700MHz頻段在5G網(wǎng)絡優(yōu)化中的應用研究

張葉江，孫磊，尹以雁，楊曉康，胡堅

工程與應用

700MHz頻段在5G網(wǎng)絡優(yōu)化中的應用研究

張葉江，孫磊，尹以雁，楊曉康，胡堅

（中國移動通信集團云南有限公司，云南 昆明 650228）

700 MHz頻段具有頻率低、繞射能力強、覆蓋效果好等優(yōu)點，中國移動與中國廣電已明確將基于700 MHz頻段資源開展5G網(wǎng)絡共建共享。首先從理論上分析了700 MHz頻段的覆蓋優(yōu)勢，然后通過700 MHz 5G站點的連片道路覆蓋測試、居民樓覆蓋性能測試以及定點容量性能測試等試點，為后續(xù)700 MHz 5G網(wǎng)絡建設及優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐?？梢詮闹鲃右?guī)避700 MHz廣電頻率干擾、充分發(fā)揮高低頻組網(wǎng)方案優(yōu)勢、積極探索多頻段協(xié)同優(yōu)化策略等方面，最大程度地釋放700 MHz黃金頻譜的價值，持續(xù)提升5G無線網(wǎng)絡質(zhì)量。

700 MHz頻段；5G網(wǎng)絡；無線干擾；高低頻組網(wǎng)；協(xié)同優(yōu)化

0 引言

2019年6月，工業(yè)和信息化部（簡稱工信部）正式向中國移動等4家企業(yè)發(fā)放了5G商用牌照[1]。2019年9月，中國電信和中國聯(lián)通宣布共建共享5G接入網(wǎng)，預計5年內(nèi)雙方可各節(jié)省2 000億元的資本開支，且開啟5G載波聚合后峰值速率可達2.5 Gbit/s，遠超中國移動1.3 Gbit/s的峰值速率，因而中國移動在保持網(wǎng)絡領先及市場競爭方面面臨著巨大壓力[2]。為此，中國移動積極與中國廣電合作，并于2021年9月確認中國移動將先行承擔700 MHz頻段5G網(wǎng)絡的建設費用及網(wǎng)絡優(yōu)化費用，中國廣電則按雙方基于公平合理協(xié)商的條款支付網(wǎng)絡使用費[3]。至此，中國移動與中國廣電圍繞700 MHz頻段的5G網(wǎng)絡建設將全面提速，而700 MHz頻段在5G網(wǎng)絡優(yōu)化中的應用研究也顯得更加重要。

1 700 MHz頻段優(yōu)勢分析

1.1 中國5G可使用頻段資源

根據(jù)3GPP的協(xié)議規(guī)定，5G網(wǎng)絡可以使用的主要頻段包括FR1頻段和FR2頻段，F(xiàn)R1頻段的頻率范圍是450 MHz～6 GHz（即Sub-6 GHz頻段），F(xiàn)R2頻段的頻率范圍是24.25～52.6 GHz（即毫米波（mmWave））[4]。其中，F(xiàn)R1具有頻率低、繞射能力強、覆蓋效果好等優(yōu)點，是當前5G的主用頻譜。作為基礎覆蓋頻段，F(xiàn)R1頻段最大支持100 MHz的帶寬，低于3 GHz的部分目前主要用于2G、3G和4G的部署，早期通過站址利舊的方式可實現(xiàn)5G網(wǎng)絡的快速部署[5]。為推動我國5G網(wǎng)絡大規(guī)模建設，工信部已正式向各電信運營商分配了5G系統(tǒng)工作頻段[6]。值得注意的是，在工信部《關于調(diào)整700 MHz頻段頻率使用規(guī)劃的通知》中確認將702～798 MHz 頻段頻率用于移動通信系統(tǒng)[7]。700 MHz無線頻段被譽為移動通信的“黃金頻譜”，引發(fā)業(yè)界廣泛關注。目前，我國各電信運營商5G可使用頻段資源統(tǒng)計見表1。

表1 我國各電信運營商5G可使用頻段資源統(tǒng)計

1.2 700 MHz頻段覆蓋及容量性能分析

（1）覆蓋性能分析

自由空間損耗描述了電磁波在空氣中傳播時的能量損耗，電磁波在穿透任何介質(zhì)的時候都會有損耗。自由空間損耗公式為：

s= 20lg+ 20lg+ 32.4 （1）

其中，s表示自由空間損耗，表示頻率（單位為MHz），表示距離（單位為km）[8]。由自由空間損耗公式可以推出，在距離一定的情況下，頻率越低、損耗越小，頻率越高、損耗越大。由式（1）容易計算得出，700 MHz自由空間損耗比2.6 GHz損耗小11.40 dB，比3.5 GHz損耗小13.98 dB，比4.9 GHz損耗小16.90 dB。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)試點數(shù)據(jù)，按照上行邊緣速率為3 Mbit/s作為標準（3 Mbit/s能支持720P業(yè)務），700 MHz頻段視距傳播距離可達6.2 km，大概是2.6 GHz站點的2倍，是3.5 GHz站點的4倍，是4.9 GHz站點的7倍。眾所周知，電磁波的繞射能力是與頻率高低相關的，頻率越低的電磁波的波長越長，繞射能力也越強，其穿透衰耗就越小，在現(xiàn)實環(huán)境的傳播距離就越遠[9]。根據(jù)測算，使用700 MHz頻段建成一張覆蓋全國的 5G 網(wǎng)絡只需40萬座基站，投資成本可下降80%以上。

（2）容量性能分析

700 MHz站點在覆蓋方面具有很大優(yōu)勢，但其可用頻率僅為2×30 MHz（后續(xù)可能擴展至 2×45 MHz），雖然遠比國際上大多數(shù)國家的 2×10 MHz或2×20 MHz帶寬大[10]，其用戶平均吞吐量和峰值速率與2.6 GHz站點相比仍有較大差距。以峰值速率為例，4T4R 700 MHz站點單用戶下行和上行峰值速率理論值分別為350 Mbit/s和175 Mbit/s，難以媲美64T64R 2.6 GHz站點的1 700 Mbit/s和 250 Mbit/s，尤其是下行速率。因此，700 MHz在5G 中適合作為廣覆蓋的基礎網(wǎng)絡，但是不適合用作高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡[11]。如何讓700 MHz頻譜最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢，彌補其短板，成為一個重要課題。

2 現(xiàn)網(wǎng)700 MHz站點試點測試結(jié)果分析

本次外場試點通過700 MHz與2.6 GHz道路連片覆蓋性能對比測試，選取近、中、遠3個室內(nèi)場景進行不同樓層700 MHz與2.6 GHz深度覆蓋對比測試，并選取一個室外站點進行700 MHz與2.6 GHz上下行定點速率對比測試，旨在對 700 MHz 5G站點的性能、關鍵技術進行摸底，同時為5G產(chǎn)品選型、網(wǎng)絡規(guī)劃建設和參數(shù)配置優(yōu)化等提供數(shù)據(jù)支撐，為后續(xù)700 MHz 5G網(wǎng)絡建設優(yōu)化積累經(jīng)驗。

表2 共址站點主要信息

2.1 試點環(huán)境

本次試點測試區(qū)域為省會城市主城區(qū)某區(qū)域，其中5G 700 MHz站點共4個基站、13個小區(qū)，平均站間距為800 m；2.6 GHz站點共23個基站、66個小區(qū)，平均站間距為300 m。4個700 MHz站點分別和4個2.6 GHz站點共站址，共址站點主要信息見表2。

2.2 試點結(jié)果分析

2.2.1 道路連片覆蓋測試對比

700 MHz和2.6 GHz基站開通后，對該區(qū)域進行同車同路段拉網(wǎng)測試，5G 700 MHz與2.6 GHz覆蓋性能測試對比見表3。測試結(jié)果表明，700 MHz站點道路綜合覆蓋率為96.59%，2.6 GHz綜合覆蓋率則為97.49%，兩者基本相當，但若注意到兩者站點數(shù)和小區(qū)數(shù)差異，可以看出700 MHz覆蓋能力遠超2.6 GHz；700 MHz站點平均上傳速率87.06 Mbit/s，平均下載速率218.94 Mbit/s，而2.6 GHz則分別為121.97 Mbit/s和647.30 Mbit/s，這說明700 MHz站點與2.6 GHz站點的容量差距較大，尤其是下行容量。但平均700 MHz站點SINR為7.19 dB，遠低于2.6 GHz的14.45 dB，主要是因為測試期間700 MHz的兩個小區(qū)存在中國廣電系統(tǒng)的干擾，這需要在700 MHz站點規(guī)劃建設及優(yōu)化中引起注意。

表3 5G 700 MHz與2.6 GHz覆蓋性能測試對比

2.2.2 覆蓋性能測試對比

700 MHz和2.6 GHz基站開通后，選取集成大廈700 MHz及共址的2.6 GHz站點作為目標測試基站。在該基站1小區(qū)正西覆蓋方向，選取近、中、遠3個室內(nèi)居民區(qū)場景進行不同樓層700 MHz與2.6 GHz的室內(nèi)覆蓋性能對比測試，測試距離分別為150 m、340 m和600 m，5G 700 MHz與2.6 GHz深度覆蓋測試對比見表4。測試結(jié)果表明，室外站覆蓋室內(nèi)時700 MHz比2.6 GHz的平均RSRP好18～24 dB，比2.6 GHz可多穿至少一堵普通承重墻。另外，當與基站距離為600 m時，2.6 GHz站點已處于脫網(wǎng)狀態(tài)，而700 MHz站點RSRP仍保持在?100 dBm以上，下載速率超過50 Mbit/s，上傳速率超過3 Mbit/s，720P視頻業(yè)務仍可正常進行。測試結(jié)果說明700 MHz站點的覆蓋能力遠超2.6 GHz站點。

2.2.3 容量性能測試對比

選擇漁米之鄉(xiāng)燈桿站作為測試站點，700 MHz和2.6 GHz站點2小區(qū)的主打方向220°，機械下傾角5°，功率240 W（滿功率），無線無高層建筑遮擋。其中，700 MHz 站點為上下各30 MHz帶寬，采用4T4R天線、2.6 GHz站點為100 MHz帶寬，采用64T64R天線。測試時采用單用戶測試，700 MHz站點的上下行峰值速率分別為184 Mbit/s和330 Mbit/s，遠低于2.6 GHz站點的227 Mbit/s和1 571 Mbit/s。由此可見，受限于頻點帶寬不足（僅為30 MHz），700 MHz站點容量性能劣于2.6 GHz站點。

3 700 MHz部署存在的挑戰(zhàn)及應用建議

從700 MHz頻段理論及實測數(shù)據(jù)分析可知，700 MHz在廣度覆蓋及深度覆蓋能力方面遠超現(xiàn)網(wǎng)的2.6 GHz主力建設頻段，但是在網(wǎng)絡容量方面有所不足。如何充分發(fā)揮700 MHz基站的覆蓋能力，并設法彌補其容量短板，是后續(xù)5G網(wǎng)絡優(yōu)化的重要基礎。建議通過主動規(guī)避700 MHz頻段的廣電頻率干擾、充分發(fā)揮高低頻組網(wǎng)方案優(yōu)勢、積極探索多頻段協(xié)同優(yōu)化策略等措施，加快700 MHz頻段的網(wǎng)絡建設進度，持續(xù)提升5G網(wǎng)絡質(zhì)量。

3.1 主動規(guī)避700 MHz廣電頻率干擾

根據(jù)摸底數(shù)據(jù)統(tǒng)計，地面數(shù)字電視DS37/～DS 48頻道（即702～798 MHz頻段）在全國存在約6 000個廣播臺站，且不同城市的頻率不固定，使用較分散。不同的城市干擾頻段范圍不一致，上行干擾多于下行干擾，上行普遍存在1～3個廣電頻道干擾。其中，上行頻段（703～733 MHz）接收信號強度大于?105 dBm/200 kHz的采樣點比例為20.96%，下行頻段（758～788 MHz）接收信號強度大于?105 dBm/200 kHz的采樣點比例為22.29%，隔離頻段（733～758 MHz）接收信號強度大于?105 dBm/200 kHz的采樣點比例為22.41%。中國廣電700 MHz移頻招標項目2021年7月27日才結(jié)束，預計未來需1～2年才能完成全部移頻工作，在此期間700 MHz頻段的網(wǎng)絡性能將受不同程度的影響[12]。

表4 5G 700 MHz與2.6 GHz深度覆蓋測試對比

表5 700 MHz與2.6 GHz定點測試峰值速率

因此，建議對700 MHz頻段SSB（synchronizationsignal and PBCH（physical boardcast channe） block）頻點進行靈活配置，將下行30 MHz分為8 MHz+8 MHz+8 MHz+6 MHz，共計4段，每段可設置一個SSB頻點候選位置，其中心頻點分別為763.25 MHz、770.45 MHz、778.85 MHz和782.45 MHz。SSB中心頻點具體設置原則如下。

●700 MHz頻段的SSB頻點配置以地市為單位，本地網(wǎng)統(tǒng)一SSB頻點的配置。

●對于無700 MHz干擾影響的城市，SSB中心頻點建議配置在763.25 MHz。

●對于存在700 MHz干擾影響的城市，通過掃頻確認干擾頻道，SSB中心頻點配置在4段中可做業(yè)務頻段（RSRP每RB低于?100 dB）中的最低段，即一個小區(qū)內(nèi)全頻段選擇4個候選SSB頻點位置之一配置1個SSB。

針對廣電強干擾頻譜位置，禁用強干擾帶寬，按不同帶寬開通基站，靈活開啟15 MHz /20 MHz /30 MHz帶寬，上下行速率驗收標準等比例調(diào)整。同時，還可以通過RB級頻選調(diào)度策略，降低干擾影響[13]。

3.2 充分發(fā)揮高低頻組網(wǎng)方案優(yōu)勢

仿真結(jié)果顯示，在2.6 GHz基站上以2:1的比例疊加700 MHz后，99.7%（較純2.6 GHz基站提升5.15%）的樓宇淺層區(qū)域可滿足室內(nèi)基本覆蓋（達1 Mbit/s速率的柵格占比≥95%，下同），81.99%（較純2.6 GHz基站提升31.01%）的樓宇整體可滿足室內(nèi)基本覆蓋。參考4G組網(wǎng)經(jīng)驗，5G也可充分利用高低頻分層組網(wǎng)方案，以發(fā)揮各頻段優(yōu)勢，獲得最佳運營效果[10]。具體部署建議如下。

●700 MHz頻段具有廣度覆蓋及深度覆蓋能力強的優(yōu)勢，可以作為城區(qū)及農(nóng)村場景中5G連續(xù)覆蓋的基礎網(wǎng)絡，還可作為未來5G超清視話（voice over new radio，VoNR）的基礎網(wǎng)絡[14]。

●對于密集城區(qū)、縣城及部分發(fā)達鄉(xiāng)鎮(zhèn)等高容量場景，2.6 GHz頻段具有大帶寬優(yōu)勢，可用2.6 GHz宏基站作為容量承載主力頻段；對于機場、醫(yī)院、高校等超高容量場景，還可以補充2.6 GHz室分站點以提升大網(wǎng)容量，部分垂直行業(yè)應用場景還可以按需建設4.9 GHz室分站點。

●各頻段切換策略方面，一是基于覆蓋的切換策略下2.6 GHz頻段或者700 MHz頻段作為5G打底覆蓋層，用戶在小區(qū)邊緣情況下基于覆蓋切換，5G信號差時切換回4G；二是基于頻率優(yōu)先級的切換，5G用戶在中近點基于優(yōu)先級切換至4.9 GHz或2.6 GHz頻段，使容量在高優(yōu)先的頻率承載[15]。

另外，天饋建設方案應統(tǒng)籌多方面因素，力爭一步到位。考慮當前業(yè)界多頻段耦合天線技術已十分成熟，可結(jié)合實際商用場景引入444和4 448兩大類多頻天線，從而可以分場景實現(xiàn)700 MHz在不增加天面的情況下融入現(xiàn)網(wǎng)。其中，444天線為4端口支持700 MHz，4端口支持900 MHz，4端口支持1 800 MHz；4 448天線則為4端口支持700 MHz，4端口支持900 MHz，4端口支持 1 800 MHz，8端口支持FA頻段。在共天面場景，融合后原則上物理工參繼承LTE主力覆蓋層的頻段設置，將融合天面的機械方位角、下傾角納入驗收流程，確保LTE覆蓋層方位角、機械傾角以及電子傾角保持不變。通過在5G宏基站天面建設中采用多頻多端口天線進行天面整合，一方面可以避免新增抱桿，控制租金上漲，同時也能避免反復天面改造對網(wǎng)絡造成的影響，保障好用戶感知[16]。

3.3 積極探索多頻段協(xié)同優(yōu)化策略

首先是要做好700 MHz與現(xiàn)有4G/5G網(wǎng)絡協(xié)同及業(yè)務感知優(yōu)化。4G網(wǎng)絡目前仍然是中國移動流量主力承載網(wǎng)絡，2.6 GHz 5G站點正大規(guī)模地入網(wǎng)，導致現(xiàn)網(wǎng)4G/5G網(wǎng)絡結(jié)構異常復雜。要通過試點，研究700 MHz與900 MHz/1 800 MHz/FA/D/E及2.6 GHz 5G優(yōu)先級配置策略，結(jié)合頻段特征定位，設置各頻段互操作策略及相關參數(shù)配置方案，確保用戶優(yōu)先駐留在5G網(wǎng)絡中，在提升5G網(wǎng)絡資源利用率的同時，逐步降低4G網(wǎng)絡負荷。5G引入了頻譜效率、設備能力，結(jié)合傳統(tǒng)PRB利用率、用戶數(shù)等指標，可在2.6 GHz和700 MHz基站間基于Xn接口進行信令交互，實現(xiàn)小區(qū)間負荷均衡。同時，要做好5G語音及數(shù)據(jù)等基礎業(yè)務的感知優(yōu)化，700 MHz網(wǎng)絡EPS-FB語音業(yè)務采用切換或重定向方案回落4G，語音結(jié)束后通過快速返回（fast return，F(xiàn)R）功能返回5G，策略與現(xiàn)網(wǎng)2.6 GHz網(wǎng)絡保持一致；2.6 GHz網(wǎng)絡覆蓋好時占用2.6 GHz，2.6 GHz網(wǎng)絡變差但700 MHz網(wǎng)絡覆蓋好時切換至700 MHz，沒有5G信號時可切換或重選4G網(wǎng)絡。

同時，還要積極引入載波聚合（carrier aggregation，CA）、補充上行（supplementary uplink，SUL）、智簡載波（smart carrier）和協(xié)作多點（coordinated multi point，CoMP）等增強技術[17]。其中，CA可應用于頻段內(nèi)兩載波（如2.6 GHz內(nèi)160 MHz雙載波）和頻段間雙載波（如700 MHz+2.6 GHz）場景[18]；SUL一般上行使用700 MHz+2.6 GHz兩載波、下行使用2.6 GHz頻段內(nèi)兩載波，可充分利用SUL上下行解耦優(yōu)勢提升網(wǎng)絡性能；智簡載波技術方案基于2.6 GHz頻段共160 MHz帶寬，通過40 MHz靈活共享實現(xiàn)雙100 MHz智簡載波，可提升60 MHz小區(qū)用戶體驗速率50%以上，而且可以通過交疊40 MHz資源動態(tài)調(diào)度，實現(xiàn)快速、高效的負載均衡，并減少由于負載均衡導致的信令開銷[19]；CoMP技術使用兩個小區(qū)協(xié)同服務于重疊覆蓋區(qū)域的用戶，下行同時發(fā)送數(shù)據(jù)、終端側(cè)合并，上行同時接收數(shù)據(jù)、基站側(cè)合并，通過小區(qū)間協(xié)同獲得合并增益并降低干擾，理論分析小區(qū)邊緣用戶速率可提升20%～30%或更多[20]。

4 結(jié)束語

4G時代受限于2.6 GHz頻段較高的特點，中國移動在4G城區(qū)深度覆蓋及農(nóng)村廣覆蓋方面不占優(yōu)勢。與中國廣電基于700 MHz頻段的5G網(wǎng)絡共建共享，將大大提升中國移動5G網(wǎng)絡建設進度，并大幅降低在城區(qū)室分建設及農(nóng)村廣覆蓋方面的投資和維護成本。與此同時，中國移動也需要加強700 MHz頻段與其他5G頻段的協(xié)同優(yōu)化，不斷引入新技術、新功能，才能持續(xù)提升5G網(wǎng)絡質(zhì)量，為5G新基建戰(zhàn)略增磚添瓦，在5G萬物互聯(lián)時代再立潮頭。

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Research on the application of 700 MHz frequency band in 5G network optimization

ZHANG Yejiang, SUN Lei, YIN Yiyan, YANG Xiaokang, HU Jian

China Mobile Communications Group Yunnan Co., Ltd., Kunming 650228, China

The 700 MHz frequency band has the advantages of low frequency, strong diffraction ability, and good coverage effect. China Mobile and China Radio and Television had made it clear that they would jointly build and share 5G networks based on 700 MHz frequency band resources. Firstly, the coverage advantages of 700 MHz frequency band were analyzed theoretically, and then the pilot projects such as 700 MHz 5G station continuous road coverage test, residential building coverage performance test and fixed-point capacity performance test provided data support for the subsequent 700 MHz 5G network construction and optimization. It could release the value of 700 MHz gold spectrum to the greatest extent and continuously improve the quality of 5G wireless network from the aspects of actively avoiding 700 MHz radio and television frequency interference, giving full play to the advantages of high and low frequency networking schemes, and actively exploring multi band collaborative optimization strategies.

700 MHz frequency band, 5G network, wireless interference, high and low frequency networking, collaborative optimization

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022083

2021?09?16；

2022?05?10

胡堅，hujian@yn.chinamobile.com

張葉江（1989? ），男，中國移動通信集團云南有限公司工程師，主要研究方向為4G/5G無線網(wǎng)絡優(yōu)化。

孫磊（1982? ），男，現(xiàn)就職于中國移動通信集團云南有限公司，主要研究方向為4G/5G無線網(wǎng)絡優(yōu)化。

尹以雁（1984?），男，現(xiàn)就職于中國移動通信集團云南有限公司，主要研究方向為4G/5G無線網(wǎng)絡優(yōu)化。

楊曉康（1976? ），男，現(xiàn)就職于中國移動通信集團云南有限公司，主要研究方向為4G/5G無線網(wǎng)絡優(yōu)化。

胡堅（1977?），男，中國移動通信集團云南有限公司高級工程師，主要研究方向為4G/5G無線網(wǎng)絡優(yōu)化。