周閱天，胡春雷，魏明爍，謝偉良（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

1 概述

在中國5G建設的規(guī)劃中，國內運營商在頻率上使用高低頻協(xié)同，發(fā)揮3.5 GHz 容量優(yōu)勢和2.1 GHz 覆蓋優(yōu)勢，高低頻協(xié)同打造差異化網絡。其中，價值區(qū)域采用3.5 GHz 實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，2.1 GHz 針對性強化室內淺層覆蓋；廣覆蓋區(qū)域采用2.1 GHz 實現(xiàn)基礎覆蓋層，3.5 GHz 按需動態(tài)擴容［1］。隨著3GPP Release16 RAN4在2020年7月凍結了2.1 GHz大帶寬標準［2］，中國電信與中國聯(lián)通整合現(xiàn)有頻率資源共建共享，在2.1 GHz部署40 MHz 的5G 網絡［3］。終端產業(yè)方面，2021 年6月支持2.1 GHz 40 MHz 的終端開始商用，2021 年底有超過25%的5G 終端支持40 MHz 大帶寬。因此，如何部署2.1 GHz 40 MHz網絡，使其成為3.5 GHz 100 MHz網絡的強力補充，打造2.1 GHz+3.5 GHz高低頻協(xié)同的精品網絡成為業(yè)界急需解決的問題。

由于3.5 GHz 100 MHz網絡已經完成商用部署，對比分析2.1 GHz 40 MHz 與3.5 GHz 100 MHz 的覆蓋能力與組網性能對運營商有極大的參考意義。為此，本文通過理論計算說明2.1 GHz 40 MHz FDD 網絡與3.5 GHz 100 MHz TDD 網絡的容量差異與覆蓋能力差異；并設計外場單站拉遠實驗與組網DT 實驗驗證2 種網絡制式的性能，為運營商部署網絡提供參考。

2 理論計算

2.1 FDD與TDD的容量計算

2.1 GHz 40 MHz與3.5 GHz 100 MHz 2種通信制式的具體參數(shù)如表1所示。

表1 2.1 GHz NR與3.5 GHz NR的配置參數(shù)

3GPP TS 38.306中的容量計算公式如下［4］：

式中：

J——載波聚合數(shù)目，本文只考慮單載波情況，因此可以忽略

V——MIMO 層數(shù)，2 種通信制式下行最大層數(shù)都為4，上行最大層數(shù)由終端發(fā)射天線數(shù)決定，1T終端上行最大1層，2T終端上行最大2層

Q——調制階數(shù)，256QAM對應8 bit

F——擴展系數(shù)，與幀結構的上下行配比相關，F(xiàn)DD 的f=1，TDD 2.5 ms 雙周期可近似為上行f=0.7，下行f=0.3

R——碼率，信道質量越好碼率越大，最大為948/1 024，可近似為0.9

OH——開銷，可近似為上行OH=0.1，下行OH=0.2，上下行的（1-OH）分別為0.9與0.8

N——RB 的個數(shù)，與子載波間隔和帶寬相關，40 MHz 帶寬下SCS=15 kHz 有216 個RB，100 MHz 帶寬下SCS=30 kHz有273個RB

T——每個OFDM 符合的時間長度，與子載波間隔相關，SCS=15 kHz 時，T=，SCS=30 kHz時，T=［4］。

根據以上分析，3.5 GHz 100 MHz TDD 網絡的2T4R終端上下行近似計算式（2）和（3）所示：

2.1 GHz 40 MHz FDD 網絡的2T4R 終端上下行近似計算公式如式（4）和式（5）所示，1T4R終端上行最大速率的層數(shù)為1，下行相同，此處不過多贅述：

通過以上公式可以計算得到3.5 GHz 100 MHz TDD 網絡的上行和下行峰值容量分別近似為308.2 Mbit/s 和1 643.8 Mbit/s；2.1 GHz 40 MHz FDD 網絡的上下行峰值容量分別近似為406.5 Mbit/s（2T）、203.8 Mbit/s（1T），929 Mbit/s。通過理論計算結果可以看出，2.1 GHz FDD 對比3.5 GHz TDD 具有上行容量優(yōu)勢，而3.5 GHz TDD的下行容量優(yōu)勢非常明顯。

2.2 FDD與TDD的鏈路預算

通過鏈路預算評估基站的覆蓋能力，需要知道相同邊緣速率下，不同頻段通信制式的路徑損耗，將其代入傳播模型從而計算出基站的覆蓋距離。3GPP TS 38.901 中給出了5G 不同場景的傳播模型［5］，表2 給出了Uma 場景的傳播模型，適用于室外城郊宏站組網場景。

表2 Uma傳播模型計算模型［6］

表2 中的PL 與具體的設備能力和邊緣速率相關，可根據式（6）和式（7）計算得出［7］。

式中：

PRS_UE、PRS_BS——固定邊緣速率下終端與基站的導頻功率

Ga_UE、Ga_BS——終端與基站的天線增益

SUE、SBS——終端與基站的接收靈敏度

Lf_BS——饋線損耗

Mf——陰影衰落余量

Mi——干擾余量

Lp——建筑物穿透損耗

Lb——人體損耗

針對2.1 GHz 40 MHz 與3.5 GHz 100 MHz 的上下行鏈路預算分別如表3和表4所示，表3說明了上行邊緣速率為3 Mbit/s時，2.1 GHz 40 MHz有4～5 dB的覆蓋優(yōu)勢。表4 說明了下行邊緣速率為100 Mbit/s 時，3.5 GHz 100 MHz有大約4 dB的覆蓋優(yōu)勢。

表3 2.1 GHz 40 MHz與3.5 GHz 100 MHz的上行鏈路預算

表4 2.1 GHz 40 MHz與3.5 GHz 100 MHz的下行鏈路預算

鏈路預算與容量計算從理論上分析了2.1 GHz 40 MHz與3.5 GHz 100 MHz的性能與覆蓋能力，具體還需要外場實驗進一步驗證。

3 單站覆蓋能力對比實驗

單站覆蓋能力對比實驗采用單站拉遠測試的方式驗證。極限拉網測試與站點高度等工程參數(shù)、周邊環(huán)境、干擾等因素相關，遠點強度較弱會放大干擾因素。因此本文選擇了3 條拉遠路徑進行多次拉遠測試，選擇其中1條拉遠路徑的實驗數(shù)據進行分析，具體的實驗環(huán)境與工參如圖1所示。

圖1 極限拉遠路線與實驗環(huán)境

3.1 下行覆蓋對比

使用2.1 GHz 的4×40 W 和4×60 W 與3.5 GHz 的160 W 和200 W 各2 種功率配置，在圖1 所示的路徑上進行多次拉遠測試直至終端掉線。下行PDCP 層速率與拉遠距離的關系如圖2 所示，為了更加直觀地對比2.1 GHz FDD 40 MHz 與3.5 GHz TDD 100 MHz 的覆蓋能力，圖2 只提供了2 條高功率配置的曲線，因為同制式高低功率的拉遠曲線趨勢大致相同。圖2 表明，中近點3.5 GHz 下行有明顯的速率優(yōu)勢，遠點3.5 GHz 略高于2.1 GHz，但由于頻段優(yōu)勢，極限距離2.1 GHz好于3.5 GHz。

圖2 下行PDCP速率拉遠測試結果

圖3 所示為4 種功率配置的邊緣覆蓋距離對比，可以看出提高網絡設備的功率配置對覆蓋距離有一定的提升。

圖3 下行邊緣覆蓋距離對比

3.2 上行覆蓋對比

上行覆蓋測試與網絡設備功率配置無關，因此只需固定一種功率配置即可。由于現(xiàn)網2.1 GHz FDD 存在大量1T 終端，需要對3.5 GHz 2T、2.1 GHz 2T、2.1 GHz 1T 3 種終端進行拉遠測試。測試結果如圖4 所示，可以看出2.1 GHz 2T 上行速率有明顯的優(yōu)勢，2.1 GHz 1T 憑借著頻段優(yōu)勢與3.5 GHz 2T 速率相差不大，在中近點處略低于3.5 GHz 2T，在遠點處高于3.5 GHz 2T。圖5 展示了上行邊緣覆蓋距離對比結果，3 Mbit/s邊緣速率：2.1 GHz 2T＞3.5 GHz 2T＞2.1 GHz 1T；1 Mbit/s邊緣速率：2.1 GHz 2T＞2.1 GHz 1T＞3.5 GHz 2T。

圖4 上行PDCP速率拉遠測試結果

圖5 上行邊緣覆蓋距離對比

4 組網能力對比

為對比2.1 GHz 40 MHz FDD 與3.5 GHz 100 MHz TDD 網絡的組網能力，選擇了一處2.1 GHz 與3.5 GHz基站共站址的場地進行驅車拉網實驗，2.1 GHz 4×60 W 與3.5 GHz 200 W 的25%負載路測圖與站點分布如圖6所示。按照圖6所示路線，測試2.1 GHz與3.5 GHz的下行4 種功率配置與上行3 種終端在空載、25%負載、50%負載情況下的組網速率。在拉網測試中，2.1 GHz 的平均RSRP 要高于3.5 GHz 約6 dB，但2 種制式的平均RSRP都高于-85 dB，實驗區(qū)域信號覆蓋良好。

圖6 驅車測試路測圖

4.1 下行組網能力對比

下行需要測試2 種制式的4 種功率配置與3 種負載情況，共12組數(shù)據，測試結果如圖7所示。從圖7可以看出，3.5 GHz的下行速率具有明顯優(yōu)勢，大約是2.1 GHz 的1.5 倍；25%加載情況下，2 種制式下行速率下降約40%，由于目前5G 用戶較少，此情況最符合網絡現(xiàn)狀；50%加載情況下，3.5 GHz 下降約8%，2.1 GHz 下降約17%。除此以外，通過相同制式不同功率間的對比可以看出，當網絡信號覆蓋良好時，提升網絡設備發(fā)射功率并不能帶來更好的速率體驗，反而會加強小區(qū)間干擾，使速率略微下降。

圖7 拉網測試下行PDCP層速率測試結果

4.2 上行組網能力對比

根據發(fā)射天線數(shù)目，上行需要測試2 種制式的3種終端，與網絡功率配置無關，共3 組數(shù)據，測試結果如圖8所示。2.1 GHz 2T的上行速率優(yōu)勢明顯，相較于3.5 GHz 2T 有接近于50%的提升，對5G 上行覆蓋增強有明顯效果；2.1 GHz 1T 的上行平均速率略低于3.5 GHz 2T，但是小區(qū)邊緣的表現(xiàn)會略好于3.5 GHz。

圖8 拉網測試上行PDCP層速率測試結果

5 總結

本文通過對比3.5 GHz TDD 100 MHz 網絡和2.1 GHz FDD 40 MHz 帶寬增強網絡的覆蓋能力與組網性能，并設計實驗進行驗證，為室外部署2.1 GHz 帶寬增強網絡提供了參考。

單站拉遠實驗結果表明，3.5 GHz下行速率具有明顯優(yōu)勢，但是2.1 GHz的覆蓋能力更強，5 Mbit/s邊緣距離可達8 km；2.1 GHz 2T 的上行速率具有明顯優(yōu)勢，2.1 GHz 1T 的能力接近3.5 GHz 2T，1 Mbit/s 邊緣距離要更遠。組網實驗結果表明，下行速率3.5 GHz 比2.1 GHz高約1.5倍；上行速率2.1 GHz 2T最高，3.5 GHz 2T略高于2.1 GHz 1T，但在小區(qū)邊緣2.1 GHz 1T 高于3.5 GHz 2T。