5G 700 MHz覆蓋分析

高松

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

眾所周知，無線電波的物理特性是頻率越低，傳播損耗越小，覆蓋距離越遠(yuǎn)，而且繞射能力越強(qiáng)，建筑物室內(nèi)覆蓋效果越好。700 MHz 相比5G 中高頻段（如中國移動(dòng)2.6 GHz 及高頻毫米波），具有穿透力強(qiáng)、覆蓋范圍廣、傳輸損耗低等優(yōu)良特性，適合大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并且FDD 相比TDD 具有時(shí)延低、可增強(qiáng)上行、打造高低頻立體網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

隨著2020 年底三大運(yùn)營商SA 商用，5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到成熟運(yùn)營、快速發(fā)展用戶的新階段。中國移動(dòng)重點(diǎn)考慮網(wǎng)絡(luò)如何持續(xù)領(lǐng)跑，在5G 2.6 GHz 覆蓋基礎(chǔ)上如何進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)性能、降本增效等是網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展必然趨勢(shì)。如圖1 所示，目前中國廣電在700 MHz 上擁有整個(gè)100 MHz的帶寬頻譜資源，但由于歷史原因，700 MHz 頻譜由各地廣電申請(qǐng)分配使用，目前省內(nèi)各地市尚不統(tǒng)一。經(jīng)過工信部發(fā)文明確700 MHz 用于FDD 制式的移動(dòng)通信后，當(dāng)前中國廣電清頻后可用于5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的頻段為703—733 MHz/758—788 MHz。如圖2 所示，中國移動(dòng)將通過利用中國廣電的700 MHz 頻譜和中國廣電進(jìn)行共建共享，以實(shí)現(xiàn)中國移動(dòng)現(xiàn)有2G&3G&4G&5G 網(wǎng)絡(luò)+700 MHz 5G 網(wǎng)絡(luò)共存的全場景全方位無縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為客戶提供優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)新體驗(yàn)。

圖1 中國廣電700 MHz頻率情況

圖2 中國移動(dòng)5G NR現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及未來700 MHz相結(jié)合覆蓋示意圖

1 700 MHz目前面臨的干擾

700 MHz 5G 網(wǎng)絡(luò)要正常使用，至少需要清頻8 個(gè)廣播頻道才能保證正常的覆蓋需求，即DS-37/DS-38/DS-39/DS-40/DS-44/DS-45/DS-46/DS-47。同時(shí)考慮到700 MHz 頻率許可變更及中國廣電5G 網(wǎng)絡(luò)隔離度的要求，未來時(shí)間內(nèi)整個(gè)DS-36～DS-49 頻段一共14 個(gè)廣播頻道均需要清頻，如圖3 所示：

圖3 700 MHz清頻涉及廣播頻道示意圖

結(jié)合當(dāng)前全國各地掃頻情況來看，中國廣電各地頻率占用情況不一，但均對(duì)700 MHz 頻段造成強(qiáng)干擾，干擾信號(hào)主要為8 MHz 帶寬的廣播，其他為毛刺類脈沖信號(hào)。實(shí)測700 MHz 干擾將顯著降低拉網(wǎng)速率，甚至導(dǎo)致接入失敗。

2 3GPP 700 MHz頻段分配說明

3GPP 協(xié)議將700 MHz 頻段定義為N28，目前支持30 MHz 帶寬，采用FDD 結(jié)構(gòu)，子載波間隔為15 kHz。FDD DL/UL Subframe 頻域上互相隔離，同時(shí)上傳和下載數(shù)據(jù)，上下行均為5 ms 幀結(jié)構(gòu)。FDD 沒有上下行子幀切換的問題，更適合低時(shí)延保障，一個(gè)無線幀10 ms，包含10 個(gè)1 ms 的子幀。目前在30 MHz 帶寬下，1T2R 終端下行理論峰值速率340 Mbps，上行峰值速率170 Mbps。

表1 為700MHz 頻段5G 標(biāo)準(zhǔn)定義示意圖：

表1 700MHz頻段5G標(biāo)準(zhǔn)定義示意圖

3 700 MHz理論覆蓋距離分析

鏈路預(yù)算：如圖4 所示，給定邊緣用戶吞吐率要求，通過鏈路預(yù)算得到最大允許路徑損耗（MAPL,Maximum Allowable Path Loss），再結(jié)合傳播模型計(jì)算得到小區(qū)覆蓋范圍。

圖4 鏈路預(yù)算MAPL計(jì)算示意圖

最大允許路損反映的是終端邊緣覆蓋信號(hào)電平下允許的最大損耗，包含穿透損耗、衰落、自由空間傳播等損耗，可以通過確定損耗值反推出覆蓋距離。

3.1 典型損耗比較

如圖5 所示，穿透損耗與建筑物等的材質(zhì)有很大關(guān)系。以混凝土建筑為例，700 MHz 頻段相比5G 中高頻段，具有穿透力強(qiáng)、覆蓋范圍廣、傳輸損耗低等優(yōu)良特性，在穿損上，700 MHz 相對(duì)其他頻段均有較大優(yōu)勢(shì)，可以較大程度地提升5G 深度覆蓋。

圖5 不同頻段混凝土穿損

如圖6 所示，自由空間的傳播損耗上，700 MHz 也有較大的優(yōu)勢(shì)，在無遮擋的空曠區(qū)域，700 MHz 相對(duì)其他頻段覆蓋更遠(yuǎn)，需要站點(diǎn)數(shù)更少。

圖6 700 MHz與其他頻段穿損對(duì)比圖

3.2 700 MHz與其它頻段參數(shù)對(duì)比分析

5G 700 MHz 與4G/5G 結(jié)構(gòu)參數(shù)方面存在較多共同點(diǎn)，主要差異在帶寬、終端天線配置及基站天線配置方面，如表2 所示。

如表3 所示，站間距為1 000 m 場景下，對(duì)比理論狀態(tài)下700 MHz 與4G/5G 其他頻段覆蓋速率差異，700 MHz在帶寬不占優(yōu)勢(shì)的情況下，在弱場環(huán)境下上行邊緣速率均要占優(yōu)。

表2 700 MHz與其他頻段參數(shù)差異對(duì)比

3.3 鏈路預(yù)算參數(shù)設(shè)置

上行速率5 Mbps，滿足1 080P 上網(wǎng)體驗(yàn)；上行速率3 Mbps，可滿足用戶720P 上網(wǎng)體驗(yàn)。農(nóng)村建議滿足行政村VONR 業(yè)務(wù)。按照上行3 Mbps 和上行5 Mbps 覆蓋半徑，評(píng)估RSRP 需求，參考如表4：

表4 700 MHz鏈路預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)建議值

以典型場景為例，綜合考慮覆蓋區(qū)域的不同建筑穿透損耗，以及5G eMBB 場景不同頻段上行參數(shù)設(shè)置差異，可以看到表5 中NR 700 MHz 的優(yōu)勢(shì)明顯，穿透損耗小、無線傳播損耗小，NR 700 MHz 比NR 2.6 GHz 增益10.6 dB，相比NR 3.5 GHz 增益14.2 dB。

3.4 傳播模型選擇

5G NR 協(xié)議38.901、36.873 中提到了UMi（Urban Micro）、Uma（Urban Macro）和RMa（Rural Macro）三種無線傳播模型，其中UMi 適用于微站場景，宏站鏈路預(yù)算使用的是UMa 和RMa。為了對(duì)比覆蓋距離，所有頻段均使用UMa 模型。

模型的傳播損耗表達(dá)式分為LOS 和NLOS 兩種場景，鏈路預(yù)算方面，本文主要關(guān)注NLOS 場景。UMa 的路損表達(dá)式如式(1)。

表3 700 MHz與其他頻段理論速率對(duì)比

表5 不同頻段鏈路預(yù)算主要參數(shù)設(shè)置

RMa 的路損表達(dá)式為：

當(dāng)hUT=1.5 m 時(shí)，UMa 和RMa 的路損表達(dá)式是完全一樣的。

其中：

h為平均建筑物高度，5 m＜h＜50 m，UMa 典型取值20 m，RMa 典型取值5 m；

W為街道寬度（平均建筑物距離），5 m＜W＜50 m，典型取值20 m；

HBS為基站高度，10 m＜hBS＜150 m，UMa 典型取值25 m，RMa 典型取值35 m；

hUT為終端高度，UMa 中1.5 m＜hUT＜22.5 m，RMa中1.5 m＜hBS＜10 m，典型取值1.5 m；

fc是中心頻率，單位為GHz，UMa 的頻率適用范圍為0.5～100 GHz。

d2D和d3D的示意圖如圖7 所示，兩者分別是直角三角形的直角邊和斜邊：

在算得最大允許路徑損耗MAPL 之后，通過傳模公式計(jì)算d3D，再通過上述公式計(jì)算d2D。在以往的2G/3G/4G 鏈路預(yù)算中，傳模損耗公式中的傳播距離d通常直接認(rèn)為是基站到終端的距離，不做d2D和d3D的區(qū)分。

按照典型取值，UMa 25 m 天線掛高，建筑物高度=街道寬度=40 m，密集城區(qū)公式簡化為：

RMa 35 m 天線掛高，建筑物高度=20 m，街道寬度=25 m，一般城區(qū)公式簡化為：

3.5 700 MHz頻段覆蓋半徑（鏈路預(yù)算結(jié)果）

以密集城區(qū)-核心城區(qū)、密集城區(qū)-一般城區(qū)為例，分別計(jì)算了700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz 頻段理論覆蓋半徑，通過覆蓋半徑可以估算出700 MHz 相對(duì)于2.6 GHz 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)模比例。經(jīng)計(jì)算得出核心城區(qū)700 MHz 與2.6 GHz 站點(diǎn)建設(shè)規(guī)模比為1:3.4，可見700 MHz 頻段覆蓋優(yōu)勢(shì)非常明顯，可以節(jié)約投資，非常適合城市深度覆蓋及農(nóng)村廣覆蓋場景。

（1）密集城區(qū)-核心城區(qū)覆蓋分析

密集城區(qū)核心區(qū)域，按照UL 3 Mbps/DL 40 Mbps 和RSRP-91 dBm 做鏈路預(yù)算，不同頻段的鏈路預(yù)算結(jié)果，如圖8、表6 所示。

圖7 d2D和d3D示意圖

圖8 密集城區(qū)核心區(qū)域鏈路預(yù)算結(jié)果

參照當(dāng)前2.6 GHz/3.5 GHz NR 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃指標(biāo)及站間距，結(jié)合700 MHz 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目標(biāo)以及鏈路預(yù)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)站點(diǎn)比例如表7 所示。

（2）密集城區(qū)-一般區(qū)域覆蓋分析

密集城區(qū)一般區(qū)域，按照UL 3 Mbps/DL 40 Mbps 和RSRP-94 dBm 做鏈路預(yù)算，不同頻段的鏈路預(yù)算如圖9、表8 所示。

參照當(dāng)前2.6 GHz/3.5 GHz NR 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃指標(biāo)及站間距，結(jié)合700 MHz 設(shè)計(jì)目標(biāo)以及鏈路預(yù)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)站點(diǎn)比例如表9 所示。

4 700 MHz覆蓋能力相關(guān)驗(yàn)證測試

為驗(yàn)證700 MHz 覆蓋能力情況，從單站、深度覆蓋、道路遍歷測試3 個(gè)維度闡述說明實(shí)際測試情況。如圖10所示，在實(shí)際的站點(diǎn)規(guī)劃中，700 MHz 要同時(shí)兼顧室內(nèi)深度覆蓋，站間距的規(guī)劃小于鏈路預(yù)算的站間距。如圖11 所示，相同邊緣速率情況下，實(shí)測電平值高于鏈路預(yù)算所要求的電平值，更能體現(xiàn)出700 MHz 在深度覆蓋方面的優(yōu)勢(shì)。

表6 密集城區(qū)核心城區(qū)鏈路預(yù)算結(jié)果（覆蓋半徑） m

表7 密集城區(qū)核心區(qū)域不同設(shè)備規(guī)模對(duì)比

圖9 密集城區(qū)一般區(qū)域鏈路預(yù)算結(jié)果

表8 密集城區(qū)一般區(qū)域鏈路預(yù)算結(jié)果（覆蓋半徑） m

表9 密集城區(qū)一般區(qū)域不同設(shè)備規(guī)模對(duì)比

圖10 鏈路預(yù)算&實(shí)際測試站間距對(duì)比

圖11 鏈路預(yù)算&實(shí)際測試電平對(duì)比

4.1 700 MHz單站能力測試

選取某700 MHz 小區(qū)進(jìn)行測試，帶寬配置為30 MHz，使用Mate30 Pro 手機(jī)選取好中差點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)上傳下載速率測試，峰值下載速率327 Mbps、峰值上傳速率139 Mbps，測試結(jié)果如表10、圖12 所示：

表10 700 MHz單站能力測試

圖12 單站峰值能力測試結(jié)果

4.2 700 MHz深度覆蓋能力測試

選取市區(qū)某站點(diǎn)對(duì)室內(nèi)一樓定點(diǎn)深度覆蓋測試，3 個(gè)小區(qū)覆蓋方向主要為中低層住宅，3 個(gè)小區(qū)基礎(chǔ)信息如表11 所示：

表11 測試站點(diǎn)工參信息

3 個(gè)小區(qū)測試環(huán)境示意圖如圖13 所示：

圖13 測試環(huán)境示意圖

各樓宇1 層與地下室距離基站距離與RSRP 分布圖如圖14 所示。

從圖12 可以看出：

（1）中低層一樓室內(nèi)定點(diǎn)測試RSRP 隨樓宇與基站距離的拉遠(yuǎn)逐漸衰減，距離基站400～500 m 范圍內(nèi)樓宇一樓室內(nèi)RSRP 在-100～-120 dBm 區(qū)間內(nèi)，覆蓋基站距離大于500 m 時(shí)，樓宇室內(nèi)一樓無覆蓋；

（2）地下室室內(nèi)定點(diǎn)測試，距離基站距離小于350 m時(shí)RSRP在-100～-120 dBm之間波動(dòng)，距離基站大于400 m時(shí)，樓宇地下室無覆蓋。

圖14 各樓宇1層與地下室距離基站距離與RSRP分布圖

4.3 700 MHz道路遍歷測試

覆蓋對(duì)比測試以700 MHz 站點(diǎn)分布為中心，在一個(gè)連片的主城區(qū)內(nèi)，700 MHz/800 MHz/FDD 1 800 MHz/2.6 GHz遍歷性測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表12 所示。

各頻段RSRP 與SINR 軌跡如表13 所示。

表12 遍歷數(shù)據(jù)對(duì)比

表13 RSRP與SINR軌跡數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)束語

700 MHz 具有覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)傳播損耗低，能有效提升室內(nèi)深度覆蓋。采用上下行雙通道的頻分FDD 模式天然具有網(wǎng)絡(luò)時(shí)延低的優(yōu)勢(shì)，多普勒頻偏小，移動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定好。5G 時(shí)代，中國移動(dòng)與中國廣電在“黃金頻段”700 MHz 的建設(shè)合作，不僅有利于中國移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)的多層組網(wǎng)、立體覆蓋、降本增效，而且可幫助中國迅速建成覆蓋全國的5G 網(wǎng)絡(luò)。