NR 900 MHz和NR 2.1 GHz网络覆盖性能对比

2022-09-16苗守野李福昌

邮电设计技术 2022年8期

刘洋，苗守野，王伟，李福昌

（1.中国联通研究院，北京 100048；2.中国联合网络通信集团有限公司，北京 100033）

1 概述

5G 连接能力不断拓展，应用边界继续扩展，逐渐实现赋能千行百业，推动数字经济与实体经济融合。频率和带宽分配是影响5G 建设和运营策略最直接和最重要的因素之一，5G 频谱一般分为低频（小于1 GHz 频段）、中频（1～6 GHz 频段）和高频（毫米波频段），目前国内大部分5G 网络部署在中频。中频相较低频（700～900 MHz）传输损耗大，穿透能力弱，对于深度覆盖场景，中频宏站覆盖穿透多面墙体的室内场景效果不好，没有5G 室分覆盖的情况下部分流量仍需4G 网络承载，影响用户体验；对于农村场景，投资收益率低，中频覆盖建站密度大，使用中频段建设5G 网络很难实现收支平衡。因此，利用低频段建设5G 网络，与中频5G网络混合组网，满足深度覆盖和农村广覆盖需求成为5G网络建设的最佳选择。本文对低频5G网络（900 MHz）与中频5G 网络（2.1 GHz）进行理论分析对比，并进行测试验证，论证低频5G 网络相较中频5G网络的覆盖优势。

2 理论分析

本文通过链路预算的方法对低频5G 网络（900 MHz）与中频5G 网络（2.1 GHz）进行理论分析对比。链路预算是通过对发射端到接收端之间的各种增益、衰减进行预算，从而估算信号能成功从发射端传送到接收端之间的最大距离。

最大允许路径损耗（MAPL）通过下式计算：

式中：

Pmax——发射机最大发射功率

GTx——发射机天线增益

GRx——接收机天线增益

LOSSbody——人体损耗

Marginshadowfading——阴影衰落余量

Margininterference——干扰余量

LOSSpenetration——建筑物穿透损耗

SRx——接收机灵敏度，SRx=接收机底噪+SINR解调门限，其中SINR 解调门限与边缘速率、分配RB数、MCS 等参数相关

无线网常用的2 类宏蜂窝传播模型是Okumura-Hata 和Cost231-Hata，其中Okumura-Hata 模型适用频率为150～1 500 MHz，Cost231-Hata模型适用频率1 500～2 600 MHz。本文对NR 900 MHz 的覆盖分析采用Okumura-Hata 模型，对于NR 2.1 GHz 的覆盖分析采用Cost231-Hata模型。

假设NR 900 MHz、NR 2.1 GHz基站位于同一位置且天线挂高均为20 m，基站侧MIMO 配置为4T4R，单通道发射功率相同，即每10 MHz 带宽发射功率为4×20 W，子载波间隔为15 kHz，终端侧MIMO 配置NR 900 MHz 为1T2R，NR 2.1GHz 为1T4R。为便于与测试结果进行对比，假定基站方向角沿道路方向，阴影衰落取0 dB。以一般城区场景为例，链路预算结果如表1所示。

从表1 可以看出，假设接收到的SSB-RSRP 为-100 dBm，NR 900 MHz 与基站直线距离为2.16 km，NR 2.1 GHz与基站直线距离为1.42 km；如果接收到的SSB-RSRP 为-105 dBm，NR 900 MHz 与基站直线距离为2.96 km，NR 2.1 GHz与基站直线距离为1.95 km。

表1 NR 900 MHz与2.1 GHz链路预算对比（覆盖距离）

表2 为距离基站相同位置，NR 900 MHz 与NR 2.1GHz 接收到的SSB-RSRP 理论分析对比。结果显示，相同位置NR 2.1 GHz 接收的SSB-RSRP 比NR 900 MHz低6.5 dB左右。

表2 NR 900 MHz与2.1 GHz链路预算对比（SSB-RSRP强度）

进一步地，基于3GPP TS 38.901 不同频段不同材质的穿透损耗计算方法，从深度覆盖角度分析，表3为穿透不同材质墙体，NR 2.1 GHz 与NR 900 MHz 终端接收到的SSB-RSRP 差值。结果显示，深度覆盖场景下，相同位置NR 2.1 GHz 接收的SSB-RSRP 比NR 900 MHz低6.7～11.4 dB。

表3 900 MHz和2.1 GHz深度覆盖对比

综上，理论分析结果显示，无论是室外或深度覆盖，NR 900 MHz的覆盖性能均明显优于NR 2.1 GHz。

3 测试验证

3.1 单站拉远

选取某小型城市搭建测试环境，NR 900 MHz、2.1 GHz共站部署，天线挂高均为20 m。NR 900 MHz带宽为10 MHz，NR 2.1 GHz 带宽为40 MHz。2 个频段基站侧MIMO 配置均为4T4R。NR 900 MHz 发射功率为4×20 W，NR 2.1GHz 发射功率为4×80 W。测试终端在NR 900 MHz MIMO 配置为1T2R，在NR 2.1 GHz MIMO配置为1T4R。测试小区方向角沿道路方向，测试终端进行灌包业务，沿测试道路以30 km/h 车速进行拉远测试，以对比900 MHz 频段和2 100 MHz 频段的广覆盖性能。

图1 为灌包测试过程中SSB-RSRP 的测试结果，测试结果显示：NR 900 MHz 在与基站直线距离为2 255 m 时，SSB-RSRP 开始低于-100 dBm，与基站直线距离为2 815 m 时，SSB-RSRP 开始低于-105 dBm；NR 2.1 GHz 在与基站直线距离为1 425 m 时，SSBRSRP 开始低于-100 dBm，与基站直线距离为2 165 m时，SSB-RSRP 开始低于-105 dBm；同一位置，NR 900 MHz SSB-RSRP 明显优于NR 2.1 GHz，总体比NR 2.1 GHz高6～10 dB。

图1 单站拉远SSB-RSRP测试结果

综上，NR 900 MHz在室外场景覆盖性能明显优于NR 2.1 GHz，获得相同目标SSB-RSRP，NR 900 MHz覆盖距离相较NR 2.1 GHz远600 m以上。

3.2 深度覆盖

选取上述城市2个建筑物进行测试，图2为2个建筑物的平面图，箭头方向为天线覆盖方向。建筑物1测试房间为6 层建筑的2 层，建筑物2 测试房间为6 层建筑的1 层（底商），建筑物1 与基站间的距离相较建筑物2近，分别选取不同位置的0～6号共7个点位进行定点测试和屋内遍历测试（建筑物阳台为玻璃窗，测试过程中阳台窗户打开，即点位0 为室外覆盖场景）。基站站高约为20 m，NR 900 MHz 和2.1 GHz 共天线，其他基站和终端配置与拉远测试相同。

图2 室内测试建筑物平面图

在屋内进行下行灌包和VoNR 语音2 项业务的遍历测试，并分别在0～6 点位进行下行灌包和VoNR 语音业务定点测试，每项业务在每个点位持续1 min，记录平均SSB-RSRP、下行速率和MOS 值，表4 为建筑1的测试结果。

测试结果显示：深度覆盖场景下，屋内穿透的墙体越多，接收到信号强度越低，表4中终端在点位2（穿透2 面墙体）接收到的SSB-RSRP 明显低于在点位1（穿透1 面墙体）接收到的SSB-RSRP；穿透墙体越厚，终端接收到的SSB-RSRP 越低，表4 中终端在点位6（穿透1 面60 cm 外墙）接收到的SSB-RSRP 明显低于在点位1（穿透1 面40 cm 墙体）；终端位置越深，即距离信号射入墙体或窗户越远，终端接收到的SSBRSRP 越低，表4 中终端在点位4、5 接收到的SSBRSRP明显低于点位1、2、3。

表4 建筑物1室内覆盖测试结果

对比2 个频段的深度覆盖情况，NR 900 MHz 深度覆盖性能明显优于NR 2.1 GHz。相同点位，NR 900 MHz终端接收到的SSB-RSRP相较NR 2.1 GHz总体高10 dB 左右，穿透墙体越多、墙面越厚，NR 900 MHz 覆盖性能相较NR 2.1 GHz 优势越明显；业务性能方面，建筑物离基站位置较近，深度覆盖信号强度尚可，因此2 个频段语音业务质量均表现良好，数据业务方面由于NR 2.1 GHz 配置40 MHz 带宽，数据速率优于NR900MHz。

表5为建筑物2的测试结果，与建筑物1结论基本一致：覆盖性能方面，总体上900 MHz深度覆盖性能明显优于NR 2.1 GHz；相同点位，NR 900 MHz 终端接收到的SSB-RSRP相较NR 2.1 GHz高9～15 dB，且穿透墙体越多、墙面越厚、终端位置越深，NR 900 MHz覆盖性能相较NR 2.1 GHz 优势越为明显。业务性能方面，室内较深处，NR 900 MHz数据业务表现和语音业务表现均明显优于NR 2.1 GHz；点位3、4、5、6，NR 2.1 GHz 由于覆盖质差发生数据下载业务掉线，而NR 900 MHz仍然保持一定的下载速率；点位5、6，NR 2.1 GHz 由于覆盖质差发生语音业务掉话，而NR 900 MHz仍然保持较好的MOS值。

表5 建筑物2室内覆盖测试结果

综上，NR 700 MHz 和900 MHz 在深度场景覆盖性能和业务表现明显优于NR 2.1 GHz，穿透墙体越多、墙面越厚、终端位置越深，NR 900 MHz优势越为明显。

4 结论

表6 为相同位置通过理论分析和测试验证获得的NR 900 MHz 与NR 2.1 GHz 信号强度差值，包括室外覆盖和深度覆盖2 个场景。结果显示，同一位置在室外场景和深度覆盖场景，NR 900 MHz覆盖性能均明显优于NR 2.1 GHz，室外场景相同点位NR 900 MHz接收信号强度相较NR 2.1 GHz 高6～10 dB；深度覆盖场景，NR 900 MHz 在相同点位接收到的SSB-RSRP 相较NR 2.1 GHz 高9～15 dB。表7 为获得相同信号强度，NR 900 MHz与NR 2.1 GHz的覆盖距离对比，理论分析和测试结果均表明，获得相同信号强度情况下，NR 900 MHz覆盖距离相较NR 2.1 GHz远600 m以上。