700MHz频段在5G网络优化中的应用研究

2022-07-07张叶江孙磊尹以雁杨晓康胡坚

电信科学 2022年6期

关键词：频段广电站点

张叶江，孙磊，尹以雁，杨晓康，胡坚

工程与应用

700MHz频段在5G网络优化中的应用研究

张叶江，孙磊，尹以雁，杨晓康，胡坚

（中国移动通信集团云南有限公司，云南昆明 650228）

700 MHz频段具有频率低、绕射能力强、覆盖效果好等优点，中国移动与中国广电已明确将基于700 MHz频段资源开展5G网络共建共享。首先从理论上分析了700 MHz频段的覆盖优势，然后通过700 MHz 5G站点的连片道路覆盖测试、居民楼覆盖性能测试以及定点容量性能测试等试点，为后续700 MHz 5G网络建设及优化提供了数据支撑。可以从主动规避700 MHz广电频率干扰、充分发挥高低频组网方案优势、积极探索多频段协同优化策略等方面，最大程度地释放700 MHz黄金频谱的价值，持续提升5G无线网络质量。

700 MHz频段；5G网络；无线干扰；高低频组网；协同优化

0 引言

2019年6月，工业和信息化部（简称工信部）正式向中国移动等4家企业发放了5G商用牌照[1]。2019年9月，中国电信和中国联通宣布共建共享5G接入网，预计5年内双方可各节省2 000亿元的资本开支，且开启5G载波聚合后峰值速率可达2.5 Gbit/s，远超中国移动1.3 Gbit/s的峰值速率，因而中国移动在保持网络领先及市场竞争方面面临着巨大压力[2]。为此，中国移动积极与中国广电合作，并于2021年9月确认中国移动将先行承担700 MHz频段5G网络的建设费用及网络优化费用，中国广电则按双方基于公平合理协商的条款支付网络使用费[3]。至此，中国移动与中国广电围绕700 MHz频段的5G网络建设将全面提速，而700 MHz频段在5G网络优化中的应用研究也显得更加重要。

1 700 MHz频段优势分析

1.1 中国5G可使用频段资源

根据3GPP的协议规定，5G网络可以使用的主要频段包括FR1频段和FR2频段，FR1频段的频率范围是450 MHz～6 GHz（即Sub-6 GHz频段），FR2频段的频率范围是24.25～52.6 GHz（即毫米波（mmWave））[4]。其中，FR1具有频率低、绕射能力强、覆盖效果好等优点，是当前5G的主用频谱。作为基础覆盖频段，FR1频段最大支持100 MHz的带宽，低于3 GHz的部分目前主要用于2G、3G和4G的部署，早期通过站址利旧的方式可实现5G网络的快速部署[5]。为推动我国5G网络大规模建设，工信部已正式向各电信运营商分配了5G系统工作频段[6]。值得注意的是，在工信部《关于调整700 MHz频段频率使用规划的通知》中确认将702～798 MHz 频段频率用于移动通信系统[7]。700 MHz无线频段被誉为移动通信的“黄金频谱”，引发业界广泛关注。目前，我国各电信运营商5G可使用频段资源统计见表1。

表1 我国各电信运营商5G可使用频段资源统计

1.2 700 MHz频段覆盖及容量性能分析

（1）覆盖性能分析

自由空间损耗描述了电磁波在空气中传播时的能量损耗，电磁波在穿透任何介质的时候都会有损耗。自由空间损耗公式为：

s= 20lg+ 20lg+ 32.4 （1）

其中，s表示自由空间损耗，表示频率（单位为MHz），表示距离（单位为km）[8]。由自由空间损耗公式可以推出，在距离一定的情况下，频率越低、损耗越小，频率越高、损耗越大。由式（1）容易计算得出，700 MHz自由空间损耗比2.6 GHz损耗小11.40 dB，比3.5 GHz损耗小13.98 dB，比4.9 GHz损耗小16.90 dB。根据现网试点数据，按照上行边缘速率为3 Mbit/s作为标准（3 Mbit/s能支持720P业务），700 MHz频段视距传播距离可达6.2 km，大概是2.6 GHz站点的2倍，是3.5 GHz站点的4倍，是4.9 GHz站点的7倍。众所周知，电磁波的绕射能力是与频率高低相关的，频率越低的电磁波的波长越长，绕射能力也越强，其穿透衰耗就越小，在现实环境的传播距离就越远[9]。根据测算，使用700 MHz频段建成一张覆盖全国的 5G 网络只需40万座基站，投资成本可下降80%以上。

（2）容量性能分析

700 MHz站点在覆盖方面具有很大优势，但其可用频率仅为2×30 MHz（后续可能扩展至 2×45 MHz），虽然远比国际上大多数国家的 2×10 MHz或2×20 MHz带宽大[10]，其用户平均吞吐量和峰值速率与2.6 GHz站点相比仍有较大差距。以峰值速率为例，4T4R 700 MHz站点单用户下行和上行峰值速率理论值分别为350 Mbit/s和175 Mbit/s，难以媲美64T64R 2.6 GHz站点的1 700 Mbit/s和 250 Mbit/s，尤其是下行速率。因此，700 MHz在5G 中适合作为广覆盖的基础网络，但是不适合用作高速数据网络[11]。如何让700 MHz频谱最大限度地发挥其优势，弥补其短板，成为一个重要课题。

2 现网700 MHz站点试点测试结果分析

本次外场试点通过700 MHz与2.6 GHz道路连片覆盖性能对比测试，选取近、中、远3个室内场景进行不同楼层700 MHz与2.6 GHz深度覆盖对比测试，并选取一个室外站点进行700 MHz与2.6 GHz上下行定点速率对比测试，旨在对 700 MHz 5G站点的性能、关键技术进行摸底，同时为5G产品选型、网络规划建设和参数配置优化等提供数据支撑，为后续700 MHz 5G网络建设优化积累经验。

表2 共址站点主要信息

2.1 试点环境

本次试点测试区域为省会城市主城区某区域，其中5G 700 MHz站点共4个基站、13个小区，平均站间距为800 m；2.6 GHz站点共23个基站、66个小区，平均站间距为300 m。4个700 MHz站点分别和4个2.6 GHz站点共站址，共址站点主要信息见表2。

2.2 试点结果分析

2.2.1 道路连片覆盖测试对比

700 MHz和2.6 GHz基站开通后，对该区域进行同车同路段拉网测试，5G 700 MHz与2.6 GHz覆盖性能测试对比见表3。测试结果表明，700 MHz站点道路综合覆盖率为96.59%，2.6 GHz综合覆盖率则为97.49%，两者基本相当，但若注意到两者站点数和小区数差异，可以看出700 MHz覆盖能力远超2.6 GHz；700 MHz站点平均上传速率87.06 Mbit/s，平均下载速率218.94 Mbit/s，而2.6 GHz则分别为121.97 Mbit/s和647.30 Mbit/s，这说明700 MHz站点与2.6 GHz站点的容量差距较大，尤其是下行容量。但平均700 MHz站点SINR为7.19 dB，远低于2.6 GHz的14.45 dB，主要是因为测试期间700 MHz的两个小区存在中国广电系统的干扰，这需要在700 MHz站点规划建设及优化中引起注意。

表3 5G 700 MHz与2.6 GHz覆盖性能测试对比

2.2.2 覆盖性能测试对比

700 MHz和2.6 GHz基站开通后，选取集成大厦700 MHz及共址的2.6 GHz站点作为目标测试基站。在该基站1小区正西覆盖方向，选取近、中、远3个室内居民区场景进行不同楼层700 MHz与2.6 GHz的室内覆盖性能对比测试，测试距离分别为150 m、340 m和600 m，5G 700 MHz与2.6 GHz深度覆盖测试对比见表4。测试结果表明，室外站覆盖室内时700 MHz比2.6 GHz的平均RSRP好18～24 dB，比2.6 GHz可多穿至少一堵普通承重墙。另外，当与基站距离为600 m时，2.6 GHz站点已处于脱网状态，而700 MHz站点RSRP仍保持在−100 dBm以上，下载速率超过50 Mbit/s，上传速率超过3 Mbit/s，720P视频业务仍可正常进行。测试结果说明700 MHz站点的覆盖能力远超2.6 GHz站点。

2.2.3 容量性能测试对比

选择渔米之乡灯杆站作为测试站点，700 MHz和2.6 GHz站点2小区的主打方向220°，机械下倾角5°，功率240 W（满功率），无线无高层建筑遮挡。其中，700 MHz 站点为上下各30 MHz带宽，采用4T4R天线、2.6 GHz站点为100 MHz带宽，采用64T64R天线。测试时采用单用户测试，700 MHz站点的上下行峰值速率分别为184 Mbit/s和330 Mbit/s，远低于2.6 GHz站点的227 Mbit/s和1 571 Mbit/s。由此可见，受限于频点带宽不足（仅为30 MHz），700 MHz站点容量性能劣于2.6 GHz站点。

3 700 MHz部署存在的挑战及应用建议

从700 MHz频段理论及实测数据分析可知，700 MHz在广度覆盖及深度覆盖能力方面远超现网的2.6 GHz主力建设频段，但是在网络容量方面有所不足。如何充分发挥700 MHz基站的覆盖能力，并设法弥补其容量短板，是后续5G网络优化的重要基础。建议通过主动规避700 MHz频段的广电频率干扰、充分发挥高低频组网方案优势、积极探索多频段协同优化策略等措施，加快700 MHz频段的网络建设进度，持续提升5G网络质量。

3.1 主动规避700 MHz广电频率干扰

根据摸底数据统计，地面数字电视DS37/～DS 48频道（即702～798 MHz频段）在全国存在约6 000个广播台站，且不同城市的频率不固定，使用较分散。不同的城市干扰频段范围不一致，上行干扰多于下行干扰，上行普遍存在1～3个广电频道干扰。其中，上行频段（703～733 MHz）接收信号强度大于−105 dBm/200 kHz的采样点比例为20.96%，下行频段（758～788 MHz）接收信号强度大于−105 dBm/200 kHz的采样点比例为22.29%，隔离频段（733～758 MHz）接收信号强度大于−105 dBm/200 kHz的采样点比例为22.41%。中国广电700 MHz移频招标项目2021年7月27日才结束，预计未来需1～2年才能完成全部移频工作，在此期间700 MHz频段的网络性能将受不同程度的影响[12]。

表4 5G 700 MHz与2.6 GHz深度覆盖测试对比

表5 700 MHz与2.6 GHz定点测试峰值速率

因此，建议对700 MHz频段SSB（synchronizationsignal and PBCH（physical boardcast channe） block）频点进行灵活配置，将下行30 MHz分为8 MHz+8 MHz+8 MHz+6 MHz，共计4段，每段可设置一个SSB频点候选位置，其中心频点分别为763.25 MHz、770.45 MHz、778.85 MHz和782.45 MHz。SSB中心频点具体设置原则如下。

●700 MHz频段的SSB频点配置以地市为单位，本地网统一SSB频点的配置。

●对于无700 MHz干扰影响的城市，SSB中心频点建议配置在763.25 MHz。

●对于存在700 MHz干扰影响的城市，通过扫频确认干扰频道，SSB中心频点配置在4段中可做业务频段（RSRP每RB低于−100 dB）中的最低段，即一个小区内全频段选择4个候选SSB频点位置之一配置1个SSB。

针对广电强干扰频谱位置，禁用强干扰带宽，按不同带宽开通基站，灵活开启15 MHz /20 MHz /30 MHz带宽，上下行速率验收标准等比例调整。同时，还可以通过RB级频选调度策略，降低干扰影响[13]。

3.2 充分发挥高低频组网方案优势

仿真结果显示，在2.6 GHz基站上以2:1的比例叠加700 MHz后，99.7%（较纯2.6 GHz基站提升5.15%）的楼宇浅层区域可满足室内基本覆盖（达1 Mbit/s速率的栅格占比≥95%，下同），81.99%（较纯2.6 GHz基站提升31.01%）的楼宇整体可满足室内基本覆盖。参考4G组网经验，5G也可充分利用高低频分层组网方案，以发挥各频段优势，获得最佳运营效果[10]。具体部署建议如下。

●700 MHz频段具有广度覆盖及深度覆盖能力强的优势，可以作为城区及农村场景中5G连续覆盖的基础网络，还可作为未来5G超清视话（voice over new radio，VoNR）的基础网络[14]。

●对于密集城区、县城及部分发达乡镇等高容量场景，2.6 GHz频段具有大带宽优势，可用2.6 GHz宏基站作为容量承载主力频段；对于机场、医院、高校等超高容量场景，还可以补充2.6 GHz室分站点以提升大网容量，部分垂直行业应用场景还可以按需建设4.9 GHz室分站点。

●各频段切换策略方面，一是基于覆盖的切换策略下2.6 GHz频段或者700 MHz频段作为5G打底覆盖层，用户在小区边缘情况下基于覆盖切换，5G信号差时切换回4G；二是基于频率优先级的切换，5G用户在中近点基于优先级切换至4.9 GHz或2.6 GHz频段，使容量在高优先的频率承载[15]。

另外，天馈建设方案应统筹多方面因素，力争一步到位。考虑当前业界多频段耦合天线技术已十分成熟，可结合实际商用场景引入444和4 448两大类多频天线，从而可以分场景实现700 MHz在不增加天面的情况下融入现网。其中，444天线为4端口支持700 MHz，4端口支持900 MHz，4端口支持1 800 MHz；4 448天线则为4端口支持700 MHz，4端口支持900 MHz，4端口支持 1 800 MHz，8端口支持FA频段。在共天面场景，融合后原则上物理工参继承LTE主力覆盖层的频段设置，将融合天面的机械方位角、下倾角纳入验收流程，确保LTE覆盖层方位角、机械倾角以及电子倾角保持不变。通过在5G宏基站天面建设中采用多频多端口天线进行天面整合，一方面可以避免新增抱杆，控制租金上涨，同时也能避免反复天面改造对网络造成的影响，保障好用户感知[16]。

3.3 积极探索多频段协同优化策略

首先是要做好700 MHz与现有4G/5G网络协同及业务感知优化。4G网络目前仍然是中国移动流量主力承载网络，2.6 GHz 5G站点正大规模地入网，导致现网4G/5G网络结构异常复杂。要通过试点，研究700 MHz与900 MHz/1 800 MHz/FA/D/E及2.6 GHz 5G优先级配置策略，结合频段特征定位，设置各频段互操作策略及相关参数配置方案，确保用户优先驻留在5G网络中，在提升5G网络资源利用率的同时，逐步降低4G网络负荷。5G引入了频谱效率、设备能力，结合传统PRB利用率、用户数等指标，可在2.6 GHz和700 MHz基站间基于Xn接口进行信令交互，实现小区间负荷均衡。同时，要做好5G语音及数据等基础业务的感知优化，700 MHz网络EPS-FB语音业务采用切换或重定向方案回落4G，语音结束后通过快速返回（fast return，FR）功能返回5G，策略与现网2.6 GHz网络保持一致；2.6 GHz网络覆盖好时占用2.6 GHz，2.6 GHz网络变差但700 MHz网络覆盖好时切换至700 MHz，没有5G信号时可切换或重选4G网络。

同时，还要积极引入载波聚合（carrier aggregation，CA）、补充上行（supplementary uplink，SUL）、智简载波（smart carrier）和协作多点（coordinated multi point，CoMP）等增强技术[17]。其中，CA可应用于频段内两载波（如2.6 GHz内160 MHz双载波）和频段间双载波（如700 MHz+2.6 GHz）场景[18]；SUL一般上行使用700 MHz+2.6 GHz两载波、下行使用2.6 GHz频段内两载波，可充分利用SUL上下行解耦优势提升网络性能；智简载波技术方案基于2.6 GHz频段共160 MHz带宽，通过40 MHz灵活共享实现双100 MHz智简载波，可提升60 MHz小区用户体验速率50%以上，而且可以通过交叠40 MHz资源动态调度，实现快速、高效的负载均衡，并减少由于负载均衡导致的信令开销[19]；CoMP技术使用两个小区协同服务于重叠覆盖区域的用户，下行同时发送数据、终端侧合并，上行同时接收数据、基站侧合并，通过小区间协同获得合并增益并降低干扰，理论分析小区边缘用户速率可提升20%～30%或更多[20]。

4 结束语

4G时代受限于2.6 GHz频段较高的特点，中国移动在4G城区深度覆盖及农村广覆盖方面不占优势。与中国广电基于700 MHz频段的5G网络共建共享，将大大提升中国移动5G网络建设进度，并大幅降低在城区室分建设及农村广覆盖方面的投资和维护成本。与此同时，中国移动也需要加强700 MHz频段与其他5G频段的协同优化，不断引入新技术、新功能，才能持续提升5G网络质量，为5G新基建战略增砖添瓦，在5G万物互联时代再立潮头。

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Research on the application of 700 MHz frequency band in 5G network optimization

ZHANG Yejiang, SUN Lei, YIN Yiyan, YANG Xiaokang, HU Jian

China Mobile Communications Group Yunnan Co., Ltd., Kunming 650228, China

The 700 MHz frequency band has the advantages of low frequency, strong diffraction ability, and good coverage effect. China Mobile and China Radio and Television had made it clear that they would jointly build and share 5G networks based on 700 MHz frequency band resources. Firstly, the coverage advantages of 700 MHz frequency band were analyzed theoretically, and then the pilot projects such as 700 MHz 5G station continuous road coverage test, residential building coverage performance test and fixed-point capacity performance test provided data support for the subsequent 700 MHz 5G network construction and optimization. It could release the value of 700 MHz gold spectrum to the greatest extent and continuously improve the quality of 5G wireless network from the aspects of actively avoiding 700 MHz radio and television frequency interference, giving full play to the advantages of high and low frequency networking schemes, and actively exploring multi band collaborative optimization strategies.

700 MHz frequency band, 5G network, wireless interference, high and low frequency networking, collaborative optimization

TN929.5

10.11959/j.issn.1000−0801.2022083

2021−09−16；

2022−05−10

胡坚，hujian@yn.chinamobile.com

张叶江（1989− ），男，中国移动通信集团云南有限公司工程师，主要研究方向为4G/5G无线网络优化。