基于4.9 GHz 频段的5G 专网覆盖和容量能力研究

2021-06-10陈锦浩

广东通信技术 2021年5期

［陈锦浩］

1 引言

2018年12月，工信部发放了三大运营商全国范围内的5G 中低频段试验频率，中国移动获得2 515～2 675 MHz、4 800～4 900 MHz 频段的5G 试验频率资源。2020 年1月，工信部向中国广电颁发了4.9 GHz 频段的5G 试验频率使用许可。2020 年5 月中国移动宣布与中国广电已签署5G 共建共享合作框架协议。且工信部规定了3 300～3 400 MHz 频段限室内使用，目前由中国电信、中国联通和中国广电共享。

相比于国内2.6 GHz 和3.5 GHz 5G 频段，4.9 GHz频段虽然频段更高，但对于赋能千行百业的5G 专网而言，基于4.9 GHz 频段的5G 专网在避免同频交叉时隙干扰及面向上行大带宽业务能力方面更具优势。对基于4.9 GHz频段的5G 专网的室外及室内覆盖能力、上下行容量能力进行了分析，得出国内中国移动和中国广电基于4.9 GHz部署5G 专网的建议，为国内5G 专网建设提供参考。

2 基于4.9 GHz 频段的5G 专网能力

2.1 室外基站覆盖能力

以3.5 GHz 频段为例，5G NR 室外覆盖场景为O2I（Outdoor to Indoor），对应3GPP TR 36.873[1]的NLOS（非视距）路损模型，对上行边缘速率要求为1 Mbit/s 的链路预算的各个参数取值以及路径损耗计算结果如表1 所示。

在系统参数配置相同以及相同建站条件下，可类似计算出2.6 GHz 和4.9 GHz NR 的NLOS 路径损耗如表2所示。

比较表1 和表2 可知，在系统参数配置相同以及相同建站条件下，5G 不同频段的路径损耗差异只因穿透损耗差异导致。

表1 3.5 GHz NR 室外覆盖链路预算中各个参数的取定方法表

表2 2.6 GHz 和4.9 GHz NR 的NLOS 路径损耗结果

5G 专网部署场景一般可参照普通城区和郊区，在这两个场景分别采用3GPP TR 36.873[1]的3D-Uma 及3D-RMa 路损模型，在NLOS（非视距）情况下可以计算出4.9 GHz、3.5 GHz、2.6 GHz 覆盖能力如表3 所示。

表3 5G NR 在4.9 GHz、3.5 GHz、2.6 GHz 的覆盖能力

可见，4.9 GHz NR 单站覆盖面积是3.5 GHz 基站的一半左右、约是2.6 GHz 基站的1/5。因此4.9 GHz NR基站更适合于为满足高数据速率要求而密集组网的专网场景，在对数据速率要求不高的专网场景，可以因地制宜适当提高建站高度来同时满足覆盖和容量的要求、并节省专网建设成本。

2.2 室内覆盖能力

在室内覆盖中，不同频段用于不同制式网络的覆盖能力差异主要是自由空间传播损耗、建筑物穿透损耗和馈线损耗。

由于传统室分系统存在无源器件不支持3.35 GHz 和4.9 GHz频段、1/2 和7/8馈线在3.35 GHz 和4.9 GHz频段损耗大幅增加、难以满足高数据流量增长需求等问题，因此数字化室分是5G 室分建设的主流趋势。数字化室分信源可看作是发射功率较低的基站设备，因此可以类似室外覆盖的链路预算来计算室内覆盖半径。

计算5G NR 在2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 室内覆盖能力时，室内传播模型可采用3GPP TR 36.873[1]的室内路损模型3D-InH，在NLOS（非视距）情况下模型公式为：

式（1）中，d3D是收发天线的间距，单位为m；fc是工作频率，单位是GHz。

该模型已经包含了不同频段的空间损耗（与频率相关）和穿透损耗的差异。

数字化室分不需考虑馈线损耗，因此我们在计算时只需分析建筑物穿透损耗。

（1）建筑物穿透损耗

根据3GPP TR 38.901[2]，不同材料的建筑物穿透损耗计算公式如表4 所示。

表4 材料穿透损耗

可计算出穿透损耗相对较大的混凝土在2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 的穿透损耗值分别是15.4 dB、18.4 dB、24.6 dB。

（2）室内覆盖半径计算结果（穿透1 堵混凝土墙）

基于：室分信源基站pRRU 高度为3 m，4T4R pRRU 发射功率为1 000 mW（30 dBm），室分信源4T4R 内置天线增益5 dB，2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz的穿透损耗值分别是15.4 dB、18.4 dB、24.6 dB，其余链路预算参数类似表1 取定，则可以计算出2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 频段NR 单个pRRU 的室内覆盖能力如表5 所示。

表5 2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz频段NR 室内覆盖能力（穿透1 堵混凝土墙）

可见：

①同样基于穿透1 堵混凝土墙的情况下，数字化室分中4.9 GHz 频段单pRRU 室内覆盖半径是3.35 GHz 频段的61%、是2.6 GHz 频段的46%；4.9 GHz 频段单pRRU室内覆盖面积是3.35 GHz 频段的37%、是2.6 GHz频段的21%。

② 目前国内运营商室分pRRU 间距在非空旷场景一般为10～35 m，根据表5，5G专网室分系统建设采用4.9 GHz频段时pRRU 覆盖半径完全可以满足这些场景的要求。

（3）其余室内场景覆盖能力

①在空旷区域，可视为穿透损耗为0，类似上述计算过程，可算出2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 频段pRRU 的下行覆盖半径分别为185 m、164 m、138 m，目前国内运营商室分pRRU 间距在空旷场景一般不超过100 m，可见4.9 GHz 频段数字化室分在空旷场景也满足覆盖要求。

② 在表4 中的其余隔断材料建筑环境下，根据表4公式计算可知，2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 频段的穿透损耗差异甚小，且可计算得出4.9 GHz 频段的红外反射玻璃和混凝土的穿透损耗值基本相当，可知两种材料下的覆盖半径亦基本相同。可见4.9 GHz 频段数字化室分的也能满足这些场景的要求。

2.3 容量能力

（1）上下行峰值速率

根据3GPP TS 38.306[3]协议，NR 单频段、载波聚合情况下的下行和上行的最大数据速率可由下式计算：

其中：

J：是一个频段或频段组合中的聚合载波的数目

Rmax=948/1024，Rmax 为最大编码率，5G NR 数据信道编码采用LDPC 码，LDPC 的最大编码率为948/1024

[0.14]，5G 低频下行

[0.18]，5G 高频下行

[0.08]，5G 低频上行

[0.10]，5G 高频上行

根据公式（2），5G 系统容量只和RB 数、MIMO 流数、调制方式等有关，和所在频段高低无直接关系。

目前5G 主流时隙配比为8D2U 和7D3U 等，厂家设备基站的下行MIMO 流数可以做到最高可达16 流、甚至24 流。以8D2U 为例，子载波间隔为30 kHz（对应的为1）、上下行时隙配比为1:4、下行最高采用256QAM/上行最高采用64 QAM、3GPP 目前协议规定了5G UE 终端是2T4R，可以计算出5G 基站下行峰值数据速率、UE接收峰值数据速率、上行峰值速率分别如表6 所示。

表6 5G 基站下行峰值数据速率、UE 接收峰值数据速率、上行峰值速率计算结果

（2）5G 专网上行大带宽需求及计算

在5G 专网应用的场景中，很多场景需要上行高速率传送数据。以工业互联网为例，在《5G 与工业互联网融合应用发展白皮书》[5]的八大场景中，较多场景需要上行数据速率几十Mbit/s 乃至几百Mbit/s，比如5G+AR 远程协助的“辅助装配”场景、5G+远程控制的“图像/视频流上传”场景、5G+机器视觉的“8K 图像信息实时上传”场景，均要求上行通信速率大于50 Mbit/s，5G+云化AGV 的“实时通信需求（SLAM）”场景最大需要高达200 Mbit/s 的上行带宽。

目前运营商公网的上下行时隙配置难以满足5G 专网上行大带宽场景的需求。基于4.9 GHz 频段的5G 专网可以灵活设置时隙配比，例如采用时隙配比为1D1S3U 的专属帧结构、且特殊时隙主要用来传上行数据，则按公式（2）可计算上行峰值速率为750 Mbit/s，可以满足上行大带宽场景的需求。

在目前披露的案例中，5G 工业专网在鞍钢智慧炼钢中的应用[6]中，实现上行带宽达750 Mbit/s；中国移动研究院自主设计的4.9 GHz 小站[7]，上行速率实测可达680 Mbit/s以上。这些实际应用也验证了上面的理论计算结果。

3 基于4.9 GHz 部署5G 专网的建议

（1）5G 行业应用专网部署区域大多数面积不是很大、且大多数应用场景是在室内。基于4.9 GHz 部署的5G 专网的室外覆盖能力相对较弱一些，但在室内场景其覆盖能力以及建网成本方面和Sub 6G 其他频段并无差异，且可避免和5G 公网同频交叉时隙干扰、以及在上行大带宽场景更具灵活时隙配置的优势，因此在国内目前5G 频率分配政策下，基于4.9 GHz 部署5G 专网是相对较好的选择。

（2）在对上行数据速率要求不是很高的场景、或者下行和上行数据速率均要求比较高的场景，4.9 GHz 频段5G 专网可以根据实际上下行业务需求进行具体测算后采用合适的时隙配比，例如选择时隙配比为2D1S2U 的帧结构等。

（3）目前中国移动和中国广电分别拥有100 MHz、60 MHz 的4.9 GHz 频段带宽。若两家针对行业客户分别独立建设5G 专网，均具备相应网络能力，但中国移动的容量优势相对明显。若两家4.9 GHz 频段共享，则可以获得更大的上下行数据速率容量、且可以在专网区域将两个频段分别应用于室外和室内以避免室内外同频干扰，获得更佳效果。