5G 2.1 GHz 40 MHz FDD帶寬增強的覆蓋與組網(wǎng)能力研究

周閱天，胡春雷，魏明爍，謝偉良（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

1 概述

在中國5G建設(shè)的規(guī)劃中，國內(nèi)運營商在頻率上使用高低頻協(xié)同，發(fā)揮3.5 GHz 容量優(yōu)勢和2.1 GHz 覆蓋優(yōu)勢，高低頻協(xié)同打造差異化網(wǎng)絡(luò)。其中，價值區(qū)域采用3.5 GHz 實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，2.1 GHz 針對性強化室內(nèi)淺層覆蓋；廣覆蓋區(qū)域采用2.1 GHz 實現(xiàn)基礎(chǔ)覆蓋層，3.5 GHz 按需動態(tài)擴容［1］。隨著3GPP Release16 RAN4在2020年7月凍結(jié)了2.1 GHz大帶寬標準［2］，中國電信與中國聯(lián)通整合現(xiàn)有頻率資源共建共享，在2.1 GHz部署40 MHz 的5G 網(wǎng)絡(luò)［3］。終端產(chǎn)業(yè)方面，2021 年6月支持2.1 GHz 40 MHz 的終端開始商用，2021 年底有超過25%的5G 終端支持40 MHz 大帶寬。因此，如何部署2.1 GHz 40 MHz網(wǎng)絡(luò)，使其成為3.5 GHz 100 MHz網(wǎng)絡(luò)的強力補充，打造2.1 GHz+3.5 GHz高低頻協(xié)同的精品網(wǎng)絡(luò)成為業(yè)界急需解決的問題。

由于3.5 GHz 100 MHz網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完成商用部署，對比分析2.1 GHz 40 MHz 與3.5 GHz 100 MHz 的覆蓋能力與組網(wǎng)性能對運營商有極大的參考意義。為此，本文通過理論計算說明2.1 GHz 40 MHz FDD 網(wǎng)絡(luò)與3.5 GHz 100 MHz TDD 網(wǎng)絡(luò)的容量差異與覆蓋能力差異；并設(shè)計外場單站拉遠實驗與組網(wǎng)DT 實驗驗證2 種網(wǎng)絡(luò)制式的性能，為運營商部署網(wǎng)絡(luò)提供參考。

2 理論計算

2.1 FDD與TDD的容量計算

2.1 GHz 40 MHz與3.5 GHz 100 MHz 2種通信制式的具體參數(shù)如表1所示。

表1 2.1 GHz NR與3.5 GHz NR的配置參數(shù)

3GPP TS 38.306中的容量計算公式如下［4］：

式中：

J——載波聚合數(shù)目，本文只考慮單載波情況，因此可以忽略

V——MIMO 層數(shù)，2 種通信制式下行最大層數(shù)都為4，上行最大層數(shù)由終端發(fā)射天線數(shù)決定，1T終端上行最大1層，2T終端上行最大2層

Q——調(diào)制階數(shù)，256QAM對應(yīng)8 bit

F——擴展系數(shù)，與幀結(jié)構(gòu)的上下行配比相關(guān)，F(xiàn)DD 的f=1，TDD 2.5 ms 雙周期可近似為上行f=0.7，下行f=0.3

R——碼率，信道質(zhì)量越好碼率越大，最大為948/1 024，可近似為0.9

OH——開銷，可近似為上行OH=0.1，下行OH=0.2，上下行的（1-OH）分別為0.9與0.8

N——RB 的個數(shù)，與子載波間隔和帶寬相關(guān)，40 MHz 帶寬下SCS=15 kHz 有216 個RB，100 MHz 帶寬下SCS=30 kHz有273個RB

T——每個OFDM 符合的時間長度，與子載波間隔相關(guān)，SCS=15 kHz 時，T=，SCS=30 kHz時，T=［4］。

根據(jù)以上分析，3.5 GHz 100 MHz TDD 網(wǎng)絡(luò)的2T4R終端上下行近似計算式（2）和（3）所示：

2.1 GHz 40 MHz FDD 網(wǎng)絡(luò)的2T4R 終端上下行近似計算公式如式（4）和式（5）所示，1T4R終端上行最大速率的層數(shù)為1，下行相同，此處不過多贅述：

通過以上公式可以計算得到3.5 GHz 100 MHz TDD 網(wǎng)絡(luò)的上行和下行峰值容量分別近似為308.2 Mbit/s 和1 643.8 Mbit/s；2.1 GHz 40 MHz FDD 網(wǎng)絡(luò)的上下行峰值容量分別近似為406.5 Mbit/s（2T）、203.8 Mbit/s（1T），929 Mbit/s。通過理論計算結(jié)果可以看出，2.1 GHz FDD 對比3.5 GHz TDD 具有上行容量優(yōu)勢，而3.5 GHz TDD的下行容量優(yōu)勢非常明顯。

2.2 FDD與TDD的鏈路預(yù)算

通過鏈路預(yù)算評估基站的覆蓋能力，需要知道相同邊緣速率下，不同頻段通信制式的路徑損耗，將其代入傳播模型從而計算出基站的覆蓋距離。3GPP TS 38.901 中給出了5G 不同場景的傳播模型［5］，表2 給出了Uma 場景的傳播模型，適用于室外城郊宏站組網(wǎng)場景。

表2 Uma傳播模型計算模型［6］

表2 中的PL 與具體的設(shè)備能力和邊緣速率相關(guān)，可根據(jù)式（6）和式（7）計算得出［7］。

式中：

PRS_UE、PRS_BS——固定邊緣速率下終端與基站的導(dǎo)頻功率

Ga_UE、Ga_BS——終端與基站的天線增益

SUE、SBS——終端與基站的接收靈敏度

Lf_BS——饋線損耗

Mf——陰影衰落余量

Mi——干擾余量

Lp——建筑物穿透損耗

Lb——人體損耗

針對2.1 GHz 40 MHz 與3.5 GHz 100 MHz 的上下行鏈路預(yù)算分別如表3和表4所示，表3說明了上行邊緣速率為3 Mbit/s時，2.1 GHz 40 MHz有4～5 dB的覆蓋優(yōu)勢。表4 說明了下行邊緣速率為100 Mbit/s 時，3.5 GHz 100 MHz有大約4 dB的覆蓋優(yōu)勢。

表3 2.1 GHz 40 MHz與3.5 GHz 100 MHz的上行鏈路預(yù)算

表4 2.1 GHz 40 MHz與3.5 GHz 100 MHz的下行鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算與容量計算從理論上分析了2.1 GHz 40 MHz與3.5 GHz 100 MHz的性能與覆蓋能力，具體還需要外場實驗進一步驗證。

3 單站覆蓋能力對比實驗

單站覆蓋能力對比實驗采用單站拉遠測試的方式驗證。極限拉網(wǎng)測試與站點高度等工程參數(shù)、周邊環(huán)境、干擾等因素相關(guān)，遠點強度較弱會放大干擾因素。因此本文選擇了3 條拉遠路徑進行多次拉遠測試，選擇其中1條拉遠路徑的實驗數(shù)據(jù)進行分析，具體的實驗環(huán)境與工參如圖1所示。

圖1 極限拉遠路線與實驗環(huán)境

3.1 下行覆蓋對比

使用2.1 GHz 的4×40 W 和4×60 W 與3.5 GHz 的160 W 和200 W 各2 種功率配置，在圖1 所示的路徑上進行多次拉遠測試直至終端掉線。下行PDCP 層速率與拉遠距離的關(guān)系如圖2 所示，為了更加直觀地對比2.1 GHz FDD 40 MHz 與3.5 GHz TDD 100 MHz 的覆蓋能力，圖2 只提供了2 條高功率配置的曲線，因為同制式高低功率的拉遠曲線趨勢大致相同。圖2 表明，中近點3.5 GHz 下行有明顯的速率優(yōu)勢，遠點3.5 GHz 略高于2.1 GHz，但由于頻段優(yōu)勢，極限距離2.1 GHz好于3.5 GHz。

圖2 下行PDCP速率拉遠測試結(jié)果

圖3 所示為4 種功率配置的邊緣覆蓋距離對比，可以看出提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功率配置對覆蓋距離有一定的提升。

圖3 下行邊緣覆蓋距離對比

3.2 上行覆蓋對比

上行覆蓋測試與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功率配置無關(guān)，因此只需固定一種功率配置即可。由于現(xiàn)網(wǎng)2.1 GHz FDD 存在大量1T 終端，需要對3.5 GHz 2T、2.1 GHz 2T、2.1 GHz 1T 3 種終端進行拉遠測試。測試結(jié)果如圖4 所示，可以看出2.1 GHz 2T 上行速率有明顯的優(yōu)勢，2.1 GHz 1T 憑借著頻段優(yōu)勢與3.5 GHz 2T 速率相差不大，在中近點處略低于3.5 GHz 2T，在遠點處高于3.5 GHz 2T。圖5 展示了上行邊緣覆蓋距離對比結(jié)果，3 Mbit/s邊緣速率：2.1 GHz 2T＞3.5 GHz 2T＞2.1 GHz 1T；1 Mbit/s邊緣速率：2.1 GHz 2T＞2.1 GHz 1T＞3.5 GHz 2T。

圖4 上行PDCP速率拉遠測試結(jié)果

圖5 上行邊緣覆蓋距離對比

4 組網(wǎng)能力對比

為對比2.1 GHz 40 MHz FDD 與3.5 GHz 100 MHz TDD 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)能力，選擇了一處2.1 GHz 與3.5 GHz基站共站址的場地進行驅(qū)車拉網(wǎng)實驗，2.1 GHz 4×60 W 與3.5 GHz 200 W 的25%負載路測圖與站點分布如圖6所示。按照圖6所示路線，測試2.1 GHz與3.5 GHz的下行4 種功率配置與上行3 種終端在空載、25%負載、50%負載情況下的組網(wǎng)速率。在拉網(wǎng)測試中，2.1 GHz 的平均RSRP 要高于3.5 GHz 約6 dB，但2 種制式的平均RSRP都高于-85 dB，實驗區(qū)域信號覆蓋良好。

圖6 驅(qū)車測試路測圖

4.1 下行組網(wǎng)能力對比

下行需要測試2 種制式的4 種功率配置與3 種負載情況，共12組數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，3.5 GHz的下行速率具有明顯優(yōu)勢，大約是2.1 GHz 的1.5 倍；25%加載情況下，2 種制式下行速率下降約40%，由于目前5G 用戶較少，此情況最符合網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀；50%加載情況下，3.5 GHz 下降約8%，2.1 GHz 下降約17%。除此以外，通過相同制式不同功率間的對比可以看出，當網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋良好時，提升網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)射功率并不能帶來更好的速率體驗，反而會加強小區(qū)間干擾，使速率略微下降。

圖7 拉網(wǎng)測試下行PDCP層速率測試結(jié)果

4.2 上行組網(wǎng)能力對比

根據(jù)發(fā)射天線數(shù)目，上行需要測試2 種制式的3種終端，與網(wǎng)絡(luò)功率配置無關(guān)，共3 組數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖8所示。2.1 GHz 2T的上行速率優(yōu)勢明顯，相較于3.5 GHz 2T 有接近于50%的提升，對5G 上行覆蓋增強有明顯效果；2.1 GHz 1T 的上行平均速率略低于3.5 GHz 2T，但是小區(qū)邊緣的表現(xiàn)會略好于3.5 GHz。

圖8 拉網(wǎng)測試上行PDCP層速率測試結(jié)果

5 總結(jié)

本文通過對比3.5 GHz TDD 100 MHz 網(wǎng)絡(luò)和2.1 GHz FDD 40 MHz 帶寬增強網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力與組網(wǎng)性能，并設(shè)計實驗進行驗證，為室外部署2.1 GHz 帶寬增強網(wǎng)絡(luò)提供了參考。

單站拉遠實驗結(jié)果表明，3.5 GHz下行速率具有明顯優(yōu)勢，但是2.1 GHz的覆蓋能力更強，5 Mbit/s邊緣距離可達8 km；2.1 GHz 2T 的上行速率具有明顯優(yōu)勢，2.1 GHz 1T 的能力接近3.5 GHz 2T，1 Mbit/s 邊緣距離要更遠。組網(wǎng)實驗結(jié)果表明，下行速率3.5 GHz 比2.1 GHz高約1.5倍；上行速率2.1 GHz 2T最高，3.5 GHz 2T略高于2.1 GHz 1T，但在小區(qū)邊緣2.1 GHz 1T 高于3.5 GHz 2T。