劉 洋，苗守野，王 偉，李福昌

（1.中國(guó)聯(lián)通研究院，北京 100048；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 100033）

1 概述

5G 連接能力不斷拓展，應(yīng)用邊界繼續(xù)擴(kuò)展，逐漸實(shí)現(xiàn)賦能千行百業(yè)，推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合。頻率和帶寬分配是影響5G 建設(shè)和運(yùn)營(yíng)策略最直接和最重要的因素之一，5G 頻譜一般分為低頻（小于1 GHz 頻段）、中頻（1～6 GHz 頻段）和高頻（毫米波頻段），目前國(guó)內(nèi)大部分5G 網(wǎng)絡(luò)部署在中頻。中頻相較低頻（700～900 MHz）傳輸損耗大，穿透能力弱，對(duì)于深度覆蓋場(chǎng)景，中頻宏站覆蓋穿透多面墻體的室內(nèi)場(chǎng)景效果不好，沒有5G 室分覆蓋的情況下部分流量仍需4G 網(wǎng)絡(luò)承載，影響用戶體驗(yàn)；對(duì)于農(nóng)村場(chǎng)景，投資收益率低，中頻覆蓋建站密度大，使用中頻段建設(shè)5G 網(wǎng)絡(luò)很難實(shí)現(xiàn)收支平衡。因此，利用低頻段建設(shè)5G 網(wǎng)絡(luò)，與中頻5G網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)，滿足深度覆蓋和農(nóng)村廣覆蓋需求成為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的最佳選擇。本文對(duì)低頻5G網(wǎng)絡(luò)（900 MHz）與中頻5G 網(wǎng)絡(luò)（2.1 GHz）進(jìn)行理論分析對(duì)比，并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，論證低頻5G 網(wǎng)絡(luò)相較中頻5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋優(yōu)勢(shì)。

2 理論分析

本文通過(guò)鏈路預(yù)算的方法對(duì)低頻5G 網(wǎng)絡(luò)（900 MHz）與中頻5G 網(wǎng)絡(luò)（2.1 GHz）進(jìn)行理論分析對(duì)比。鏈路預(yù)算是通過(guò)對(duì)發(fā)射端到接收端之間的各種增益、衰減進(jìn)行預(yù)算，從而估算信號(hào)能成功從發(fā)射端傳送到接收端之間的最大距離。

最大允許路徑損耗（MAPL）通過(guò)下式計(jì)算：

式中：

Pmax——發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率

GTx——發(fā)射機(jī)天線增益

GRx——接收機(jī)天線增益

LOSSbody——人體損耗

Marginshadowfading——陰影衰落余量

Margininterference——干擾余量

LOSSpenetration——建筑物穿透損耗

SRx——接收機(jī)靈敏度，SRx=接收機(jī)底噪+SINR解調(diào)門限，其中SINR 解調(diào)門限與邊緣速率、分配RB數(shù)、MCS 等參數(shù)相關(guān)

無(wú)線網(wǎng)常用的2 類宏蜂窩傳播模型是Okumura-Hata 和Cost231-Hata，其中Okumura-Hata 模型適用頻率 為150～1 500 MHz，Cost231-Hata模型適用頻率1 500～2 600 MHz。本文對(duì)NR 900 MHz 的覆蓋分析采用Okumura-Hata 模型，對(duì)于NR 2.1 GHz 的覆蓋分析采用Cost231-Hata模型。

假設(shè)NR 900 MHz、NR 2.1 GHz基站位于同一位置且天線掛高均為20 m，基站側(cè)MIMO 配置為4T4R，單通道發(fā)射功率相同，即每10 MHz 帶寬發(fā)射功率為4×20 W，子載波間隔為15 kHz，終端側(cè)MIMO 配置NR 900 MHz 為1T2R，NR 2.1GHz 為1T4R。為便于與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，假定基站方向角沿道路方向，陰影衰落取0 dB。以一般城區(qū)場(chǎng)景為例，鏈路預(yù)算結(jié)果如表1所示。

從表1 可以看出，假設(shè)接收到的SSB-RSRP 為-100 dBm，NR 900 MHz 與基站直線距離為2.16 km，NR 2.1 GHz與基站直線距離為1.42 km；如果接收到的SSB-RSRP 為-105 dBm，NR 900 MHz 與基站直線距離為2.96 km，NR 2.1 GHz與基站直線距離為1.95 km。

表1 NR 900 MHz與2.1 GHz鏈路預(yù)算對(duì)比（覆蓋距離）

表2 為距離基站相同位置，NR 900 MHz 與NR 2.1GHz 接收到的SSB-RSRP 理論分析對(duì)比。結(jié)果顯示，相同位置NR 2.1 GHz 接收的SSB-RSRP 比NR 900 MHz低6.5 dB左右。

表2 NR 900 MHz與2.1 GHz鏈路預(yù)算對(duì)比（SSB-RSRP強(qiáng)度）

進(jìn)一步地，基于3GPP TS 38.901 不同頻段不同材質(zhì)的穿透損耗計(jì)算方法，從深度覆蓋角度分析，表3為穿透不同材質(zhì)墻體，NR 2.1 GHz 與NR 900 MHz 終端接收到的SSB-RSRP 差值。結(jié)果顯示，深度覆蓋場(chǎng)景下，相同位置NR 2.1 GHz 接收的SSB-RSRP 比NR 900 MHz低6.7～11.4 dB。

表3 900 MHz和2.1 GHz深度覆蓋對(duì)比

綜上，理論分析結(jié)果顯示，無(wú)論是室外或深度覆蓋，NR 900 MHz的覆蓋性能均明顯優(yōu)于NR 2.1 GHz。

3 測(cè)試驗(yàn)證

3.1 單站拉遠(yuǎn)

選取某小型城市搭建測(cè)試環(huán)境，NR 900 MHz、2.1 GHz共站部署，天線掛高均為20 m。NR 900 MHz帶寬為10 MHz，NR 2.1 GHz 帶寬為40 MHz。2 個(gè)頻段基站側(cè)MIMO 配置均為4T4R。NR 900 MHz 發(fā)射功率為4×20 W，NR 2.1GHz 發(fā)射功率為4×80 W。測(cè)試終端在NR 900 MHz MIMO 配置為1T2R，在NR 2.1 GHz MIMO配置為1T4R。測(cè)試小區(qū)方向角沿道路方向，測(cè)試終端進(jìn)行灌包業(yè)務(wù)，沿測(cè)試道路以30 km/h 車速進(jìn)行拉遠(yuǎn)測(cè)試，以對(duì)比900 MHz 頻段和2 100 MHz 頻段的廣覆蓋性能。

圖1 為灌包測(cè)試過(guò)程中SSB-RSRP 的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果顯示：NR 900 MHz 在與基站直線距離為2 255 m 時(shí)，SSB-RSRP 開始低于-100 dBm，與基站直線距離為2 815 m 時(shí)，SSB-RSRP 開始低于-105 dBm；NR 2.1 GHz 在與基站直線距離為1 425 m 時(shí)，SSBRSRP 開始低于-100 dBm，與基站直線距離為2 165 m時(shí)，SSB-RSRP 開始低于-105 dBm；同一位置，NR 900 MHz SSB-RSRP 明顯優(yōu)于NR 2.1 GHz，總體比NR 2.1 GHz高6～10 dB。

圖1 單站拉遠(yuǎn)SSB-RSRP測(cè)試結(jié)果

綜上，NR 900 MHz在室外場(chǎng)景覆蓋性能明顯優(yōu)于NR 2.1 GHz，獲得相同目標(biāo)SSB-RSRP，NR 900 MHz覆蓋距離相較NR 2.1 GHz遠(yuǎn)600 m以上。

3.2 深度覆蓋

選取上述城市2個(gè)建筑物進(jìn)行測(cè)試，圖2為2個(gè)建筑物的平面圖，箭頭方向?yàn)樘炀€覆蓋方向。建筑物1測(cè)試房間為6 層建筑的2 層，建筑物2 測(cè)試房間為6 層建筑的1 層（底商），建筑物1 與基站間的距離相較建筑物2近，分別選取不同位置的0～6號(hào)共7個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)試和屋內(nèi)遍歷測(cè)試（建筑物陽(yáng)臺(tái)為玻璃窗，測(cè)試過(guò)程中陽(yáng)臺(tái)窗戶打開，即點(diǎn)位0 為室外覆蓋場(chǎng)景）?；菊靖呒s為20 m，NR 900 MHz 和2.1 GHz 共天線，其他基站和終端配置與拉遠(yuǎn)測(cè)試相同。

圖2 室內(nèi)測(cè)試建筑物平面圖

在屋內(nèi)進(jìn)行下行灌包和VoNR 語(yǔ)音2 項(xiàng)業(yè)務(wù)的遍歷測(cè)試，并分別在0～6 點(diǎn)位進(jìn)行下行灌包和VoNR 語(yǔ)音業(yè)務(wù)定點(diǎn)測(cè)試，每項(xiàng)業(yè)務(wù)在每個(gè)點(diǎn)位持續(xù)1 min，記錄平均SSB-RSRP、下行速率和MOS 值，表4 為建筑1的測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試結(jié)果顯示：深度覆蓋場(chǎng)景下，屋內(nèi)穿透的墻體越多，接收到信號(hào)強(qiáng)度越低，表4中終端在點(diǎn)位2（穿透2 面墻體）接收到的SSB-RSRP 明顯低于在點(diǎn)位1（穿透1 面墻體）接收到的SSB-RSRP；穿透墻體越厚，終端接收到的SSB-RSRP 越低，表4 中終端在點(diǎn)位6（穿透1 面60 cm 外墻）接收到的SSB-RSRP 明顯低于在點(diǎn)位1（穿透1 面40 cm 墻體）；終端位置越深，即距離信號(hào)射入墻體或窗戶越遠(yuǎn)，終端接收到的SSBRSRP 越低，表4 中終端在點(diǎn)位4、5 接收到的SSBRSRP明顯低于點(diǎn)位1、2、3。

表4 建筑物1室內(nèi)覆蓋測(cè)試結(jié)果

對(duì)比2 個(gè)頻段的深度覆蓋情況，NR 900 MHz 深度覆蓋性能明顯優(yōu)于NR 2.1 GHz。相同點(diǎn)位，NR 900 MHz終端接收到的SSB-RSRP相較NR 2.1 GHz總體高10 dB 左右，穿透墻體越多、墻面越厚，NR 900 MHz 覆蓋性能相較NR 2.1 GHz 優(yōu)勢(shì)越明顯；業(yè)務(wù)性能方面，建筑物離基站位置較近，深度覆蓋信號(hào)強(qiáng)度尚可，因此2 個(gè)頻段語(yǔ)音業(yè)務(wù)質(zhì)量均表現(xiàn)良好，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面由于NR 2.1 GHz 配置40 MHz 帶寬，數(shù)據(jù)速率優(yōu)于NR900MHz。

表5為建筑物2的測(cè)試結(jié)果，與建筑物1結(jié)論基本一致：覆蓋性能方面，總體上900 MHz深度覆蓋性能明顯優(yōu)于NR 2.1 GHz；相同點(diǎn)位，NR 900 MHz 終端接收到的SSB-RSRP相較NR 2.1 GHz高9～15 dB，且穿透墻體越多、墻面越厚、終端位置越深，NR 900 MHz覆蓋性能相較NR 2.1 GHz 優(yōu)勢(shì)越為明顯。業(yè)務(wù)性能方面，室內(nèi)較深處，NR 900 MHz數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)表現(xiàn)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)表現(xiàn)均明顯優(yōu)于NR 2.1 GHz；點(diǎn)位3、4、5、6，NR 2.1 GHz 由于覆蓋質(zhì)差發(fā)生數(shù)據(jù)下載業(yè)務(wù)掉線，而NR 900 MHz仍然保持一定的下載速率；點(diǎn)位5、6，NR 2.1 GHz 由于覆蓋質(zhì)差發(fā)生語(yǔ)音業(yè)務(wù)掉話，而NR 900 MHz仍然保持較好的MOS值。

表5 建筑物2室內(nèi)覆蓋測(cè)試結(jié)果

綜上，NR 700 MHz 和900 MHz 在深度場(chǎng)景覆蓋性能和業(yè)務(wù)表現(xiàn)明顯優(yōu)于NR 2.1 GHz，穿透墻體越多、墻面越厚、終端位置越深，NR 900 MHz優(yōu)勢(shì)越為明顯。

4 結(jié)論

表6 為相同位置通過(guò)理論分析和測(cè)試驗(yàn)證獲得的NR 900 MHz 與NR 2.1 GHz 信號(hào)強(qiáng)度差值，包括室外覆蓋和深度覆蓋2 個(gè)場(chǎng)景。結(jié)果顯示，同一位置在室外場(chǎng)景和深度覆蓋場(chǎng)景，NR 900 MHz覆蓋性能均明顯優(yōu)于NR 2.1 GHz，室外場(chǎng)景相同點(diǎn)位NR 900 MHz接收信號(hào)強(qiáng)度相較NR 2.1 GHz 高6～10 dB；深度覆蓋場(chǎng)景，NR 900 MHz 在相同點(diǎn)位接收到的SSB-RSRP 相較NR 2.1 GHz 高9～15 dB。表7 為獲得相同信號(hào)強(qiáng)度，NR 900 MHz與NR 2.1 GHz的覆蓋距離對(duì)比，理論分析和測(cè)試結(jié)果均表明，獲得相同信號(hào)強(qiáng)度情況下，NR 900 MHz覆蓋距離相較NR 2.1 GHz遠(yuǎn)600 m以上。

表6 相同位置NR 900MHz與NR 2.1GHz信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比

表7 NR 900 MHz與NR 2.1 GHz覆蓋距離對(duì)比

綜上，NR 900 MHz廣覆蓋和深覆蓋性能均明顯優(yōu)于NR 2.1 GHz，特別是在深度覆蓋場(chǎng)景下，業(yè)務(wù)體驗(yàn)明顯優(yōu)于NR 2.1 GHz。因此，利用900 MHz進(jìn)行NR打底覆蓋與中頻網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)，可以獲得更優(yōu)的覆蓋性能和業(yè)務(wù)體驗(yàn)，適用于郊區(qū)和農(nóng)村廣覆蓋場(chǎng)景和深度覆蓋場(chǎng)景。