地PLMN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中，適用于高封閉，高保密，高隔離度類專網(wǎng)業(yè)務(wù);在對(duì)空ATG（Air To Ground，地空通信）網(wǎng)絡(luò)中，可通過切頻，使用4800～4900MHz中部分頻譜資源，通過定制大周期幀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空專網(wǎng)業(yè)務(wù)，將給相關(guān)行業(yè)和運(yùn)營(yíng)商都帶來極大的商業(yè)價(jià)值。

隨著3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，面向URLLC的業(yè)務(wù)也將迎來爆發(fā)式的增長(zhǎng)，隨著業(yè)務(wù)能力的增強(qiáng)和演進(jìn)，面向自動(dòng)駕駛的車聯(lián)網(wǎng)C-V2X，移動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造，智能礦山，遠(yuǎn)程控制業(yè)務(wù)等等，對(duì)超高可靠性（大于99.999%）的需求，也將引入更多新技術(shù)，如1ms幀結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)級(jí)高可靠性能保障（業(yè)務(wù)雙連接，UPF通道雙備份），4.9GHz專網(wǎng)也將有更豐富的應(yīng)用和需求，隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展和市場(chǎng)的推動(dòng)下，4.9GHz的產(chǎn)業(yè)能力將越來越強(qiáng)大，這也要求我們的研究和規(guī)劃能力要與時(shí)俱進(jìn)，以適應(yīng)整個(gè)5G+行業(yè)的發(fā)展。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 張紅國(guó)，5G邊緣計(jì)算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用探討，通信設(shè)計(jì)與應(yīng)用，57-58

[2] 楊旭， 5G移動(dòng)通信技術(shù)在地空互聯(lián)中的應(yīng)用， 數(shù)碼世界，25

汪拉鎖（1971.12）， 男，漢族，西安，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)陜西有限公司，工程師，多年從事移動(dòng)通信網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)和優(yōu)化工作。