700 MHz频段在5G网络优化中的应用研究

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。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。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。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。

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））。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。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。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。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。

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：

其中，Ls表示自由空间损耗，f表示频率（单位为MHz），d表示距离（单位为km）。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。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，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。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。

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。

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。

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。

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。

因此，建议对700 MHz频段SSB（synchronization signal 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。

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。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。

● 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。

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。

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。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；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；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。

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。