5G 多频段组网和优化策略研究

2021-11-04刘晓燕

电子技术应用 2021年10期

袁满，刘晓燕，王科

(中国联通山东省分公司，山东济南 250001)

0 引言

5G 网络共建共享为移动网络发展和运营带来机遇的同时，也带来诸多技术层面的挑战。以中国联通和中国电信5G 共建共享网络为例，目前两家运营商已经在3.5 GHz 频段进行了网络共建共享，同时又分别在2.1 GHz频段拥有25 MHz 和20 MHz 带宽。2.1 GHz 和3.5 GHz 频段在5G 网络中如何合理高效地利用是目前运营商考虑的重要问题。本文在对5G NR 2.1 GHz 和3.5 GHz 频段的覆盖性能、业务承载等方面进行对比分析的基础上，对不同场景下的组网建议和载波间移动策略进行探索，旨在为后续5G 双频段组网规划提供重要依据。

1 5G NR 2.1 GHz 和3.5 GHz 频段链路预算理论分析

根据自由空间传播模型[1](式(1))，传播距离(D)越远，路径损耗越大，电磁波的频率(F)越高，路径损耗也越大。以1.8 GHz 为基准，2.1 GHz 比1.8 GHz 的自由空间传播损耗多1 dB，3.5 GHz 比2.1 GHz 的自由空间传播损耗多5 dB。如果再考虑衍射和穿透损耗等因素，总体传播损耗的差异还会增大。

链路预算是从理论上评估无线网络覆盖的有效手段，通过对上下行信号传播途径中各种因素的综合理论考察，对系统覆盖能力进行评估，获得在保持一定的通信质量下链路所允许的最大传播损耗，再使用相应的模型来计算出小区覆盖的半径[2]。链路预算流程如图1 所示。

图1 链路预算流程

链路预算质量需求如下：

(1)在网络中x%概率保障y Mb/s 的感知，如98%的概率满足25 Mb/s(下行)、5 Mb/s(上行)。

(2)满足上行业务容量需求，如上行每平方公里业务需求为50 Gb/s。

(3)满足下行业务容量需求，如下行每平方公里业务需求为100 Gb/s。

链路预算输入包含天线配置、RBS 功率(如100 W 或200 W)、UE 发射功率(如23 dBm 或26 dBm)、带宽、频段、上下行配置和特殊子帧配置等。

上行估算：逐渐增大站间距，确定满足质量需求的最大站间距；在给定站间距场景下，如果质量达不到要求，则需要放宽质量要求或更改输入条件。

下行估算：计算下行质量和容量满足情况，当不满足时，缩小站间距，直至满足设计目标。

控制信道：验证小区边缘的控制信道性能，如果控制信道不能满足要求，缩小站间距，直至满足设计目标。

以3.5 GHz 上下行链路预算为例，3.5 GHz 下行性能明显优于上行性能，如图2 所示；按照5G 规划速率目标，上行覆盖范围明显小于下行，如图3 所示。基于现网4G 基站的平均站间距，下行连续覆盖可行性高，但上行连续覆盖挑战很大。

图2 NR 3.5 GHz 上下链路预算分析

图3 3.5 GHz 上下行链路估算差异示例

以现网4G 1.8 GHz 频段为基准点，按照1 Mb/s 上行边缘速率的基准规划标准[3]，链路预算结果显示，链路储备2.1 GHz 4TR 优于3.5 GHz 64TR 约1.2 dB，优于3.5 GHz 32TR 2.3 dB，如表1 所示。

表1 链路预算结果

根据小区半径预算结果(如表2 所示)，考虑到实际部署中3.5 GHz 天线挂高低于1.8/2.1 GHz，而当前3.5 GHz大都是与4G LTE 共站址建设，因而5G 上行覆盖挑战较大[6]，需要进一步增加站址才能满足连续覆盖的要求。

表2 小区半径结果

2 多场景组网方案

2.1 5G 网络高低频协同共建共享模式

NR 2.1 GHz 和NR 3.5 GHz 双频搭配组网不仅可以提升5G 网络容量和覆盖，还能够降低因互操作带来的业务感知时延，提高5G 网络对高速移动用户的支持能力[8]。NR 2.1 GHz 可以低成本部署，进行广覆盖和深度覆盖，快速实现大片区域连续覆盖[9-10]。而3.5 GHz 频段网络原则上可以先在热点区域按需部署，根据数据流量需求情况逐步拓展到更多的区域。移动策略上，在业务需求不高时，可以将5G 终端切换到2.1 GHz 网络，视具体情况选择关闭3.5 GHz 载波、通道和天线，以降低网络能耗；2.1 GHz 网络不满足需求时，按需开启3.5 GHz高频段网络。在5G 网内两个频段间切换可以达到毫秒级响应，时延比在4G 和5G 系统之间切换要小得多。

统筹考虑技术演进、市场需求、竞争态势、经济效益四要素，利用2.1 GHz 打造高低频协同，3.5 GHz 以64TR宏蜂窝站型为主，同时2.1 GHz 5G 网络提供基础覆盖，避免大规模增补3.5 GHz 新站带来的投资压力。同时，对电联来说3.5 GHz 的共享载波模式可以利用双方的200 MHz 带宽实现灵活组网，5G 容量按需部署。以终为始，规模部署NR 2.1 GHz 与3.5 GHz 合力打造有竞争力的5G 全覆盖网络，整体原则如图4 所示。

图4 NR 3.5 GHz 和NR 2.1 GHz 组网整体原则

2.2 室外各种场景组网建议

在上述分析基础上结合现网实际情况，有如下分场景部署建议：

(1)在发达县城以上，优先采用3.5 GHz 进行覆盖，2.1 GHz 用于补充深度覆盖，密集城区优先采用3.5 GHz 64TR 组网；对于高负荷、高价值商务区、高密度住宅区三高场景，采用3.5 GHz 64TR 200 MHz 双载频覆盖；对于高速、高铁等快速移动场景，采用3.5 GHz 32TR 或8TR 覆盖。对于像密集住宅等深度覆盖的需求场景，与NR 3.5 GHz 共站叠加NR 2.1 GHz，利用低频传播优势改善深度覆盖效果。

(2)一般城区根据容量和建筑物类型选择3.5 GHz 32TR 或64TR，发达县城或者县城核心区优先采用3.5 GHz 32TR 组网。

(3)一般县城、乡镇及农村优先采用2.1 GHz 组网覆盖，3.5 GHz 用作热点区域扩容。

3 不同场景下的多载波策略研究

3.1 5G 多载波策略

5G SA 组网空闲态多载波策略：5G SA 组网空闲态多载波策略是基于重选优先级的差异实现不同层次网络的驻留[11-12]。考虑到NR 3.5 GHz 网络带宽资源丰富，终端成熟，共站双拼场景下建议5G 终端优先驻留在NR 3.5 GHz 网络，因此在配置重选优先级时需遵循重选优先级NR 3.5 GHz>NR 2.1 GHz。当终端移出NR 3.5 GHz 覆盖区，UE 将由高优先级NR 3.5 GHz 重选到低优先级NR 2.1 GHz，需满足NR 3.5 GHz 小区电平低于服务门限且目标小区高于低优先级重选门限，才能重选到NR 2.1 GHz 小区；而当UE 移动到NR 3.5 GHz 良好覆盖区时，UE 将由低优先级NR 2.1 GHz 重选到高优先级NR 3.5 GHz，根据重选策略，只需满足目标小区高于高优先级重选门限即可。具体策略如图5 所示，重选门限详见表3。其中，S 和N 分别表示同频重选过程中服务小区和目标小区的信号强度，S_cell 和N_cell 分别指在异频重选过程中服务小区和异频目标小区的信号强度。

图5 空闲态重选策略

表3 空闲态多载波重选门限设置

5G SA 组网连接态多载波策略[13-14]：SA NR 为3.5 GHz频点时，在高穿损区域(例如建筑物密集区域)电平下降较快，此时终端需要回落到NR 2.1 GHz 网络；如果SA NR 用NR 2.1 GHz 频点组网，覆盖可能好于NR 3.5 GHz，可以将NR 2.1 GHz 作为底层覆盖网络。结合NR 3.5 GHz和NR 2.1 GHz 容量和覆盖性能，移动性切换策略总体思路如图6 所示。

图6 连接态移动策略

(1)各频段之间均开启双向切换。

(2)NR 3.5 GHz 频段向NR 2.1 GHz 频段的切换采用A5 事件(源侧差、目标好)，通过设置A5 门限，让用户尽量驻留在NR 3.5 GHz 频段，在3.5 GHz 信号差的情况下才切换到2.1 GHz 频段。

(3)NR 2.1 GHz 向NR 3.5 GHz 切换时采样A4 事件，当3.5 GHz 信号满足A4 门限时，切换到3.5 GHz 频段，让用户尽量使用频率资源丰富的3.5 GHz 频段，以保障使用感知。

(4)相同优先级之间采用A3 事件(相比最好)，保证用户及时切换到信号好的小区。

5G SA 组网多载波语音策略：5G SA 网络下语音业务解决方案有两种方式：(1)SA 网络建网初期采用EPS FB，(2)当SA 网络成熟后采用VONR。目前5G 网络上使用的语音业务解决方案是EPS FB。EPS FB 回落模式有3 种[14]：盲重定向、基于测量重定向、基于测量IRAT HO。回落方式选择还需要考虑N26 支持情况。

(1)AMF 不支持N26 接口：NG-RAN 只能采用重定向方式。

(2)AMF 支持N26 接口：NG-RAN 可以采用切换或者重定向方式。

EPS FB 3 种回落方式各有利弊，表4 从技术实现、回落时延及网络配置要求等三方面进行了对比。盲重定向的回落时延最短且技术实现最简单，回落稳定性(容错性)最高。在网络建设初期，覆盖不连续，邻区关系不稳定，建议EPS FB 回落使用盲重定向方式。

表4 3 种EPS FB 回落方式对比

3.2 不同场景的策略设置建议

3.2.1 热点区域多层组网场景

在某些特殊场景如校园和工业园区，话务较为集中，100 MHz 带宽不足以满足用户需求，需要开通NR 3.5 GHz双载波，满足容量需求。而在住宅密集区域，为了保证深度覆盖效果，需NR 2.1 GHz 和NR 3.5 GHz 协同覆盖。

(1)NR 3.5 GHz 频段双载波覆盖区域：典型覆盖场景有高校、交通枢纽、机场、地铁、大型活动保障场景(音乐节、体育赛事、啤酒节等)、三甲医院、大型购物中心、高档写字楼、聚类市场及大型酒店等。该类场景用户密集，话务量高，建议开通NR 3.5 GHz 载波聚合功能[15]，有效提高用户感知速率。由于两个载波的带宽都是100 MHz，覆盖性能相同。重选方面采用同优先级异频重选方案：两个3.5 GHz 载波的优先级均为6，异频启动门限(SNon-IntraSearch)为-110 dB～-105 dBm。连接态策略详见图7，不同载波间采取异频A3 事件(相比最好)，保证用户及时切换到信号好的载波，两个同覆盖载波开通载波聚合功能，提升用户感知速率。

图7 NR 3.5 GHz 频段双载波覆盖区域

(2)NR 3.5 GHz 和NR 2.1 GHz 双频段覆盖区域：典型应用于NR 3.5 GHz 深度覆盖不足、室分因各种原因无法建设的场景，如密集住宅、工业园区等。NR 3.5 GHz小区在相同信号强度下速率优势明显，NR 2.1 GHz 载波覆盖效果更好，该场景下NR 3.5 GHz 小区主用于吸收话务，NR 2.1 GHz 小区重点用于加强深度覆盖。考虑到用户业务多为下载类业务，所以重选方面采用不同优先级重选方案：NR 3.5 GHz 重选优先级为6，NR 2.1 GHz重选优先级为5，NR 2.1 GHz 重选到NR 3.5 GHz 载波，高优先级门限(ThreshXhigh)为-114 dBm～-110 dBm；NR 3.5 GHz 重选到NR 2.1 GHz 载波，服务小区低优先级门限(threshServingLowP)为-114 dBm～-110 dBm，目标小区低优先级重选门限(ThreshXlow)为-110 dBm～-106 dBm。连接态策略参见图8，NR 3.5 GHz 切换到NR 2.1 GHz采用A2(即异频和异系统起测门限)+A5 方式，A2 门限为-106 dBm～-100 dBm，A5 本端门限为-114 dBm～-110 dBm，A5 对端门限为-110 dBm～-106 dBm；NR 2.1 GHz 切换到NR 3.5 GHz 载波采用A2+A4 方式，A2 门限为-95 dBm～-85 dBm，A4 门限为-110 dBm～-106 dBm。

图8 NR 3.5 GHz+NR 2.1 GHz 双载波覆盖区域

3.2.2 室内外异频组网场景

根据室分容量需求，室分频点分为NR 3.5 GHz(建议与大网3.5 GHz 异频)和NR 2.1 GHz 两种情况。由于室分覆盖有限的区域，信号很干净，即使信号较弱时，也能保持较高SINR 值，能保证较高数据下载速率，因而本文采用宏站与室分之间的重选和切换策略使宏站尽可能及时重选或切入室分小区，室分与小区在信号较弱时才重选或切入宏站。连接态移动性策略参见图9，优先级设置及切换门限设置详见表5。

表5 室分NR 3.5 GHz 异频组网参数设置

图9 室内外组网策略

3.2.3 边界单层异频组网场景

典型应用场景：乡镇与农村边界场景。考虑3.5 GHz和2.1 GHz 的带宽资源，建议NR 3.5 GHz 往NR 2.1 GHz移动时切换采用A2+A5 方式，NR 2.1 GHz 往NR 3.5 GHz移动时切换采用A2+A4 方式，让用户尽量使用频率资源丰富的3.5 GHz 频段。连接态移动性策略参见图10，优先级设置及切换门限设置详见表6。