基于4.9 GHz 頻段的5G 專網覆蓋和容量能力研究

［陳錦浩］

1 引言

2018年12月，工信部發放了三大運營商全國范圍內的5G 中低頻段試驗頻率，中國移動獲得2 515～2 675 MHz、4 800～4 900 MHz 頻段的5G 試驗頻率資源。2020 年1月，工信部向中國廣電頒發了4.9 GHz 頻段的5G 試驗頻率使用許可。2020 年5 月中國移動宣布與中國廣電已簽署5G 共建共享合作框架協議。且工信部規定了3 300～3 400 MHz 頻段限室內使用，目前由中國電信、中國聯通和中國廣電共享。

相比于國內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的5G 專網而言，基于4.9 GHz 頻段的5G 專網在避免同頻交叉時隙干擾及面向上行大帶寬業務能力方面更具優勢。對基于4.9 GHz頻段的5G 專網的室外及室內覆蓋能力、上下行容量能力進行了分析，得出國內中國移動和中國廣電基于4.9 GHz部署5G 專網的建議，為國內5G 專網建設提供參考。

2 基于4.9 GHz 頻段的5G 專網能力

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 的鏈路預算的各個參數取值以及路徑損耗計算結果如表1 所示。

在系統參數配置相同以及相同建站條件下，可類似計算出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，在系統參數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致。

表1 3.5 GHz NR 室外覆蓋鏈路預算中各個參數的取定方法表

表2 2.6 GHz 和4.9 GHz NR 的NLOS 路徑損耗結果

5G 專網部署場景一般可參照普通城區和郊區，在這兩個場景分別采用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據速率要求而密集組網的專網場景，在對數據速率要求不高的專網場景，可以因地制宜適當提高建站高度來同時滿足覆蓋和容量的要求、并節省專網建設成本。

2.2 室內覆蓋能力

在室內覆蓋中，不同頻段用于不同制式網絡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。

由于傳統室分系統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、難以滿足高數據流量增長需求等問題，因此數字化室分是5G 室分建設的主流趨勢。數字化室分信源可看作是發射功率較低的基站設備，因此可以類似室外覆蓋的鏈路預算來計算室內覆蓋半徑。

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

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

該模型已經包含了不同頻段的空間損耗（與頻率相關）和穿透損耗的差異。

數字化室分不需考慮饋線損耗，因此我們在計算時只需分析建筑物穿透損耗。

（1）建筑物穿透損耗

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

表4 材料穿透損耗

可計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）室內覆蓋半徑計算結果（穿透1 堵混凝土墻）

基于：室分信源基站pRRU 高度為3 m，4T4R pRRU 發射功率為1 000 mW（30 dBm），室分信源4T4R 內置天線增益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，其余鏈路預算參數類似表1 取定，則可以計算出2.6 GHz、3.35 GHz、4.9 GHz 頻段NR 單個pRRU 的室內覆蓋能力如表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，數字化室分中4.9 GHz 頻段單pRRU 室內覆蓋半徑是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 目前國內運營商室分pRRU 間距在非空曠場景一般為10～35 m，根據表5，5G專網室分系統建設采用4.9 GHz頻段時pRRU 覆蓋半徑完全可以滿足這些場景的要求。

（3）其余室內場景覆蓋能力

①在空曠區域，可視為穿透損耗為0，類似上述計算過程，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，目前國內運營商室分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境下，根據表4公式計算可知，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，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3GPP TS 38.306[3]協議，NR 單頻段、載波聚合情況下的下行和上行的最大數據速率可由下式計算：

其中：

J：是一個頻段或頻段組合中的聚合載波的數目

Rmax=948/1024，Rmax 為最大編碼率，5G NR 數據信道編碼采用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

根據公式（2），5G 系統容量只和RB 數、MIMO 流數、調制方式等有關，和所在頻段高低無直接關系。

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

表6 5G 基站下行峰值數據速率、UE 接收峰值數據速率、上行峰值速率計算結果

（2）5G 專網上行大帶寬需求及計算

在5G 專網應用的場景中，很多場景需要上行高速率傳送數據。以工業互聯網為例，在《5G 與工業互聯網融合應用發展白皮書》[5]的八大場景中，較多場景需要上行數據速率幾十Mbit/s 乃至幾百Mbit/s，比如5G+AR 遠程協助的“輔助裝配”場景、5G+遠程控制的“圖像/視頻流上傳”場景、5G+機器視覺的“8K 圖像信息實時上傳”場景，均要求上行通信速率大于50 Mbit/s，5G+云化AGV 的“實時通信需求（SLAM）”場景最大需要高達200 Mbit/s 的上行帶寬。

目前運營商公網的上下行時隙配置難以滿足5G 專網上行大帶寬場景的需求。基于4.9 GHz 頻段的5G 專網可以靈活設置時隙配比，例如采用時隙配比為1D1S3U 的專屬幀結構、且特殊時隙主要用來傳上行數據，則按公式（2）可計算上行峰值速率為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 工業專網在鞍鋼智慧煉鋼中的應用[6]中，實現上行帶寬達750 Mbit/s；中國移動研究院自主設計的4.9 GHz 小站[7]，上行速率實測可達680 Mbit/s以上。這些實際應用也驗證了上面的理論計算結果。

3 基于4.9 GHz 部署5G 專網的建議

（1）5G 行業應用專網部署區域大多數面積不是很大、且大多數應用場景是在室內。基于4.9 GHz 部署的5G 專網的室外覆蓋能力相對較弱一些，但在室內場景其覆蓋能力以及建網成本方面和Sub 6G 其他頻段并無差異，且可避免和5G 公網同頻交叉時隙干擾、以及在上行大帶寬場景更具靈活時隙配置的優勢，因此在國內目前5G 頻率分配政策下，基于4.9 GHz 部署5G 專網是相對較好的選擇。

（2）在對上行數據速率要求不是很高的場景、或者下行和上行數據速率均要求比較高的場景，4.9 GHz 頻段5G 專網可以根據實際上下行業務需求進行具體測算后采用合適的時隙配比，例如選擇時隙配比為2D1S2U 的幀結構等。

（3）目前中國移動和中國廣電分別擁有100 MHz、60 MHz 的4.9 GHz 頻段帶寬。若兩家針對行業客戶分別獨立建設5G 專網，均具備相應網絡能力，但中國移動的容量優勢相對明顯。若兩家4.9 GHz 頻段共享，則可以獲得更大的上下行數據速率容量、且可以在專網區域將兩個頻段分別應用于室外和室內以避免室內外同頻干擾，獲得更佳效果。

4 結束語

本文針對基于4.9 GHz 頻段的5G 專網的室外及室內覆蓋能力、上下行容量能力進行了詳細的理論分析，且在落地案例中已經獲得較好的驗證，并給出中國移動和中國廣電基于4.9 GHz 部署5G 專網的建議，希望能為國內5G 專網建設提供參考。