700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)性能分析與建設(shè)方案建議

范培全，魏愛玲，張冬晨，李行政

（1.中國移動通信集團(tuán)新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 844900；2.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

0 引言

目前中國移動5G 網(wǎng)絡(luò)主要使用2.6 GHz 和4.9 GHz 頻段，由于頻率高、穿透損耗大，直接與4G 宏基站共址建設(shè)時，在密集城區(qū)將可能存在大量弱覆蓋或無覆蓋區(qū)域。同時，對于農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等場景，因為上述兩個頻段頻率較高、傳播損耗較大，必須建設(shè)大量5G 基站才能實現(xiàn)廣域連續(xù)覆蓋[1-2]。

2021 年年初，中國移動與中國廣電在北京簽署“5G 戰(zhàn)略”合作協(xié)議，拉開了5G 700 MHz 網(wǎng)絡(luò)共建共享的序幕。700 MHz 頻段具有傳播損耗低、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)勢，可以大幅降低5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，有助于快速建設(shè)一張廣覆蓋5G 網(wǎng)絡(luò)[3-5]。充分發(fā)揮700 MHz 低頻段的覆蓋優(yōu)勢及2.6 GHz/4.9 GHz高頻段的大帶寬優(yōu)勢，采用“700 MHz+2.6 GHz+4.9 GHz”的5G 融合組網(wǎng)方案，是提升中國移動5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋與容量的有效手段。但是，國內(nèi)對700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)性能指標(biāo)還處于理論分析與計算機(jī)仿真階段，缺少實測數(shù)據(jù)，亟須組織外場測試驗證指導(dǎo)多頻段融合組網(wǎng)建設(shè)工作。因此，本文首先開展700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求分析，而后制定詳細(xì)的測試用例對700 MHz頻段的廣域覆蓋、上下行峰值速率、穿透性能等進(jìn)行測試驗證，最后基于測試結(jié)果探討中國移動5G 基站部署方案與700 MHz 天線配置建議。

1 700 MHz 頻段5G 建設(shè)需求

5G 技術(shù)是移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的重要載體，將廣泛應(yīng)用于智慧家庭、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、工業(yè)制造等領(lǐng)域。依據(jù)市場研究公司ABI Research 發(fā)布的報告，4G 時代80%的流量發(fā)生在室內(nèi)，因此在5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)階段要充分考慮室內(nèi)應(yīng)用需求，在室內(nèi)場景達(dá)到高速率、低時延、高可靠的目標(biāo)。在某地?zé)狳c區(qū)域開展MR（measurement report）覆蓋統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)僅使用2.6 GHz 頻段與4G 共站址建設(shè)5G 基站時，該地區(qū)MR 覆蓋電平低于－95 dBm 的采樣點占比高于10%，這將會導(dǎo)致部分5G 終端的業(yè)務(wù)仍由4G 網(wǎng)絡(luò)承載，嚴(yán)重影響5G 用戶感知。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，由于2.6 GHz 頻段頻率較高，單獨(dú)通過2.6 GHz 頻段5G 宏基站很難實現(xiàn)較好的室內(nèi)深度覆蓋，而大規(guī)模建設(shè)5G 室內(nèi)分布式系統(tǒng)投資高、物業(yè)協(xié)調(diào)難度大。因此，為實現(xiàn)5G 獨(dú)立組網(wǎng)的建設(shè)需求，應(yīng)當(dāng)重點提升宏蜂窩基站覆蓋能力，實現(xiàn)室內(nèi)深度覆蓋。

另一方面，對廣大農(nóng)村區(qū)域，通過傳播模型定量分析發(fā)現(xiàn)，為達(dá)到與900 MHz 頻段4G 網(wǎng)絡(luò)相同的覆蓋能力，農(nóng)村地區(qū)需要增加數(shù)倍2.6 GHz頻段5G 基站，而農(nóng)村區(qū)域投資收益率低，進(jìn)行大規(guī)模5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本將無法收回。因此，如果沒有低頻段用于農(nóng)村區(qū)域5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，運(yùn)營商農(nóng)村區(qū)域5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)進(jìn)度將大大減緩，從而農(nóng)村與城市間的“數(shù)字鴻溝”進(jìn)一步拉大。

結(jié)合上述分析可知，為滿足5G 網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋和農(nóng)村廣域覆蓋需求，引入低頻段的混合組網(wǎng)策略是5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的最佳選擇。在多方的努力下，中國移動已經(jīng)與中國廣電簽署5G 共建共享合作框架協(xié)議，基于“平等自愿，共建共享，合作共贏，優(yōu)勢互補(bǔ)”的總體原則，開展5G 共建共享以及內(nèi)容和平臺合作[6]。

2 700 MHz 頻段5G 性能測試

2.1 700 MHz 覆蓋性能

700 MHz 的廣域覆蓋性能是制定宏基站組網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)方案的關(guān)鍵，本文采用拉遠(yuǎn)測試的方法對典型廣域場景5G 700 MHz 基站的覆蓋能力進(jìn)行研究。基站配置基本參數(shù)如圖1 所示，測試場景為空曠環(huán)境，周邊無高層建筑遮擋。

在圖1 典型參數(shù)配置下的實測數(shù)據(jù)顯示，信號覆蓋強(qiáng)度隨測試線路的遠(yuǎn)離而衰減，在RSRP（reference signal receiving power）為－110 dBm 時，700 MHz 頻段的拉遠(yuǎn)測試距離達(dá)到了7.1 km，邊緣下載速率為30.3 Mbit/s，邊緣上傳速率為5.2 Mbit/s，廣域覆蓋距離遠(yuǎn)高于2.6 GHz 頻段。

圖1 基站配置基本參數(shù)

為了更好地指導(dǎo)700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作，本文進(jìn)一步對不同掛高、功率和加擾的700 MHz 頻段5G 覆蓋能力進(jìn)行詳細(xì)測試與對比分析，其中，天線高度選擇48 m /30 m 兩種掛高，發(fā)射功率選擇240 W/160 W 兩種配置，下行加擾方式選擇空擾/50%加擾兩種場景。

在上行邊緣速率為3 Mbit/s 時，對應(yīng)的覆蓋距離和下行速率對比結(jié)果如圖2 所示。在天線高度方面，48 m 掛高較30 m 掛高覆蓋距離增長2 153 m，但下行速率無明顯增益；在抗干擾方面，加擾50%與無加擾相比，覆蓋距離和速率都有下降明顯，覆蓋距離收縮841 m、下行速率降低約46.9%；小區(qū)功率設(shè)置240 W 時覆蓋距離7 815 m，較功率設(shè)置160 W 時覆蓋距離增長1 605 m。通過實測數(shù)據(jù)分析可以看出，700 MHz 廣域覆蓋能力較強(qiáng)，但干擾因素對700 MHz 性能影響較大，因此在700 MHz 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時，應(yīng)重點關(guān)注其超遠(yuǎn)覆蓋帶來的網(wǎng)內(nèi)同頻干擾問題，盡量降低網(wǎng)內(nèi)干擾對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

圖2 不同場景下覆蓋距離和下行速率對比結(jié)果

2.2 700 MHz 峰值速率

700 MHz 頻段上下行峰值速率是支撐網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃的關(guān)鍵。本文在某地市選擇無電磁環(huán)境干擾區(qū)域建設(shè)5G 實驗站點開展峰值速率測試研究，主測小區(qū)的天線掛高、方位角、下傾角、功率等參數(shù)配置見表1。

表1 峰值速率測試站點配置情況

根據(jù)理論分析，在700 MHz 頻段小區(qū)采用2×30 MHz 帶寬、4T4R 天線配置時，單用戶上、下行峰值速率分別為179 Mbit/s 和348 Mbit/s，實際測試700 MHz 頻段5G小區(qū)的單用戶下行峰值速率可達(dá)340 Mbit/s，上行峰值速率可達(dá)174 Mbit/s，實測結(jié)果略小于理論計算值，符合研究預(yù)期。同時，本文對2×20 MHz 頻率配置時的上下行峰值速率進(jìn)行了測試分析，實測結(jié)果顯示在2×20 MHz 帶寬配置的下行峰值速率可達(dá)220 Mbit/s，上行峰值速率可達(dá)117 Mbit/s，相比2×30 MHz 帶寬配置均下降35%左右，但與上下行理論峰值速率119 Mbit/s、232 Mbit/s 相比基本相符，具體上下行峰值速率測試結(jié)果見表2。

表2 峰值速率測試結(jié)果

通過峰值速率測試分析可以看出，相比于4G 網(wǎng)絡(luò)，700 MHz 5G 網(wǎng)絡(luò)采用2×20 MHz 或2×30 MHz 帶寬配置均能獲得較好的上下行峰值速率，可以為用戶提供更好的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗。但是，700 MHz 帶寬較窄，相比2.6 GHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)下行峰值速率劣勢明顯（與2.6 GHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)的下行峰值速率實測值相比下降60%以上），因此在用戶密集的高業(yè)務(wù)量區(qū)域建議使用2.6 GHz 頻段進(jìn)行容量層的連續(xù)覆蓋。另外，700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)采用頻分雙工（frequency division duplexing，F(xiàn)DD）制式，與2.6 GHz 頻段的TDD 制式相比，上行為全時隙傳輸，可應(yīng)用于上行大帶寬傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)場景。

2.3 700 MHz 穿透能力

700 MHz 頻段良好的穿透能力有望為5G 網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)深度覆蓋提供切實可行的解決方案。本文穿透能力測試選擇距離主測小區(qū)200 m 的4 層矮樓，該樓一般墻體厚度約為20 cm，且樓內(nèi)包括其他材質(zhì)的墻體與門窗，方便進(jìn)行多場景穿透性能對比測試，穿透能力測試環(huán)境示意圖如圖3 所示。

圖3 穿透能力測試環(huán)境示意圖

為了保證測試結(jié)果能有效指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的部署與建設(shè)，不同頻段的穿透能力測試在同等條件進(jìn)行。在圖3 中A、B、C、D 點分別進(jìn)行穿透能力測試，經(jīng)過多輪次、多點位測試，統(tǒng)計均值顯示700 MHz頻段墻體損耗約為9.5 dB，且相比其他頻段穿透性能優(yōu)勢明顯：700 MHz 頻段相比1.8 GHz 穿透損耗低約4.2 dB，相比2.6 GHz 頻段穿透損耗低約7 dB，相比3.5 GHz 頻段穿透損耗低10.5 dB。不同頻段墻體穿透損耗如圖4 所示。

圖4 不同頻段墻體穿透損耗

除一般墻體穿透損耗測試外，本文用700 MHz、1.8 GHz、2.6 GHz 頻段信號對不同材質(zhì)門窗、墻體的穿透損耗進(jìn)行了測試對比分析，具體結(jié)果見表3。分析發(fā)現(xiàn)，700 MHz 頻段對不同墻體、不同材質(zhì)門窗的穿透損耗相比于2.6 GHz 頻段至少有3 dB 以上的增益，而在防盜門、防火門、地下通道等場景穿透損耗優(yōu)勢更為明顯，有近10 dB 的增益。

表3 不同墻體、門穿透損耗（單位為dB）

考慮后續(xù)中國移動700 MHz 頻段5G 基站的建設(shè)將主要依托于目前900 MHz 頻段4G 基站，本文分別選擇別墅群、低層樓宇、自建房等區(qū)域開展700 MHz 頻段與900 MHz 頻段的穿透損耗對比測試。穿透能力對比如圖5 所示。分析結(jié)果看出，相比于900 MHz 頻段，700 MHz 頻段的穿透性能在以上3 種場景均有3 dB 以上的優(yōu)勢，如在底層樓宇場景700 MHz 頻段的穿透損耗為9.09 dB，而900 MHz頻段的穿透損耗為12.81 dB。

圖5 700 MHz 頻段與900 MHz 頻段穿透能力對比

對700 MHz 頻段穿透能力測試與分析發(fā)現(xiàn)，其相比2.6 GHz 頻段穿透性能優(yōu)勢十分明顯，非常適用于密集城區(qū)、一般城區(qū)、農(nóng)村等區(qū)域的室內(nèi)深度覆蓋場景。同時，在后續(xù)700 MHz 頻段的建設(shè)過程中，可基于目前已有的900 MHz 頻段4G 站點快速建設(shè)一張連續(xù)、滿足室內(nèi)深度覆蓋要求的5G 網(wǎng)絡(luò)，從而保障用戶基礎(chǔ)5G 服務(wù)或VoNR 服務(wù)。

2.4 700 MHz 頻段VoNR 業(yè)務(wù)能力

700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋與深度覆蓋優(yōu)勢將有力促進(jìn)VoNR 業(yè)務(wù)的商用進(jìn)程，為了支撐700 MHz 頻段面向VoNR 業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作，本文對700 MHz 頻段VoNR 業(yè)務(wù)呼叫發(fā)起門限（起呼門限）開展測試研究。

在測試過程中，兩部手機(jī)分別安放在700 MHz頻段5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋邊緣區(qū)域和覆蓋中心區(qū)域，覆蓋邊緣區(qū)域的終端通過VoNR撥打中心區(qū)域的VoNR終端，研究撥打的VoNR 成功率為100%和95%對應(yīng)的RSRP 和SINR 門限值，測試結(jié)果見表4。

表4 不同接通率條件下VoNR 起呼門限

從測試結(jié)果可以看出，VoNR 業(yè)務(wù)接通率95%對應(yīng)的RSRP 值為-114.7 dBm，對應(yīng)的SINR 為0.49 dB；相比之下VoNR 業(yè)務(wù)接通率100%對應(yīng)的RSRP 值為-110.94 dBm，對應(yīng)的SINR 為0.02 dB；而在RSRP 值為-118 dBm 且SINR 為0.13 dB 時，VoNR 業(yè)務(wù)的接通率下降至0%。

基于以上測試結(jié)果，在5G 網(wǎng)絡(luò)700 MHz 頻段覆蓋良好區(qū)域語音建議采用VoNR，而當(dāng)起呼成功率低于95%時設(shè)置禁止VoNR 起呼，通過EPS FB（evolved packet system fallback）回落至4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行VoLTE，因此建議終端用700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)時，當(dāng)RSRP小于-114 dBm時禁止VoNR起呼，通過EPS回落4G 發(fā)起VoLTE 業(yè)務(wù)，從而保障語音業(yè)務(wù)質(zhì)量。

3 700 MHz 頻段組網(wǎng)與建設(shè)方案建議

700 MHz 頻段的引入為解決現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋和深度覆蓋能力不足的問題提供了頻率基礎(chǔ)[7]。本文基于700 MHz 頻段測試結(jié)論和2.6 GHz及4.9 GHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)特點，對700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和建設(shè)方案提出建議。

3.1 700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)定位

對于城區(qū)、縣城或重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域，用戶相對集中對數(shù)據(jù)速率及VoNR 服務(wù)均有較高的質(zhì)量要求，因此需要在保證連續(xù)覆蓋和深度覆蓋的基礎(chǔ)上，提供大容量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)?；谝陨峡紤]，建議在上述場景實現(xiàn)700 MHz 和2.6 GHz 頻段5G 小區(qū)的連續(xù)覆蓋，700 MHz 作為底層網(wǎng)絡(luò)提供廣覆蓋能力并保障VoNR 業(yè)務(wù)質(zhì)量，2.6 GHz 頻段用于提供大容量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，4.9 GHz 頻段則按需進(jìn)行城市熱點區(qū)域容量補(bǔ)充或垂直行業(yè)5G 專網(wǎng)建設(shè)。對于地域廣闊的農(nóng)村區(qū)域，建議700 MHz 頻段在用戶集中的區(qū)域提供連續(xù)覆蓋及深度覆蓋能力，2.6 GHz 頻段根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展情況僅在熱點區(qū)域進(jìn)行建設(shè)，4.9 GHz頻段只針對垂直行業(yè)應(yīng)用區(qū)域進(jìn)行5G 專網(wǎng)建設(shè)。5G 多頻組網(wǎng)覆蓋如圖6 所示。

圖6 5G 多頻組網(wǎng)覆蓋

3.2 700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)建站建議

基于700 MHz 頻段在5G 多頻組網(wǎng)中的定位，在建設(shè)初期，合理配置天線掛高、方位角、下傾角[8-9]，最大化保證700 MHz 網(wǎng)絡(luò)效率，保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋結(jié)構(gòu)、控制網(wǎng)絡(luò)干擾的重要途徑。本文基于測試結(jié)果及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)優(yōu)化經(jīng)驗，提出700 MHz 頻段5G 網(wǎng)絡(luò)天饋建設(shè)建議。

· 天線掛高：縣城和城區(qū)天線掛高應(yīng)高于周圍建筑平均高度3 m 以上，建議掛高在28～35 m；農(nóng)村區(qū)域天線掛高建議在38 m以上，需要局部重點保障覆蓋的區(qū)域可采用拉遠(yuǎn)方式。

· 天線方向角：方位角根據(jù)業(yè)務(wù)量分布情況做調(diào)整，主覆蓋方向、信號好點在用戶最密集的區(qū)域，原則上道路通過天線旁瓣覆蓋。

· 天線下傾角：農(nóng)村場景傾角0o～2o，城市場景傾角2o～5o，在進(jìn)行覆蓋或干擾優(yōu)化控制時，優(yōu)先進(jìn)行天線電子傾角調(diào)整，電子傾角不滿足需求后才調(diào)整機(jī)械傾角。

4 結(jié)束語

為了更好地促進(jìn)5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展，本文對700 MHz 頻段應(yīng)用于5G 網(wǎng)絡(luò)的需求進(jìn)行分析，并對700 MHz 頻段的覆蓋性能、穿透性能、峰值速率、VoNR 能力等開展了詳細(xì)的測試分析工作，充分證明700 MHz 頻段可有效解決當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)面臨的農(nóng)村廣域覆蓋和城市深度覆蓋能力不足的問題?；跍y試結(jié)果，本文對中國移動700 MHz頻段5G 網(wǎng)絡(luò)功能定位與組網(wǎng)方案進(jìn)行探討，指導(dǎo)700 MHz 頻段5G 基站的建設(shè)與天線配置。