5G 2.1 GHz 40 MHz FDD带宽增强的覆盖与组网能力研究

周阅天，胡春雷，魏明烁，谢伟良（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

1 概述

在中国5G建设的规划中，国内运营商在频率上使用高低频协同，发挥3.5 GHz 容量优势和2.1 GHz 覆盖优势，高低频协同打造差异化网络。其中，价值区域采用3.5 GHz 实现连续覆盖，2.1 GHz 针对性强化室内浅层覆盖；广覆盖区域采用2.1 GHz 实现基础覆盖层，3.5 GHz 按需动态扩容［1］。随着3GPP Release16 RAN4在2020年7月冻结了2.1 GHz大带宽标准［2］，中国电信与中国联通整合现有频率资源共建共享，在2.1 GHz部署40 MHz 的5G 网络［3］。终端产业方面，2021 年6月支持2.1 GHz 40 MHz 的终端开始商用，2021 年底有超过25%的5G 终端支持40 MHz 大带宽。因此，如何部署2.1 GHz 40 MHz网络，使其成为3.5 GHz 100 MHz网络的强力补充，打造2.1 GHz+3.5 GHz高低频协同的精品网络成为业界急需解决的问题。

由于3.5 GHz 100 MHz网络已经完成商用部署，对比分析2.1 GHz 40 MHz 与3.5 GHz 100 MHz 的覆盖能力与组网性能对运营商有极大的参考意义。为此，本文通过理论计算说明2.1 GHz 40 MHz FDD 网络与3.5 GHz 100 MHz TDD 网络的容量差异与覆盖能力差异；并设计外场单站拉远实验与组网DT 实验验证2 种网络制式的性能，为运营商部署网络提供参考。

2 理论计算

2.1 FDD与TDD的容量计算

2.1 GHz 40 MHz与3.5 GHz 100 MHz 2种通信制式的具体参数如表1所示。

表1 2.1 GHz NR与3.5 GHz NR的配置参数

3GPP TS 38.306中的容量计算公式如下［4］：

式中：

J——载波聚合数目，本文只考虑单载波情况，因此可以忽略

V——MIMO 层数，2 种通信制式下行最大层数都为4，上行最大层数由终端发射天线数决定，1T终端上行最大1层，2T终端上行最大2层

Q——调制阶数，256QAM对应8 bit

F——扩展系数，与帧结构的上下行配比相关，FDD 的f=1，TDD 2.5 ms 双周期可近似为上行f=0.7，下行f=0.3

R——码率，信道质量越好码率越大，最大为948/1 024，可近似为0.9

OH——开销，可近似为上行OH=0.1，下行OH=0.2，上下行的（1-OH）分别为0.9与0.8

N——RB 的个数，与子载波间隔和带宽相关，40 MHz 带宽下SCS=15 kHz 有216 个RB，100 MHz 带宽下SCS=30 kHz有273个RB

T——每个OFDM 符合的时间长度，与子载波间隔相关，SCS=15 kHz 时，T=，SCS=30 kHz时，T=［4］。

根据以上分析，3.5 GHz 100 MHz TDD 网络的2T4R终端上下行近似计算式（2）和（3）所示：

2.1 GHz 40 MHz FDD 网络的2T4R 终端上下行近似计算公式如式（4）和式（5）所示，1T4R终端上行最大速率的层数为1，下行相同，此处不过多赘述：

通过以上公式可以计算得到3.5 GHz 100 MHz TDD 网络的上行和下行峰值容量分别近似为308.2 Mbit/s 和1 643.8 Mbit/s；2.1 GHz 40 MHz FDD 网络的上下行峰值容量分别近似为406.5 Mbit/s（2T）、203.8 Mbit/s（1T），929 Mbit/s。通过理论计算结果可以看出，2.1 GHz FDD 对比3.5 GHz TDD 具有上行容量优势，而3.5 GHz TDD的下行容量优势非常明显。

2.2 FDD与TDD的链路预算

通过链路预算评估基站的覆盖能力，需要知道相同边缘速率下，不同频段通信制式的路径损耗，将其代入传播模型从而计算出基站的覆盖距离。3GPP TS 38.901 中给出了5G 不同场景的传播模型［5］，表2 给出了Uma 场景的传播模型，适用于室外城郊宏站组网场景。

表2 Uma传播模型计算模型［6］

表2 中的PL 与具体的设备能力和边缘速率相关，可根据式（6）和式（7）计算得出［7］。

式中：

PRS_UE、PRS_BS——固定边缘速率下终端与基站的导频功率

Ga_UE、Ga_BS——终端与基站的天线增益

SUE、SBS——终端与基站的接收灵敏度

Lf_BS——馈线损耗

Mf——阴影衰落余量

Mi——干扰余量

Lp——建筑物穿透损耗

Lb——人体损耗

针对2.1 GHz 40 MHz 与3.5 GHz 100 MHz 的上下行链路预算分别如表3和表4所示，表3说明了上行边缘速率为3 Mbit/s时，2.1 GHz 40 MHz有4～5 dB的覆盖优势。表4 说明了下行边缘速率为100 Mbit/s 时，3.5 GHz 100 MHz有大约4 dB的覆盖优势。

表3 2.1 GHz 40 MHz与3.5 GHz 100 MHz的上行链路预算

表4 2.1 GHz 40 MHz与3.5 GHz 100 MHz的下行链路预算

链路预算与容量计算从理论上分析了2.1 GHz 40 MHz与3.5 GHz 100 MHz的性能与覆盖能力，具体还需要外场实验进一步验证。

3 单站覆盖能力对比实验

单站覆盖能力对比实验采用单站拉远测试的方式验证。极限拉网测试与站点高度等工程参数、周边环境、干扰等因素相关，远点强度较弱会放大干扰因素。因此本文选择了3 条拉远路径进行多次拉远测试，选择其中1条拉远路径的实验数据进行分析，具体的实验环境与工参如图1所示。

图1 极限拉远路线与实验环境

3.1 下行覆盖对比

使用2.1 GHz 的4×40 W 和4×60 W 与3.5 GHz 的160 W 和200 W 各2 种功率配置，在图1 所示的路径上进行多次拉远测试直至终端掉线。下行PDCP 层速率与拉远距离的关系如图2 所示，为了更加直观地对比2.1 GHz FDD 40 MHz 与3.5 GHz TDD 100 MHz 的覆盖能力，图2 只提供了2 条高功率配置的曲线，因为同制式高低功率的拉远曲线趋势大致相同。图2 表明，中近点3.5 GHz 下行有明显的速率优势，远点3.5 GHz 略高于2.1 GHz，但由于频段优势，极限距离2.1 GHz好于3.5 GHz。

图2 下行PDCP速率拉远测试结果

图3 所示为4 种功率配置的边缘覆盖距离对比，可以看出提高网络设备的功率配置对覆盖距离有一定的提升。

图3 下行边缘覆盖距离对比

3.2 上行覆盖对比

上行覆盖测试与网络设备功率配置无关，因此只需固定一种功率配置即可。由于现网2.1 GHz FDD 存在大量1T 终端，需要对3.5 GHz 2T、2.1 GHz 2T、2.1 GHz 1T 3 种终端进行拉远测试。测试结果如图4 所示，可以看出2.1 GHz 2T 上行速率有明显的优势，2.1 GHz 1T 凭借着频段优势与3.5 GHz 2T 速率相差不大，在中近点处略低于3.5 GHz 2T，在远点处高于3.5 GHz 2T。图5 展示了上行边缘覆盖距离对比结果，3 Mbit/s边缘速率：2.1 GHz 2T＞3.5 GHz 2T＞2.1 GHz 1T；1 Mbit/s边缘速率：2.1 GHz 2T＞2.1 GHz 1T＞3.5 GHz 2T。

图4 上行PDCP速率拉远测试结果

图5 上行边缘覆盖距离对比

4 组网能力对比

为对比2.1 GHz 40 MHz FDD 与3.5 GHz 100 MHz TDD 网络的组网能力，选择了一处2.1 GHz 与3.5 GHz基站共站址的场地进行驱车拉网实验，2.1 GHz 4×60 W 与3.5 GHz 200 W 的25%负载路测图与站点分布如图6所示。按照图6所示路线，测试2.1 GHz与3.5 GHz的下行4 种功率配置与上行3 种终端在空载、25%负载、50%负载情况下的组网速率。在拉网测试中，2.1 GHz 的平均RSRP 要高于3.5 GHz 约6 dB，但2 种制式的平均RSRP都高于-85 dB，实验区域信号覆盖良好。

图6 驱车测试路测图

4.1 下行组网能力对比

下行需要测试2 种制式的4 种功率配置与3 种负载情况，共12组数据，测试结果如图7所示。从图7可以看出，3.5 GHz的下行速率具有明显优势，大约是2.1 GHz 的1.5 倍；25%加载情况下，2 种制式下行速率下降约40%，由于目前5G 用户较少，此情况最符合网络现状；50%加载情况下，3.5 GHz 下降约8%，2.1 GHz 下降约17%。除此以外，通过相同制式不同功率间的对比可以看出，当网络信号覆盖良好时，提升网络设备发射功率并不能带来更好的速率体验，反而会加强小区间干扰，使速率略微下降。

图7 拉网测试下行PDCP层速率测试结果

4.2 上行组网能力对比

根据发射天线数目，上行需要测试2 种制式的3种终端，与网络功率配置无关，共3 组数据，测试结果如图8所示。2.1 GHz 2T的上行速率优势明显，相较于3.5 GHz 2T 有接近于50%的提升，对5G 上行覆盖增强有明显效果；2.1 GHz 1T 的上行平均速率略低于3.5 GHz 2T，但是小区边缘的表现会略好于3.5 GHz。

图8 拉网测试上行PDCP层速率测试结果

5 总结

本文通过对比3.5 GHz TDD 100 MHz 网络和2.1 GHz FDD 40 MHz 带宽增强网络的覆盖能力与组网性能，并设计实验进行验证，为室外部署2.1 GHz 带宽增强网络提供了参考。

单站拉远实验结果表明，3.5 GHz下行速率具有明显优势，但是2.1 GHz的覆盖能力更强，5 Mbit/s边缘距离可达8 km；2.1 GHz 2T 的上行速率具有明显优势，2.1 GHz 1T 的能力接近3.5 GHz 2T，1 Mbit/s 边缘距离要更远。组网实验结果表明，下行速率3.5 GHz 比2.1 GHz高约1.5倍；上行速率2.1 GHz 2T最高，3.5 GHz 2T略高于2.1 GHz 1T，但在小区边缘2.1 GHz 1T 高于3.5 GHz 2T。