基于4.9GHz频段的5G专网性能及应用策略探讨

【摘要】    本文通过基于4.9G频段的特性和网络能力，重点对时延、容量、干扰三个方面进行分析，同时以中国移动公网2.6G频段为例，进行分析对比，结合5G不同的行业专网对4.9G能力的需求，得出4.9G频段在5G行业专网的可提供的各项能力，同时对4.9G频率在不同时隙下的交叉干扰进行了深入分析，最后给出了基于4.9G频率的5G专网应用和未来展望。

【关键词】    4.9G    2.6G    帧配置    超级上行    URLLC    专网    交叉时隙

一、概述

随着国内5G垂直行业的蓬勃发展，工业互联网和行业专网对专有频率和基站的需求，对网络安全性和网络性能的要求也越来越高，中国移动2.6GHz的公网频率资源在某些行业和场景中已经不能满足行业用户的需求，而中国移动4.9GHz的频率资源就越发凸显其价值所在，本文通过对4.9GHz频率适用的行业应用场景进行逐一分析，得出了中国移动4.9GHz频段资源的发展方向，以及目前存在的客观问题。

二、4.9G频率特性分析

2.1覆盖能力

本文以2.6G与4.9G室外覆盖能力进行对比分析，根据3GPP发布的38.901协议，其中定义的室外非视距下的UMa NLOS传播模型如下：

其中，f单位是GHz，d单位是m，发射功率按照200W@100MHz取定，2.6GHz与4.9GHz路损计算对比见下表所示：

由上表可得，室外相同距离下，4.9GHz比2.6GHz路损平均大约6dB左右。

同时，结合外场某厂家对2.6G与4.9G 进行室外单站拉远测试，测试对比结果见图1所示。

由图1分析可知，在NLOS环境下，相同位置处，4.9G比2.6G覆盖差8.7dB，LOS环境下，相同位置处，4.9G比2.6G覆盖差5.5dB，总体基本符合上述理论计算结果。

2.2容量性能

相比2.6G系统，由于4.9G频段不受公网影响，帧结构可灵活调整上下行时隙配比，4.9G频段目前有3种时隙结构配比，分别为5ms时隙，2.5ms单周期，双周期，及1ms周期。

由于可进行灵活调整上下行时隙配比，4.9GHz频段天然存在对比2.6GHz系统的大上行带宽特性，当配置为上多下少的帧结构配置时，其上行相当于2.6GHz的200%到300%的吞吐率，下行为2.6GHz的45%～65%。其中，上多下少配置为2.5ms单周期配置，1D：3U的典型配置，另外还有1ms周期为1D：1U的配置。

根据相关协议配置和系统信令开销，分别对2.6GHz和4.9GHz的不同帧结构配置下进行理论速率计算，结果见下表所示：

由上表可见，在1D3U配比下，SA组网架构下的单用户最高上行速率可达783Mbps，为普通2.6GHz公网单用户峰值速率的3倍。根据外场实际测试结果，也印证了该理论速率，在网络空载下，RSRP为-67dbm，SINR为28dB的情况下，单用户峰值速率达到了755Mbps，基本接近了理论峰值速率。

4.9GHz在2.5ms的單周期配置下，可灵活提供不同的网络能力，有效提升上行和下行速率，而在1ms单周期的帧结构配置下，能够有效缩短空口时延。因此，在不同的场景下，系统根据业务需求不同，可灵活对帧结构进行配置，以适应业务的不同需求，提供优质的客户体验。另外， 为充分发挥系统的速率优势，终端或者模组需支持2T4R，并针对4.9GHz的高上行的占空比业务，对上行业务进行优化，要求终端模组支持4天线的SRS轮发，最大程度获得多天线的MIMO效果。

小区吞吐量与单用户相比，由于单小区可支持更多流数的多用户MU-MIMO，单小区下行16流，上行8流，在SA组网结构下，UE为2T4R，因此，单小区峰值吞吐量约为单用户的峰值吞吐量的4倍，即小区在理想情况下，可对4个用户进行满调度工作，在2.5ms单周期，3U1D的帧配置下，小区上行理论峰值吞吐量为783Mbps*4=3020Mbps。

2.3业务时延

由于4.9GHz主要采用了2.5ms周期的帧结构配置，为降低时延，基站侧开启预调度功能，时延可进一步降低。在网络空载时，4.9GHz的空口平均时延为4-7ms，在时延方面明显优于2.6GHz的5ms周期。

上行预调度是上行调度的增强调度，在上行预调度期间，eNB给UE发送上行调度指示，预调度节省了SR上发到UL Grant下发的时间，最大可节省8ms。系统在做业务时预调度优先级最低，不会影响正常的上行调度资源，对资源没有浪费;只有在上行比较空闲的时候才会触发预调度，对空闲资源进行预调度以获取更好时延。

在不使用预调度场景：如果需要发送ACK，UE需要发送SR请求上行调度UL Grant，从发送SR到接收到UL Grant的时间大概需要7-8ms。

使用预调度场景：在每次预调度周期（默认为5ms）都会下发上行调度UL Grant，因此可以加速ACK的反馈，从而提升下行吞吐率。因此，当开启基站预调度后，时延较2.6GHz缩短1.2～1.8ms，当关闭预调度后，由于SRS的反馈机制，空口时延平均比2.6GHz缩短3.6～5.3ms。

如采用1ms短帧周期时，4.9GHz的平均时延还可进一步降低，其平均时延为4.2～6ms，接近FDD随到随传的时延效果。

根据理论计算和实地测试结果分析，不同帧结构下整体上预调度的引入会降低58%的时延，见下表所示：

三、4.9GHz频率的应用策略

3.1容量需求类补热场景

在目前5G发展初期，2.6GHz主要作为网络覆盖层进行规模连续覆盖，在有业务需求的热点区域，4.9GHz作为容量补充进行局部区域的补热覆盖。

由于2.6GHz频段较低，覆盖性能较好，在5G初期作为网络覆盖基本层面进行大面积连续覆盖，为公众提供一般eMBB业务。4.9GHz频段作为容量补充，有利于提升系统容量，在有业务需求的场景下，4.9GHz可部署于室内高热点区域，由于该频段可进行灵活的上下行时隙配比调制，根据业务需求进行匹配相应的帧配置，以提供更大的系统上/下行容量。

因此，在5G公网和专网业务发展初期，视业务需求和场景类型，灵活对4.9GHz和2.6GHz的网络部署进行协同规划，充分释放两段频谱资源的网络能力。

3.2补盲类场景

由于4.9GHz频段的覆盖能力，相比2.6GHz存在较大短板，不适合作为广覆盖频段，在室外场景下，根据前文所述，其空间传播损耗比2.6GHz高5.5～8.7dB，在室内场景，穿透一般的墙体，4.9GHz比2.6GHz高约6dB。但也正因为4.9GHz的高穿损，以及其频段的独立性，非常适合在2.6GHz弱覆盖的局部室内外区域，进行小范围的补盲覆盖，在提供精準覆盖的前提下，还带来系统隔离增益和容量增益，一定程度上可降低系统工程造价，提升网络性能。

3.3上行大带宽场景

根据现有行业用户对业务的需求，高清视频监控，AR/VR/8K等高清娱乐业务，对上行速率有极大的要求，目前主流分辨率对空口速率需求见下表所示：

由上表可看出，8K级视频流单终端最低需100Mbps的上行带宽需求，4K需30～50Mbps，且通常多为多终端并发业务，对小区容量提出极大要求;在工业互联网的场景下，智慧工厂的生产线零部件的视觉检测，通常采用7～8台8K级高清摄像头实时回传视频数据，上行带宽并发速率需求最大将近1Gbps，而目前现网2.6GHz由于需与4G帧结构上下行时隙对齐，只能采用5ms双周期，7D2U的帧结构，导致上行最大速率仅为250Mbps，单小区容量小，无法提供更大的小区容量，因此，在这样的大上行场景下，4.9GHz的2.5ms单周期，3U1D的配置是最契合高上行速率需求业务，小区最大可提供1.2Gbps的上行容量（见表2）。

3.4行业专网应用分析

在垂直行业应用中，特殊行业对频率隔离度和系统的性能要求较高，使用2.6GHz的切片服务难以满足业务需求，包括安全性要求，接入控制，URLLC类业务对高可靠的要求，远程医疗对超低时延的要求等等不一而足，该类个性化业务均对系统的频率隔离和系统性能提出极高要求，而无线侧作为接入网，无线接入的指标将极大影响系统的性能指标，4.9GHz作为行业专网的黄金频率，在定制化业务需求强烈的专网应用下将发挥关键性作用，下文将结合专网业务和应用场景进行逐一分析。

3.4.1行业专网类应用

ATG（地空通信）系统由于为地对空通信专网，为避免与大网业务的相互干扰和影响，使用4.9GHz频段可与2.6GHz进行频率隔离，承载地空通信业务最为合适。由于地空通信的特殊性，需采用20ms的特殊帧配置，可满足覆盖半径300km，覆盖空域最高13000米，根据计算和仿真，理论上下行速率可达120Mbps/800Mbps@100Mhz。

3.4.2 URLLC类应用

随着3GPP R16版本的发布，5G系统URLLC能力逐步释放，由于该类业务要求超高可靠，超低时延，对无线和传输，核心网都提出了具体的要求，对无线侧的需求和分析见下文所述。

1. 5G-V2X自动驾驶

5G-V2X 是“人- 车- 路- 云”相互连接和交互的协同体系，是汽车、交通、通信、计算机产业跨界融合的新型产业，是社会发展的新型基础设施，具备3C 属性（Connection、Control、Convergence）。通过5G-V2X 信息感知，可将驾驶员“盲区”的信息快速传递给驾驶员，减少事故的发生，提升驾驶的安全性;可将前方更实时的路况信息传递给驾驶员，规划更省时的行驶路线，按时到达目的地;可帮助汽车在封闭园区、景区、停车场、港口等场景下实现自动驾驶，未来可以实现任何时间、任何地点的自动驾驶，提供安全、高效、节能、舒适的驾乘体验。

系统网络性能要求：上行>10Mbps，下行>100Mbps，时延<10ms，且由于自动驾驶对应的场景目前较为封闭，不得受公网业务的干扰和影响，因此，采用4.9GHz频段进行组网，与公网进行频率隔离，同时根据上下行业务需求可以灵活配置，为缩短时延，可采用1ms帧结构，使用自包含帧结构，同时在基站侧开启资源预调度，当Upf下沉园区后，可满足端到端时延小于10ms的要求。

2.远程医疗

远程会诊是院间协同场景，基于5G 大带宽、低时延的特性，支持医疗机构间、院区间、科室间进行4K 高清远程会诊，实现远端医疗专家实时指导基层医生的诊疗服务，改变4G 网络下实时性差、清晰度低的通讯现状，提高远程会诊系统的诊断准确率和医疗指导效率。不仅如此，5G 网络下可实现医学影像数据的多路传输和实时共享，助力医生移动阅片。4K级摄像机对系统上行带宽要求>50Mbps，在会诊过程中，时延要求低于20ms，且对系统的稳定可靠性也有极大要求。因此，采用4.9Ghz进行组网，可提供单小区最大3Gbps的小区上行容量（100MHz带宽，3U1D时隙配比下）。

由于篇幅限制，其他类似的行业应用就不在此过多赘述。

四、干扰协同问题

4.1系统间干扰分析

中国移动的4.9GHz频段为4800～4900MHz，WRC对4.9 G频段的分配方案：4825—4835 MHz用于射电天文业务（高优先级），4830 MHz射电天文业务主要分布在新疆、内蒙、云南和贵州，另外，卫星空对地的频段为4500～4800MHz。

4.2系统内干扰分析

在部署4.9G 1D3U专网配置的空间隔离，建议如下：

1.室内场景

由于与传播信道特性强相关，经链路预算，以及实测结构，室外宏站距离室分260～350米，且皮站距离墙体10米时，隔离度可达130dB，满足理论计算所需的隔离度。因此，在NLOS环境下，所需隔离距离至少300米。

大部分场景下，室内专网与室外公网为NLOS环境，数百米的隔离距离较易满足，专网使用专属的帧结构，其性能不受交叉时隙干扰影响。

2.室外场景

与传播信道特性强相关，经链路预算，专网采用微站部署时，在NLOS环境下，1.8公里外的宏站产生的干扰基本不影响系统性能，视距条件下，需41公里。在密集城区环境下，如专网采用微站部署，较易满足1.8公里的隔离度要求，专网性能可基本不受交叉时隙干扰影响。

上述隔离措施需根据场景和业务，综合考虑，统一部署，以尽可能避免干扰，提升系统频率利用率和系统的性能指标。

五、4.9GHz部署策略和应用展望

根据上文分析，4.9GHz在國内天然适合用于行业专网，其灵活的上下行时隙配比，可非常好的适应特殊行业的大上行业务需求场景，同时也适用于对上下行业务均有较大需求的行业。

面向容量方面，在对公网业务中，4.9GHz可适用于热点和盲点区域补热补盲，可与2.6GHz进行双频组网，通过带间载波聚合，提供更大带宽上下行能力，同时具备高可靠低时延基础能力。

面向行业应用方面，由于4.9GHz频段在国内环境下，频段相对干净，基本不受带外干扰影响，在对地PLMN网络业务中，适用于高封闭，高保密，高隔离度类专网业务;在对空ATG（Air To Ground，地空通信）网络中，可通过切频，使用4800～4900MHz中部分频谱资源，通过定制大周期帧结构，实现对空专网业务，将给相关行业和运营商都带来极大的商业价值。

随着3GPP R16标准的冻结，面向URLLC的业务也将迎来爆发式的增长，随着业务能力的增强和演进，面向自动驾驶的车联网C-V2X，移动远程医疗，工业互联网智能制造，智能矿山，远程控制业务等等，对超高可靠性（大于99.999%）的需求，也将引入更多新技术，如1ms帧结构，系统级高可靠性能保障（业务双连接，UPF通道双备份），4.9GHz专网也将有更丰富的应用和需求，随着产业链的成熟，随着业务的发展和市场的推动下，4.9GHz的产业能力将越来越强大，这也要求我们的研究和规划能力要与时俱进，以适应整个5G+行业的发展。

参  考  文  献

[1] 张红国，5G边缘计算在工业互联网领域的应用探讨，通信设计与应用，57-58

[2] 杨旭， 5G移动通信技术在地空互联中的应用， 数码世界，25

汪拉锁（1971.12）， 男，汉族，西安，中国移动通信集团陕西有限公司，工程师，多年从事移动通信网的规划、建设和优化工作。