5G 多頻段組網和優化策略研究

袁 滿，劉曉燕，王 科

(中國聯通山東省分公司，山東 濟南 250001)

0 引言

5G 網絡共建共享為移動網絡發展和運營帶來機遇的同時，也帶來諸多技術層面的挑戰。以中國聯通和中國電信5G 共建共享網絡為例，目前兩家運營商已經在3.5 GHz 頻段進行了網絡共建共享，同時又分別在2.1 GHz頻段擁有25 MHz 和20 MHz 帶寬。2.1 GHz 和3.5 GHz 頻段在5G 網絡中如何合理高效地利用是目前運營商考慮的重要問題。本文在對5G NR 2.1 GHz 和3.5 GHz 頻段的覆蓋性能、業務承載等方面進行對比分析的基礎上，對不同場景下的組網建議和載波間移動策略進行探索，旨在為后續5G 雙頻段組網規劃提供重要依據。

1 5G NR 2.1 GHz 和3.5 GHz 頻段鏈路預算理論分析

根據自由空間傳播模型[1](式(1))，傳播距離(D)越遠，路徑損耗越大，電磁波的頻率(F)越高，路徑損耗也越大。以1.8 GHz 為基準，2.1 GHz 比1.8 GHz 的自由空間傳播損耗多1 dB，3.5 GHz 比2.1 GHz 的自由空間傳播損耗多5 dB。如果再考慮衍射和穿透損耗等因素，總體傳播損耗的差異還會增大。

鏈路預算是從理論上評估無線網絡覆蓋的有效手段，通過對上下行信號傳播途徑中各種因素的綜合理論考察，對系統覆蓋能力進行評估，獲得在保持一定的通信質量下鏈路所允許的最大傳播損耗，再使用相應的模型來計算出小區覆蓋的半徑[2]。鏈路預算流程如圖1 所示。

圖1 鏈路預算流程

鏈路預算質量需求如下：

(1)在網絡中x%概率保障y Mb/s 的感知，如98%的概率滿足25 Mb/s(下行)、5 Mb/s(上行)。

(2)滿足上行業務容量需求，如上行每平方公里業務需求為50 Gb/s。

(3)滿足下行業務容量需求，如下行每平方公里業務需求為100 Gb/s。

鏈路預算輸入包含天線配置、RBS 功率(如100 W 或200 W)、UE 發射功率(如23 dBm 或26 dBm)、帶寬、頻 段、上下行配置和特殊子幀配置等。

上行估算：逐漸增大站間距，確定滿足質量需求的最大站間距；在給定站間距場景下，如果質量達不到要求，則需要放寬質量要求或更改輸入條件。

下行估算：計算下行質量和容量滿足情況，當不滿足時，縮小站間距，直至滿足設計目標。

控制信道：驗證小區邊緣的控制信道性能，如果控制信道不能滿足要求，縮小站間距，直至滿足設計目標。

以3.5 GHz 上下行鏈路預算為例，3.5 GHz 下行性能明顯優于上行性能，如圖2 所示；按照5G 規劃速率目標，上行覆蓋范圍明顯小于下行，如圖3 所示。基于現網4G 基站的平均站間距，下行連續覆蓋可行性高，但上行連續覆蓋挑戰很大。

圖2 NR 3.5 GHz 上下鏈路預算分析

圖3 3.5 GHz 上下行鏈路估算差異示例

以現網4G 1.8 GHz 頻段為基準點，按照1 Mb/s 上行邊緣速率的基準規劃標準[3]，鏈路預算結果顯示，鏈路儲備2.1 GHz 4TR 優于3.5 GHz 64TR 約1.2 dB，優于3.5 GHz 32TR 2.3 dB，如表1 所示。

表1 鏈路預算結果

根據小區半徑預算結果(如表2 所示)，考慮到實際部署中3.5 GHz 天線掛高低于1.8/2.1 GHz，而當前3.5 GHz大都是與4G LTE 共站址建設，因而5G 上行覆蓋挑戰較大[6]，需要進一步增加站址才能滿足連續覆蓋的要求。

表2 小區半徑結果

2 多場景組網方案

2.1 5G 網絡高低頻協同共建共享模式

NR 2.1 GHz 和NR 3.5 GHz 雙頻搭配組網不僅可以提升5G 網絡容量和覆蓋，還能夠降低因互操作帶來的業務感知時延，提高5G 網絡對高速移動用戶的支持能力[8]。NR 2.1 GHz 可以低成本部署，進行廣覆蓋和深度覆蓋，快速實現大片區域連續覆蓋[9-10]。而3.5 GHz 頻段網絡原則上可以先在熱點區域按需部署，根據數據流量需求情況逐步拓展到更多的區域。移動策略上，在業務需求不高時，可以將5G 終端切換到2.1 GHz 網絡，視具體情況選擇關閉3.5 GHz 載波、通道和天線，以降低網絡能耗；2.1 GHz 網絡不滿足需求時，按需開啟3.5 GHz高頻段網絡。在5G 網內兩個頻段間切換可以達到毫秒級響應，時延比在4G 和5G 系統之間切換要小得多。

統籌考慮技術演進、市場需求、競爭態勢、經濟效益四要素，利用2.1 GHz 打造高低頻協同，3.5 GHz 以64TR宏蜂窩站型為主，同時2.1 GHz 5G 網絡提供基礎覆蓋，避免大規模增補3.5 GHz 新站帶來的投資壓力。同時，對電聯來說3.5 GHz 的共享載波模式可以利用雙方的200 MHz 帶寬實現靈活組網，5G 容量按需部署。以終為始，規模部署NR 2.1 GHz 與3.5 GHz 合力打造有競爭力的5G 全覆蓋網絡，整體原則如圖4 所示。

圖4 NR 3.5 GHz 和NR 2.1 GHz 組網整體原則

2.2 室外各種場景組網建議

在上述分析基礎上結合現網實際情況，有如下分場景部署建議：

(1)在發達縣城以上，優先采用3.5 GHz 進行覆蓋，2.1 GHz 用于補充深度覆蓋，密集城區優先采用3.5 GHz 64TR 組網；對于高負荷、高價值商務區、高密度住宅區三高場景，采用3.5 GHz 64TR 200 MHz 雙載頻覆蓋；對于高速、高鐵等快速移動場景，采用3.5 GHz 32TR 或8TR 覆蓋。對于像密集住宅等深度覆蓋的需求場景，與NR 3.5 GHz 共站疊加NR 2.1 GHz，利用低頻傳播優勢改善深度覆蓋效果。

(2)一般城區根據容量和建筑物類型選擇3.5 GHz 32TR 或64TR，發達縣城或者縣城核心區優先采用3.5 GHz 32TR 組網。

(3)一般縣城、鄉鎮及農村優先采用2.1 GHz 組網覆蓋，3.5 GHz 用作熱點區域擴容。

3 不同場景下的多載波策略研究

3.1 5G 多載波策略

5G SA 組網空閑態多載波策略：5G SA 組網空閑態多載波策略是基于重選優先級的差異實現不同層次網絡的駐留[11-12]。考慮到NR 3.5 GHz 網絡帶寬資源豐富，終端成熟，共站雙拼場景下建議5G 終端優先駐留在NR 3.5 GHz 網絡，因此在配置重選優先級時需遵循重選優先級NR 3.5 GHz>NR 2.1 GHz。當終端移出NR 3.5 GHz 覆蓋區，UE 將由高優先級NR 3.5 GHz 重選到低優先級NR 2.1 GHz，需滿足NR 3.5 GHz 小區電平低于服務門限且目標小區高于低優先級重選門限，才能重選到NR 2.1 GHz 小區；而當UE 移動到NR 3.5 GHz 良好覆蓋區時，UE 將由低優先級NR 2.1 GHz 重選到高優先級NR 3.5 GHz，根據重選策略，只需滿足目標小區高于高優先級重選門限即可。具體策略如圖5 所示，重選門限詳見表3。其中，S 和N 分別表示同頻重選過程中服務小區和目標小區的信號強度，S_cell 和N_cell 分別指在異頻重選過程中服務小區和異頻目標小區的信號強度。

圖5 空閑態重選策略

表3 空閑態多載波重選門限設置

5G SA 組網連接態多載波策略[13-14]：SA NR 為3.5 GHz頻點時，在高穿損區域(例如建筑物密集區域)電平下降較快，此時終端需要回落到NR 2.1 GHz 網絡；如果SA NR 用NR 2.1 GHz 頻點組網，覆蓋可能好于NR 3.5 GHz，可以將NR 2.1 GHz 作為底層覆蓋網絡。結合NR 3.5 GHz和NR 2.1 GHz 容量和覆蓋性能，移動性切換策略總體思路如圖6 所示。

圖6 連接態移動策略

(1)各頻段之間均開啟雙向切換。

(2)NR 3.5 GHz 頻段向NR 2.1 GHz 頻段的切換采用A5 事件(源側差、目標好)，通過設置A5 門限，讓用戶盡量駐留在NR 3.5 GHz 頻段，在3.5 GHz 信號差的情況下才切換到2.1 GHz 頻段。

(3)NR 2.1 GHz 向NR 3.5 GHz 切換時采樣A4 事件，當3.5 GHz 信號滿足A4 門限時，切換到3.5 GHz 頻段，讓用戶盡量使用頻率資源豐富的3.5 GHz 頻段，以保障使用感知。

(4)相同優先級之間采用A3 事件(相比最好)，保證用戶及時切換到信號好的小區。

5G SA 組網多載波語音策略：5G SA 網絡下語音業務解決方案有兩種方式：(1)SA 網絡建網初期采用EPS FB，(2)當SA 網絡成熟后采用VONR。目前5G 網絡上使用的語音業務解決方案是EPS FB。EPS FB 回落模式有3 種[14]：盲重定向、基于測量重定向、基于測量IRAT HO。回落方式選擇還需要考慮N26 支持情況。

(1)AMF 不支持N26 接口：NG-RAN 只能采用重定向方式。

(2)AMF 支持N26 接口：NG-RAN 可以采用切換或者重定向方式。

EPS FB 3 種回落方式各有利弊，表4 從技術實現、回落時延及網絡配置要求等三方面進行了對比。盲重定向的回落時延最短且技術實現最簡單，回落穩定性(容錯性)最高。在網絡建設初期，覆蓋不連續，鄰區關系不穩定，建議EPS FB 回落使用盲重定向方式。

表4 3 種EPS FB 回落方式對比

3.2 不同場景的策略設置建議

3.2.1 熱點區域多層組網場景

在某些特殊場景如校園和工業園區，話務較為集中，100 MHz 帶寬不足以滿足用戶需求，需要開通NR 3.5 GHz雙載波，滿足容量需求。而在住宅密集區域，為了保證深度覆蓋效果，需NR 2.1 GHz 和NR 3.5 GHz 協同覆蓋。

(1)NR 3.5 GHz 頻段雙載波覆蓋區域：典型覆蓋場景有高校、交通樞紐、機場、地鐵、大型活動保障場景(音樂節、體育賽事、啤酒節等)、三甲醫院、大型購物中心、高檔寫字樓、聚類市場及大型酒店等。該類場景用戶密集，話務量高，建議開通NR 3.5 GHz 載波聚合功能[15]，有效提高用戶感知速率。由于兩個載波的帶寬都是100 MHz，覆蓋性能相同。重選方面采用同優先級異頻重選方案：兩個3.5 GHz 載波的優先級均為6，異頻啟動門限(SNon-IntraSearch)為-110 dB～-105 dBm。連接態策略詳見圖7，不同載波間采取異頻A3 事件(相比最好)，保證用戶及時切換到信號好的載波，兩個同覆蓋載波開通載波聚合功能，提升用戶感知速率。

圖7 NR 3.5 GHz 頻段雙載波覆蓋區域

(2)NR 3.5 GHz 和NR 2.1 GHz 雙頻段覆蓋區域：典型應用于NR 3.5 GHz 深度覆蓋不足、室分因各種原因無法建設的場景，如密集住宅、工業園區等。NR 3.5 GHz小區在相同信號強度下速率優勢明顯，NR 2.1 GHz 載波覆蓋效果更好，該場景下NR 3.5 GHz 小區主用于吸收話務，NR 2.1 GHz 小區重點用于加強深度覆蓋。考慮到用戶業務多為下載類業務，所以重選方面采用不同優先級重選方案：NR 3.5 GHz 重選優先級為6，NR 2.1 GHz重選優先級為5，NR 2.1 GHz 重選到NR 3.5 GHz 載波，高優先級門限(ThreshXhigh)為-114 dBm～-110 dBm；NR 3.5 GHz 重選到NR 2.1 GHz 載波，服務小區低優先級門限(threshServingLowP)為-114 dBm～-110 dBm，目標小區低優先級重選門限(ThreshXlow)為-110 dBm～-106 dBm。連接態策略參見圖8，NR 3.5 GHz 切換到NR 2.1 GHz采用A2(即異頻和異系統起測門限)+A5 方式，A2 門限為-106 dBm～-100 dBm，A5 本端門限為-114 dBm～-110 dBm，A5 對端門限為-110 dBm～-106 dBm；NR 2.1 GHz 切換到NR 3.5 GHz 載波采用A2+A4 方式，A2 門限為-95 dBm～-85 dBm，A4 門限為-110 dBm～-106 dBm。

圖8 NR 3.5 GHz+NR 2.1 GHz 雙載波覆蓋區域

3.2.2 室內外異頻組網場景

根據室分容量需求，室分頻點分為NR 3.5 GHz(建議與大網3.5 GHz 異頻)和NR 2.1 GHz 兩種情況。由于室分覆蓋有限的區域，信號很干凈，即使信號較弱時，也能保持較高SINR 值，能保證較高數據下載速率，因而本文采用宏站與室分之間的重選和切換策略使宏站盡可能及時重選或切入室分小區，室分與小區在信號較弱時才重選或切入宏站。連接態移動性策略參見圖9，優先級設置及切換門限設置詳見表5。

表5 室分NR 3.5 GHz 異頻組網參數設置

圖9 室內外組網策略

3.2.3 邊界單層異頻組網場景

典型應用場景：鄉鎮與農村邊界場景。考慮3.5 GHz和2.1 GHz 的帶寬資源，建議NR 3.5 GHz 往NR 2.1 GHz移動時切換采用A2+A5 方式，NR 2.1 GHz 往NR 3.5 GHz移動時切換采用A2+A4 方式，讓用戶盡量使用頻率資源豐富的3.5 GHz 頻段。連接態移動性策略參見圖10，優先級設置及切換門限設置詳見表6。

表6 邊界單層異頻組網參數設置

圖10 邊界單層異頻組網

4 結論

本文利用鏈路預算對比分析了3.5 GHz 和2.1 GHz覆蓋性能，結合3.5 GHz 和2.1 GHz 頻率資源情況，給出了不同場景下的3.5 GHz+2.1 GHz 高低頻組網技術方案，并結合各種組網場景給出NR 網絡多載波間的互操作策略，為下一步5G 網絡擴展建設提供了重要依據。