基于4.9 GHz 頻段的5G 專網(wǎng)覆蓋和容量能力研究

［陳錦浩］

1 引言

2018年12月，工信部發(fā)放了三大運(yùn)營商全國范圍內(nèi)的5G 中低頻段試驗(yàn)頻率，中國移動(dòng)獲得2 515～2 675 MHz、4 800～4 900 MHz 頻段的5G 試驗(yàn)頻率資源。2020 年1月，工信部向中國廣電頒發(fā)了4.9 GHz 頻段的5G 試驗(yàn)頻率使用許可。2020 年5 月中國移動(dòng)宣布與中國廣電已簽署5G 共建共享合作框架協(xié)議。且工信部規(guī)定了3 300～3 400 MHz 頻段限室內(nèi)使用，目前由中國電信、中國聯(lián)通和中國廣電共享。

相比于國內(nèi)2.6 GHz 和3.5 GHz 5G 頻段，4.9 GHz頻段雖然頻段更高，但對于賦能千行百業(yè)的5G 專網(wǎng)而言，基于4.9 GHz 頻段的5G 專網(wǎng)在避免同頻交叉時(shí)隙干擾及面向上行大帶寬業(yè)務(wù)能力方面更具優(yōu)勢。對基于4.9 GHz頻段的5G 專網(wǎng)的室外及室內(nèi)覆蓋能力、上下行容量能力進(jìn)行了分析，得出國內(nèi)中國移動(dòng)和中國廣電基于4.9 GHz部署5G 專網(wǎng)的建議，為國內(nèi)5G 專網(wǎng)建設(shè)提供參考。

2 基于4.9 GHz 頻段的5G 專網(wǎng)能力

2.1 室外基站覆蓋能力

以3.5 GHz 頻段為例，5G NR 室外覆蓋場景為O2I（Outdoor to Indoor），對應(yīng)3GPP TR 36.873[1]的NLOS（非視距）路損模型，對上行邊緣速率要求為1 Mbit/s 的鏈路預(yù)算的各個(gè)參數(shù)取值以及路徑損耗計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

在系統(tǒng)參數(shù)配置相同以及相同建站條件下，可類似計(jì)算出2.6 GHz 和4.9 GHz NR 的NLOS 路徑損耗如表2所示。

比較表1 和表2 可知，在系統(tǒng)參數(shù)配置相同以及相同建站條件下，5G 不同頻段的路徑損耗差異只因穿透損耗差異導(dǎo)致。

表1 3.5 GHz NR 室外覆蓋鏈路預(yù)算中各個(gè)參數(shù)的取定方法表

表2 2.6 GHz 和4.9 GHz NR 的NLOS 路徑損耗結(jié)果

5G 專網(wǎng)部署場景一般可參照普通城區(qū)和郊區(qū)，在這兩個(gè)場景分別采用3GPP TR 36.873[1]的3D-Uma 及3D-RMa 路損模型，在NLOS（非視距）情況下可以計(jì)算出4.9 GHz、3.5 GHz、2.6 GHz 覆蓋能力如表3 所示。

表3 5G NR 在4.9 GHz、3.5 GHz、2.6 GHz 的覆蓋能力

可見，4.9 GHz NR 單站覆蓋面積是3.5 GHz 基站的一半左右、約是2.6 GHz 基站的1/5。因此4.9 GHz NR基站更適合于為滿足高數(shù)據(jù)速率要求而密集組網(wǎng)的專網(wǎng)場景，在對數(shù)據(jù)速率要求不高的專網(wǎng)場景，可以因地制宜適當(dāng)提高建站高度來同時(shí)滿足覆蓋和容量的要求、并節(jié)省專網(wǎng)建設(shè)成本。

2.2 室內(nèi)覆蓋能力

在室內(nèi)覆蓋中，不同頻段用于不同制式網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力差異主要是自由空間傳播損耗、建筑物穿透損耗和饋線損耗。

由于傳統(tǒng)室分系統(tǒng)存在無源器件不支持3.35 GHz 和4.9 GHz頻段、1/2 和7/8饋線在3.35 GHz 和4.9 GHz頻段損耗大幅增加、難以滿足高數(shù)據(jù)流量增長需求等問題，因此數(shù)字化室分是5G 室分建設(shè)的主流趨勢。數(shù)字化室分信源可看作是發(fā)射功率較低的基站設(shè)備，因此可以類似室外覆蓋的鏈路預(yù)算來計(jì)算室內(nèi)覆蓋半徑。

計(jì)算5G NR 在2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 室內(nèi)覆蓋能力時(shí)，室內(nèi)傳播模型可采用3GPP TR 36.873[1]的室內(nèi)路損模型3D-InH，在NLOS（非視距）情況下模型公式為：

式（1）中，d3D是收發(fā)天線的間距，單位為m；fc是工作頻率，單位是GHz。

該模型已經(jīng)包含了不同頻段的空間損耗（與頻率相關(guān)）和穿透損耗的差異。

數(shù)字化室分不需考慮饋線損耗，因此我們在計(jì)算時(shí)只需分析建筑物穿透損耗。

（1）建筑物穿透損耗

根據(jù)3GPP TR 38.901[2]，不同材料的建筑物穿透損耗計(jì)算公式如表4 所示。

表4 材料穿透損耗

可計(jì)算出穿透損耗相對較大的混凝土在2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 的穿透損耗值分別是15.4 dB、18.4 dB、24.6 dB。

（2）室內(nèi)覆蓋半徑計(jì)算結(jié)果（穿透1 堵混凝土墻）

基于：室分信源基站pRRU 高度為3 m，4T4R pRRU 發(fā)射功率為1 000 mW（30 dBm），室分信源4T4R 內(nèi)置天線增益5 dB，2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz的穿透損耗值分別是15.4 dB、18.4 dB、24.6 dB，其余鏈路預(yù)算參數(shù)類似表1 取定，則可以計(jì)算出2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 頻段NR 單個(gè)pRRU 的室內(nèi)覆蓋能力如表5 所示。

表5 2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz頻段NR 室內(nèi)覆蓋能力（穿透1 堵混凝土墻）

可見：

①同樣基于穿透1 堵混凝土墻的情況下，數(shù)字化室分中4.9 GHz 頻段單pRRU 室內(nèi)覆蓋半徑是3.35 GHz 頻段的61%、是2.6 GHz 頻段的46%；4.9 GHz 頻段單pRRU室內(nèi)覆蓋面積是3.35 GHz 頻段的37%、是2.6 GHz頻段的21%。

② 目前國內(nèi)運(yùn)營商室分pRRU 間距在非空曠場景一般為10～35 m，根據(jù)表5，5G專網(wǎng)室分系統(tǒng)建設(shè)采用4.9 GHz頻段時(shí)pRRU 覆蓋半徑完全可以滿足這些場景的要求。

（3）其余室內(nèi)場景覆蓋能力

①在空曠區(qū)域，可視為穿透損耗為0，類似上述計(jì)算過程，可算出2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 頻段pRRU 的下行覆蓋半徑分別為185 m、164 m、138 m，目前國內(nèi)運(yùn)營商室分pRRU 間距在空曠場景一般不超過100 m，可見4.9 GHz 頻段數(shù)字化室分在空曠場景也滿足覆蓋要求。

② 在表4 中的其余隔斷材料建筑環(huán)境下，根據(jù)表4公式計(jì)算可知，2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 頻段的穿透損耗差異甚小，且可計(jì)算得出4.9 GHz 頻段的紅外反射玻璃和混凝土的穿透損耗值基本相當(dāng)，可知兩種材料下的覆蓋半徑亦基本相同。可見4.9 GHz 頻段數(shù)字化室分的也能滿足這些場景的要求。

2.3 容量能力

（1）上下行峰值速率

根據(jù)3GPP TS 38.306[3]協(xié)議，NR 單頻段、載波聚合情況下的下行和上行的最大數(shù)據(jù)速率可由下式計(jì)算：

其中：

J：是一個(gè)頻段或頻段組合中的聚合載波的數(shù)目

Rmax=948/1024，Rmax 為最大編碼率，5G NR 數(shù)據(jù)信道編碼采用LDPC 碼，LDPC 的最大編碼率為948/1024

[0.14]，5G 低頻下行

[0.18]，5G 高頻下行

[0.08]，5G 低頻上行

[0.10]，5G 高頻上行

根據(jù)公式（2），5G 系統(tǒng)容量只和RB 數(shù)、MIMO 流數(shù)、調(diào)制方式等有關(guān)，和所在頻段高低無直接關(guān)系。

目前5G 主流時(shí)隙配比為8D2U 和7D3U 等，廠家設(shè)備基站的下行MIMO 流數(shù)可以做到最高可達(dá)16 流、甚至24 流。以8D2U 為例，子載波間隔為30 kHz（對應(yīng)的為1）、上下行時(shí)隙配比為1:4、下行最高采用256QAM/上行最高采用64 QAM、3GPP 目前協(xié)議規(guī)定了5G UE 終端是2T4R，可以計(jì)算出5G 基站下行峰值數(shù)據(jù)速率、UE接收峰值數(shù)據(jù)速率、上行峰值速率分別如表6 所示。

表6 5G 基站下行峰值數(shù)據(jù)速率、UE 接收峰值數(shù)據(jù)速率、上行峰值速率計(jì)算結(jié)果

（2）5G 專網(wǎng)上行大帶寬需求及計(jì)算

在5G 專網(wǎng)應(yīng)用的場景中，很多場景需要上行高速率傳送數(shù)據(jù)。以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為例，在《5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用發(fā)展白皮書》[5]的八大場景中，較多場景需要上行數(shù)據(jù)速率幾十Mbit/s 乃至幾百M(fèi)bit/s，比如5G+AR 遠(yuǎn)程協(xié)助的“輔助裝配”場景、5G+遠(yuǎn)程控制的“圖像/視頻流上傳”場景、5G+機(jī)器視覺的“8K 圖像信息實(shí)時(shí)上傳”場景，均要求上行通信速率大于50 Mbit/s，5G+云化AGV 的“實(shí)時(shí)通信需求（SLAM）”場景最大需要高達(dá)200 Mbit/s 的上行帶寬。

目前運(yùn)營商公網(wǎng)的上下行時(shí)隙配置難以滿足5G 專網(wǎng)上行大帶寬場景的需求。基于4.9 GHz 頻段的5G 專網(wǎng)可以靈活設(shè)置時(shí)隙配比，例如采用時(shí)隙配比為1D1S3U 的專屬幀結(jié)構(gòu)、且特殊時(shí)隙主要用來傳上行數(shù)據(jù)，則按公式（2）可計(jì)算上行峰值速率為750 Mbit/s，可以滿足上行大帶寬場景的需求。

在目前披露的案例中，5G 工業(yè)專網(wǎng)在鞍鋼智慧煉鋼中的應(yīng)用[6]中，實(shí)現(xiàn)上行帶寬達(dá)750 Mbit/s；中國移動(dòng)研究院自主設(shè)計(jì)的4.9 GHz 小站[7]，上行速率實(shí)測可達(dá)680 Mbit/s以上。這些實(shí)際應(yīng)用也驗(yàn)證了上面的理論計(jì)算結(jié)果。

3 基于4.9 GHz 部署5G 專網(wǎng)的建議

（1）5G 行業(yè)應(yīng)用專網(wǎng)部署區(qū)域大多數(shù)面積不是很大、且大多數(shù)應(yīng)用場景是在室內(nèi)?；?.9 GHz 部署的5G 專網(wǎng)的室外覆蓋能力相對較弱一些，但在室內(nèi)場景其覆蓋能力以及建網(wǎng)成本方面和Sub 6G 其他頻段并無差異，且可避免和5G 公網(wǎng)同頻交叉時(shí)隙干擾、以及在上行大帶寬場景更具靈活時(shí)隙配置的優(yōu)勢，因此在國內(nèi)目前5G 頻率分配政策下，基于4.9 GHz 部署5G 專網(wǎng)是相對較好的選擇。

（2）在對上行數(shù)據(jù)速率要求不是很高的場景、或者下行和上行數(shù)據(jù)速率均要求比較高的場景，4.9 GHz 頻段5G 專網(wǎng)可以根據(jù)實(shí)際上下行業(yè)務(wù)需求進(jìn)行具體測算后采用合適的時(shí)隙配比，例如選擇時(shí)隙配比為2D1S2U 的幀結(jié)構(gòu)等。

（3）目前中國移動(dòng)和中國廣電分別擁有100 MHz、60 MHz 的4.9 GHz 頻段帶寬。若兩家針對行業(yè)客戶分別獨(dú)立建設(shè)5G 專網(wǎng)，均具備相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)能力，但中國移動(dòng)的容量優(yōu)勢相對明顯。若兩家4.9 GHz 頻段共享，則可以獲得更大的上下行數(shù)據(jù)速率容量、且可以在專網(wǎng)區(qū)域?qū)蓚€(gè)頻段分別應(yīng)用于室外和室內(nèi)以避免室內(nèi)外同頻干擾，獲得更佳效果。

4 結(jié)束語

本文針對基于4.9 GHz 頻段的5G 專網(wǎng)的室外及室內(nèi)覆蓋能力、上下行容量能力進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，且在落地案例中已經(jīng)獲得較好的驗(yàn)證，并給出中國移動(dòng)和中國廣電基于4.9 GHz 部署5G 專網(wǎng)的建議，希望能為國內(nèi)5G 專網(wǎng)建設(shè)提供參考。