700MHz頻段用於5G組網的研究及部署建議

2020-12-18 飄逸的紅裙子

【問題描述】

5月20日,中國移動和中國廣電共同宣布在5G網絡上共建共享,對中國移動來說,獲得了700MHz的黃金頻段,可以更好地支持5G廣域覆蓋和高速移動場景下的通信體驗以及海量的設備連接,進一步推進5G的多場景應用。

【問題分析】

1.頻率分布

700MHz一直被視為「黃金頻段」,雖然存在容量短板,但其信號傳播損耗低、覆蓋廣、組網成本低等優勢,尤其適合在農村和邊遠地區5G廣域覆蓋,同時也適用在高密度住宅等樓宇進深較小的場景深度覆蓋。放眼全球來看,在法/德/意/瑞/芬等10+國已發放700MHz頻譜,700MHz憑藉其低頻覆蓋優勢,將成為5G打底覆蓋層的重要補充。

700M頻段屬於N28,頻率從703MHz~803MHz,頻譜資源歸屬廣電,主要用於廣電標準頻道使用,包含DS36~49這14個頻道,DS49頻道實際為軍方使用,只能使用703~798MHz的頻譜。

協議中700M(N28)為FDD制式頻段,上行從703MHz~748MHz,748MHz~758MHz頻段為上下行保護頻率間隔,758MHz以後為下行頻段。700M上行頻譜和下行頻譜之間只有10M帶寬的頻率保護間隔,如果IBW>(45+10)/2=27.5MHz,接收靈敏度將受到PIM(無源互調Passive Intermodulation)的影響,一方面需嚴格控制天線安裝質量控制,降低幹擾產生,另一方面也需藉助廠家設備特性,減少PIM影響,如華為內置PIM消除算法,,可減少PIM幹擾影響。

因此針對廣電700M頻段,上行可用45M頻譜、下行可用40M頻譜。

2.產業鏈進展

從產業鏈來看,廣電700MHz頻段的4G終端產業已成熟,市場上已有上千款支持700MHz的4G終端和超過10家晶片供應商,以下為華為支持700M的商用終端,包含CPE Pro2、Mate30 Pro、MH5000工業模組等:

Mate30Pro 5G手機也支持700MHz頻段:

設備廠家也都有支持700MHz的射頻設備,如下表所示華為RRU5509t技術指標:

3.組網優勢

目前3GPP Rel15協議限制,參考TS38.104協議,n28頻段最大小區帶寬還是20MHz,同時TS38.101協議不支持F+F n28的CA,如下圖所示:

目前廣電正在推進700MHz支持2*30M/40M大帶寬,提升載波容量與速率,當前正在協議標準修訂中,預計近期近期將會完成協議標準凍結。

如果按照當前協議定義單小區20MHz,那5G會比4G更有優勢嗎?分兩方面分析:

一方面,700MHz對比應用在5G相對於4G的優勢主要體現在覆蓋提升方面。5G覆蓋信號分為SSB與CSI-RS,SSB依然採用時分掃描機制,採用窄波束相對於4G寬波束有5dB左右的增益,覆蓋深度更好。同樣20MHz帶寬,5G下行理論峰值體驗增益15%,也就是說700MHz頻段的20MHz小區在5G網絡中能獲得更高的下行吞吐率。而上行因為5G終端支持2T,上行峰值體驗增益更多。

700MHz 峰值能力測試:Speedtest峰值能力測試,外場實測下行速率182Mbps,上行105Mbps(20M帶寬理論峰值速率下行可達232Mbps、上行可達119Mbps)。

700MHz 深度覆蓋能力測試:模擬VVIP投訴覆蓋場景,在距離站點400米處的某辦公樓,摸測對比共站同覆蓋的700M與2.6G NR深度覆蓋能力差異。對比測試結果如下所示:

1、距離站點400米處:

1)700M室外電平-65dBm,Speedtest下載177Mbps/上傳84Mbps,各項業務感知優異

2)2.6G室外電平-75dBm左右,Speedtest下載1.3GMbps/上傳92Mbps,各項業務感知優異

2、進入室內一堵牆後:1)700M進入室內信號衰減15dB到-80dBm後,Speedtest下載145Mbps/上傳30Mbps,各項業務感知優異2)2.6G信號衰減到-95dBm左右,Speedtest下載583Mbps/上傳50Mbps,各項業務感知正常

3、進入室內兩堵牆後:1)700M RSRP保持在-100--110dBm,各項業務感知均良好2)2.6G信號進一步衰減,容易切換到周邊5G站或在-110dBm左右刪除輔載波回落4G

另一方面,對比FDD相對於TDD在應用上的優勢:首先FDD都是SUB3Ghz頻段,對於運營商投資建站要求有天然優勢;其次FDD採用上下行信號頻分,上行反饋ACK/NACK不需要等待,RTT數傳時延比TDD要短,尤其適用於URLLC低時延場景。而且大量「低時延」業務隱含著「廣域連續覆蓋」的需求,結合FDD在5G應用的兩點優勢,可以說700MHz大有潛力。

4.產品形態

700MHz用於5G有更大潛力,能否像2.6GHz一樣做成Massive MIMO呢?Massive MIMO的核心技術是3D波束賦形和多用戶MIMO,在不同的場景,Massive MIMO通過多天線陣列、空分復用等技術較好地提高系統覆蓋性能,並大規模提高小區吞吐量。目前Massive MIMO一般都是採用TDD雙工方式,主要原因是TDD制式上下行都是工作在相同的頻率上,具備更好的信道互易性。基站側可以採用SRS的測量結果推算出下行的波束賦型的權值,從而形成較精準的賦形窄波束。而FDD上下行工作在不同的頻率,上行反饋的結果直接用於下行權值計算,會存在較大偏差。

而且從產品實現角度來看,如果700Mhz應用Massive MIMO大規模天線陣列,天線陣子要求半波距離,即便只用32TRx的天線,其天線尺寸可想而知,要比4.9Ghz天線陣面大很多,實施安裝部署也不是件容易事。

因此,700MHz無線射頻很可能以4T4R為主,估計未來也不會採用Massive MIMO大規模天線陣列的形態部署網絡。

部署建議

廣電700M NR最顯著兩個優勢在於:覆蓋、上行容量。

廣電700M NR為優質低頻頻段,覆蓋能力強,且其為FDD制式,無需考慮幀結構對最大覆蓋區域的影響,更適合超遠覆蓋:

1、700M作為農村5G廣覆蓋、城區5G深度覆蓋打底層;2.6G作為城區主流覆蓋與容量層、4.9G作為熱點容量補充層;

2、未來VoNR語音打底層;

3、作為4.9G等5G高頻段的SUL協同網絡;

4、高鐵(高穿損)、海面(超遠覆蓋)等特殊場景使用;

5、未來eMTC物聯網及覆蓋要求高的URLLC場景使用。

廣電700M NR為FDD制式,上行可用帶寬達40M,高於移動電聯100M TDD制式NR的上行速率。

1、作為2.6G/4.9G等NR頻段未來上行業務大包分層的目標網絡;

2、上行容量大,適合承載視頻通話等上下行對稱業務。

【問題總結】

本案例從頻率分布、產業鏈進展、組網優勢、產品形態和部署建議五個維度對700Mhz頻段用於5G組網的可行性進行了深入研究,結果如下:

1.頻率分布:700MHz雖然存在容量短板,但其信號傳播損耗低、覆蓋廣、組網成本低等優勢,尤其適合在農村和邊遠地區5G廣域覆蓋,同時也適用在高密度住宅等樓宇進深較小的場景深度覆蓋,將成為5G打底覆蓋層的重要補充。

2.產業鏈進展:從產業鏈來看,廣電700MHz頻段的4G終端產業已成熟,部分5G手機也支持700MHz頻段,設備廠家也有支持700MHz的射頻設備。

3.組網優勢:一方面,700MHz覆蓋深度效果更好;另一方面,FDD相對於TDD的時延更短,可更好的支持物聯網類業務。

4.產品形態:700MHz無線射頻很可能以4T4R為主,未來可能不會採用Massive MIMO大規模天線陣列的形態部署網絡。

部署建議:廣電700M NR最顯著兩個優勢在於:覆蓋、上行容量。廣電700M NR為優質低頻頻段,覆蓋能力強,且其為FDD制式,無需考慮幀結構對最大覆蓋區域的影響,更適合超遠覆蓋。

基於上述分析結果,700Mhz頻段用於5G組網是完全可行的,而且700Mhz頻段可以更好地支持5G廣域覆蓋和高速移動場景下的通信體驗以及海量的設備連接,進一步推進5G的多場景應用。

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