何二朝，張慧麗，陳 樂，王雙鎖，初彥萍（1.河北電信設(shè)計(jì)咨詢有限公司，河北 石家莊 050021；2.石家莊市寬帶接入與傳送網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021）

1 概述

在農(nóng)村，百姓對5G的接受度可能比某些一線城市居民還高。鄉(xiāng)村居民以留守老人和孩童為主，主要通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)離家鄉(xiāng)的親人聯(lián)系，對視頻通話、在線教育等大帶寬、低時(shí)延的應(yīng)用更加渴求。另外，隨著鄉(xiāng)村居民生活的改善，他們的精神文化生活也更加豐富。中國移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所支撐的短視頻、直播、高清影視等應(yīng)用，讓一大批鄉(xiāng)村詩人、舞蹈愛好者等走紅網(wǎng)絡(luò)，也讓更多人看到了散落在鄉(xiāng)村的藝術(shù)之花。此外，“田園綜合體”也正在崛起，成為城市人的新娛樂勝地，這在節(jié)假日已成為常態(tài)，帶動(dòng)了鄉(xiāng)村旅游經(jīng)濟(jì)和田園社區(qū)的發(fā)展。在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的諸多重大惠農(nóng)項(xiàng)目中，不乏數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)、綠色高效特色農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園、電子商務(wù)進(jìn)農(nóng)村等。而大帶寬、低時(shí)延、廣連接等5G網(wǎng)絡(luò)特性，也成為鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)解鎖長期繁榮的關(guān)鍵力量。

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村的5G網(wǎng)絡(luò)良好覆蓋，網(wǎng)絡(luò)頻段的選取至關(guān)重要。低頻是實(shí)現(xiàn)廣覆蓋的最佳選擇，中國移動(dòng)與中國廣電的700 MHz 共建共享已落地實(shí)施，中國聯(lián)通和中國電信的5G 廣覆蓋有3 個(gè)選擇，一是與中國移動(dòng)和中國廣電通過談判共享700 MHz，沒有主動(dòng)權(quán)，且沒有獲得政策性支持；二是在現(xiàn)有800 MHz 和900 MHz 頻段上部署，這2 個(gè)頻段已被2G/3G/4G 占用，即使采用動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)開通5G，可用帶寬也太小，難于發(fā)揮5G 的優(yōu)勢，只適合于有5G 需求但對帶寬要求不高的場景，比如山區(qū)農(nóng)村；三是在中頻部署，覆蓋范圍小一點(diǎn)，但可用帶寬大，成為5G 進(jìn)行廣覆蓋的主要備選方案之一，如平原農(nóng)村。

位于中頻的2.1 GHz 和3.5 GHz，分別用于LTE 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和城市5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，在農(nóng)村使用較少，可以直接用于5G建設(shè)。2.1 GHz與1.8 GHz間隔較小，覆蓋范圍接近，在覆蓋上更具優(yōu)勢，設(shè)備形態(tài)主要是4TR 設(shè)備；3.5 GHz支持大規(guī)模天線，并且?guī)捀?，在容量上更具?yōu)勢，在低話務(wù)場景中，設(shè)備形態(tài)主要是8TR 設(shè)備。本文通過對上述2 款設(shè)備的技術(shù)、設(shè)備、成本、測試等數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，為平原農(nóng)村的5G設(shè)備選型提供建議。

2 農(nóng)村話務(wù)特征分析

以某地農(nóng)村4G站點(diǎn)分布和忙時(shí)流量統(tǒng)計(jì)為例，該農(nóng)村屬于平原農(nóng)村，站點(diǎn)呈不均勻分布，這與人口分布、業(yè)務(wù)流量緊密相關(guān)。大部分區(qū)域站點(diǎn)流量偏低，個(gè)別區(qū)域存在流量熱點(diǎn)，流量高低差異顯著，過渡特征不明顯。

根據(jù)站點(diǎn)流量分段統(tǒng)計(jì)結(jié)果，日忙時(shí)流量低于40 GB 的站點(diǎn)累計(jì)占比80%，其中低于30 GB 的站點(diǎn)累計(jì)占比接近60%。

站點(diǎn)無線資源利用率分布不均衡，高流量區(qū)域站點(diǎn)利用率普遍偏高，中流量區(qū)域個(gè)別站點(diǎn)利用率偏高，低流量區(qū)域站點(diǎn)利用率大部分較低，日忙時(shí)利用率主要集中在20%～50%。依據(jù)4G 流量對站點(diǎn)進(jìn)行分級，并結(jié)合流量熱力分布圖，發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)流量既有集聚性特征，又有漸變性特征，例如在縣城周邊區(qū)域，分布著大批中流量站點(diǎn)（日忙時(shí)大于30 GB 小于90GB），再往外圍延伸，則多是低流量站點(diǎn)（日忙時(shí)小于30 GB），如圖1所示。

3 2.1 GHz 4TR與3.5 GHz 8TR對比分析

3.1 技術(shù)對比

3.1.1 頻譜帶寬對比

2.1 GHz頻點(diǎn)采用FDD模式。2.1 GHz頻段中國聯(lián)通已使用2×25 MHz，其中LTE 占20 MHz，WCDMA 占5 MHz；中國電信已使用2×20 MHz 帶寬，全部由LTE占用；2.1 GHz 頻點(diǎn)上剩余2×10 MHz 未分配，如圖2 所示。

圖2 2.1 GHz頻譜分配圖

根據(jù)中國電信和中國聯(lián)通共建共享思路，結(jié)合3GPP 協(xié)議中規(guī)定的系統(tǒng)帶寬設(shè)置，后續(xù)可逐步演進(jìn)至2×50 MHz 的FDD 單載波，目前中國電信和中國聯(lián)通雙方正立項(xiàng)推動(dòng)2×50 MHz 的3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化工作。2.1 GHz 全頻段有2 種重耕方式，分別是全頻段NR 方式、動(dòng)態(tài)頻譜共享方式，考慮到目前3GPP R15/R16 在2.1 GHz上僅支持2×20 MHz的帶寬設(shè)置，下文選擇2×20 MHz帶寬進(jìn)行分析。

3.5 GHz 頻點(diǎn)采用TDD 模式。目前在3.5 GHz 頻點(diǎn)上中國電信和中國聯(lián)通全量共享3.4～3.6 GHz 之間的200 MHz帶寬，大部分站點(diǎn)開通100 MHz帶寬，下文選擇100 MHz帶寬進(jìn)行分析。

3.1.2 覆蓋能力對比

3.5 GHz頻段波長比2.1 GHz頻段短，穿透能力、繞射能力以及衍射能力較2.1 GHz 頻段差，終端側(cè)上行覆蓋不足的缺點(diǎn)更明顯。

以現(xiàn)網(wǎng)1.8 GHz 頻段為基準(zhǔn)點(diǎn)，分別對2.1 GHz 和3.5 GHz頻段進(jìn)行鏈路預(yù)算，結(jié)果如表1所示。

表1 上行鏈路預(yù)算結(jié)果

通過上行鏈路預(yù)算結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)：

a）2.1 GHz 4TR 上行能力比3.5 GHz 8TR 高8.7dB。

b）2.1 GHz 4TR 上行能力比1.8 GHz 2TR 高1.5 dB。

3.1.3 容量對比

在理想傳播模型中，當(dāng)發(fā)射端的發(fā)射功率固定時(shí)，接收端的接收功率與發(fā)射天線增益和接收天線增益成正比，提高天線增益的解決方案是增加發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量，即設(shè)計(jì)一個(gè)天線陣列。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在站間距較小時(shí)，多天線的效果更明顯，如圖3 所示。在站間距為1 000 m 左右時(shí)，8TR與4TR相比，容量可提高約20%。

圖3 天線數(shù)量與容量對比

無線容量還與設(shè)備配置有關(guān)，如帶寬、流數(shù)等參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果，2.1 GHz 在帶寬為20 MHz、碼流為2 時(shí)，速率為230 Mbit/s；2.1 GHz 在帶寬為50 MHz、碼流為4 時(shí)，速率可達(dá)1 125 Mbit/s；3.5 GHz 在帶寬為100 MHz、碼流為4時(shí)，速率為1 460 Mbit/s。2.1 GHz下50 MHz帶寬的峰值速率與3.5 GHz 100 MHz可比。

3.1.4 時(shí)延對比

2.1 GHz采用FDD模式，收發(fā)同時(shí)進(jìn)行；3.5 GHz采用TDD 模式，收發(fā)有一定的延遲。根據(jù)測試結(jié)果，3.5 GHz 的空口時(shí)延高于2.1 GHz，而端到端時(shí)延則2.1 GHz 略高，如表2 所示。2.1 GHz 在時(shí)延性能上有一定的優(yōu)勢。

表2 2.1 GHz和3.5 GHz 的時(shí)延測試結(jié)果

3.2 設(shè)備配置對比

2.1 GHz 4TR 與3.5 GHz 8TR 設(shè)備差異主要在于：前者采用4 天線端口；后者采用8 天線端口，其他差異不明顯，如表3所示。

表3 主流設(shè)備尺寸、重量、功耗對比

3.3 建設(shè)及維護(hù)成本對比

農(nóng)村場景與城市相比，對運(yùn)營商的貢獻(xiàn)較小，在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)行中更加重視節(jié)省成本，包括前期的設(shè)備選型及后期的租金和電費(fèi)，要根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)及用戶行為習(xí)慣合理選擇設(shè)備類型，選擇最優(yōu)方案。

3.3.1 建設(shè)成本對比

以在農(nóng)村建設(shè)一個(gè)5G S111 基站為例，3.5 GHz 8TR設(shè)備購置單價(jià)與2.1 GHz 4TR設(shè)備單價(jià)接近。

從所需配套對比，2.1 GHz 4TR設(shè)備在天面空間不足的情況下，可通過整合現(xiàn)網(wǎng)4G天線不產(chǎn)生鐵塔改造成本，部分可通過利舊現(xiàn)網(wǎng)4G 天線不產(chǎn)生天線成本。3.5 GHz 8TR 設(shè)備需單獨(dú)使用一層平臺，無法與現(xiàn)網(wǎng)4G天線整合，將增加鐵塔改造成本。

綜上所述，2.1 GHz 4TR設(shè)備在建設(shè)成本支出方面相較3.5 GHz 8TR設(shè)備存在一定優(yōu)勢。

3.3.2 運(yùn)維成本對比

3.3.2.1 耗電分析

以某廠商設(shè)備參數(shù)為依據(jù)，2.1 GHz 4TR 設(shè)備單RRU 典型功耗710 W，3.5 GHz 8TR 設(shè)備單RRU 典型功耗660 W。以平均電費(fèi)價(jià)格0.63 元/kWh 計(jì)算，2.1 GHz RRU 年支出電費(fèi)比3.5 GHz RRU 多約276 元，年耗電量差異不顯著。

3.3.2.2 租賃費(fèi)分析

2.1 GHz 4TR天線可通過與現(xiàn)網(wǎng)天線進(jìn)行整合，僅增加或替換2.1 GHz RRU 即可，僅增加10%租金。如果選擇3.5 GHz 8TR，由于現(xiàn)網(wǎng)天線無法整合，需新租用一層天面，將增加30%租金。按2.1萬元/年計(jì)算，每年租金相差約4 200元。

通過比較電費(fèi)及租金支出，2.1 GHz 4TR設(shè)備相較3.5 GHz 8TR 設(shè)備，在成本方面有一定優(yōu)勢，能達(dá)到降本增效的目的。

3.4 2.1 GHz 4TR與3.5 GHz 8TR路測結(jié)果對比

2.1 GHz基站配置：掛高40 m，收發(fā)模式為4TR，功率配置為4×40 W；SSB-RS頻域位置5350，子載波間隔15 kHz。下行頻點(diǎn)號為427970，帶寬為20 MHz。SA終端天線配置要求1T4R，最大發(fā)射功率為23 dBm。

3.5 GHz 基站配置情況：掛高37 m，收發(fā)模式為8TR，功率配置為8×50 W，SSB-RS 頻域位置7853，子載波間隔30 kHz。下行頻點(diǎn)號為633984，帶寬為100 MHz；下上行時(shí)隙配比為7∶3。SA 終端天線配置要求2T4R，最大發(fā)射功率為26 dBm。

3.4.1 下行路測結(jié)果

3.4.1.1 SSB-RSRP

由于SSB 是公共信號（信道），其RSRP 反映了小區(qū)的基礎(chǔ)覆蓋能力。根據(jù)鏈路預(yù)算結(jié)果，2.1 GHz 4TR和3.5 GHz 8TR 的差距大約是8.7 dB。根據(jù)圖4 中測試結(jié)果的擬合多項(xiàng)式，200 m 以內(nèi)兩者相差較少，200～600 m 兩者相差較大，最小相差約8 dB，最大相差達(dá)20 dB，600～900 m 兩者的差距較穩(wěn)定，保持在6 dB 左右，900 m 之 后3.5 GHz 信號快速變差，2.1 GHz 信號在1 200 m 降 至-110 dBm 左右，2.1 GHz 的覆蓋半徑與3.5 GHz相差約300 m。

圖4 3.5 GHz和2.1 GHz的SSB RSRP隨距離變化趨勢

3.4.1.2 吞吐量（速率）比較

由于3.5 GHz 帶寬是100 MHz，相對于2.1 GHz 的20 MHz 帶寬，下行吞吐量要高幾倍，如圖5 所示。但是如果計(jì)算頻譜效率（吞吐率/帶寬），2.1 GHz 反而略高，這是因?yàn)?.5 GHz 采用了7∶3 的TDD，吞吐率相對FDD 至少下降30%。此外，由于2.1 GHz 頻率低，信號強(qiáng)度高于3.5 GHz，支持更高的編碼效率。

圖5 DT測試小區(qū)下行速率對比

3.4.2 上行路測結(jié)果

3.4.2.1 上行RSRP

2.1 GHz SA 終端天線配置要求1T4R，最大發(fā)射功率為23 dBm。3.5 GHz SA終端天線配置要求2T4R，最大發(fā)射功率為26 dBm。由圖6 的數(shù)據(jù)分析可知，覆蓋距離為250 m 以內(nèi)時(shí)，3.5 GHz 的信號接收強(qiáng)度與2.1 GHz 相差較小，覆蓋距離在300～600 m 時(shí)，傳播衰落基本屬于NLOS 場景，信號強(qiáng)度相差約9 dB，與理論分析結(jié)果接近。超過600 m 后，3.5 GHz 信號快速變差，降至-110 dBm或以下。

圖6 DT測試信號強(qiáng)度與覆蓋距離對比

3.4.2.2 吞吐量（速率）比較

由于3.5 GHz 采用TDD 模式，在帶寬為100 MHz、時(shí)隙配比采用7∶3 時(shí)，相當(dāng)于上行帶寬為30 MHz，相對于2.1 GHz 的20 MHz 帶寬，帶寬優(yōu)勢不明顯。由圖7數(shù)據(jù)分析可知，在距離250 m以內(nèi)時(shí)，上行速率接近。超過250 m 之后，2.1 GHz 上行速率明顯高于3.5 GHz。超過600 m 以后，3.5 GHz 上行速率由20 Mbit/s 左右降至4 Mbit/s 以下，而在1 000 m 左右，2.1 GHz 上行速率仍維持在20 Mbit/s。2.1 GHz 與3.5 GHz 相比，覆蓋半徑擴(kuò)大約200～300 m。

圖7 DT測試上行速率與覆蓋距離對比

信號強(qiáng)度對上行速率的影響如圖8 所示，當(dāng)信號強(qiáng)度大于-96 dBm 時(shí)，3.5 GHz 的上行速率稍高于2.1 GHz。

圖8 DT測試上行速率對比

3.4.3 室內(nèi)測試結(jié)果

分別選取距基站200 m和500 m兩處，每處在門口選取1個(gè)點(diǎn)、室內(nèi)選取2個(gè)點(diǎn)共3個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表4所示。從表4可以看出：

表4 室內(nèi)測試結(jié)果

a）200 m 處各點(diǎn)RSRP 差異明顯，達(dá)10 dB 以上，信號主要是直射信號，因頻率不同形成穿透差異；500 m 處各點(diǎn)RSRP 差異較小，主要由直射信號疊加反射信號形成穿透差異。

b）200 m 處室內(nèi)2 個(gè)點(diǎn)的SINR 差異明顯；500 m處室內(nèi)2 個(gè)點(diǎn)的SINR 差異較小，可能與天線不同及多徑傳播有關(guān)。

c）200 m 處2.1 GHz 的各點(diǎn)下載速率接近，3.5 GHz 的各點(diǎn)下載速率變化較大；500 m 處2.1 GHz 的各點(diǎn)下載速率差異變大，3.5 GHz 的各點(diǎn)下載速率接近，可能與天線不同及多徑傳播有關(guān)。

d）200 m 處2.1 GHz 的室內(nèi)2 個(gè)點(diǎn)的上傳速率接近，3.5 GHz 的室內(nèi)2 個(gè)點(diǎn)的上傳速率差異較大。500 m 處2.1 GHz 的室內(nèi)2 個(gè)點(diǎn)的上傳速率相差1 倍，3.5 GHz 的室內(nèi)2 個(gè)點(diǎn)的上傳速率差異縮小，可能與多徑傳播有關(guān)。

4 2.1 GHz 4TR與3.5 GHz 8TR選型指標(biāo)建議

由于農(nóng)村2.1 GHz 及3.5 GHz 網(wǎng)絡(luò)尚處于建設(shè)初期，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較輕，現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)不能完全體現(xiàn)2種制式的系統(tǒng)容量，因此以現(xiàn)網(wǎng)4G 業(yè)務(wù)負(fù)荷為主要依據(jù)，以4G物理站址為單位，選取忙時(shí)單小區(qū)上下行流量、下行PRB 平均利用率、RRC 連接態(tài)平均用戶數(shù)3 個(gè)KPI，作為2.1 GHz 4TR 及3.5 GHz 8TR 場景劃分的依據(jù)，具體如下。

a）單小區(qū)上下行流量＞10 GB。

b）下行PRB平均利用率＞75%。

c）RRC連接態(tài)平均用戶數(shù)＞50。

同時(shí)滿足以上3 個(gè)指標(biāo)的站址建議采用3.5 GHz 8TR，其他站址建議采用2.1 GHz 4TR。

5 總結(jié)

在當(dāng)前可用頻譜中，對平原農(nóng)村進(jìn)行5G 覆蓋，2.1 GHz 4TR設(shè)備在覆蓋、成本及容量上具有明顯優(yōu)勢，在站址規(guī)劃和獲取上與4G 保持一致，能夠?qū)崿F(xiàn)5G 的快速部署。而在個(gè)別高話務(wù)區(qū)，采用3.5 GHz 8TR，不僅成本低，而且具有帶寬大、TDD 上下行靈活配置等優(yōu)點(diǎn)，能夠發(fā)揮比2.1 GHz 4TR更好的效果。