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700MHz缘何被称为“黄金频段”

本文从标准、频谱特点入手,简要分析700MHz的背景、现状以及优劣势,并介绍700MHz的关键技术、建设方案、应用场景、产业链现状、未来趋势等。

作者:李琳 单华琦 王雷 董乔来源:通信世界全媒体|2021-02-22 17:36

日前,中国广电携700MHz正式入局,成为了名副其实的第四家移动运营商。700MHz被称作移动通信的“黄金频段”,在4G时代就曾引爆过很多话题,它到底因何备受关注呢?本文从标准、频谱特点入手,简要分析700MHz的背景、现状以及优劣势,并介绍700MHz的关键技术、建设方案、应用场景、产业链现状、未来趋势等。

700MHz的定义及标准

全球的无线电频谱资源由国际电信联盟(ITU)按照不同的无线电传输技术和应用进行分配。700MHz在电信领域,泛指介于700MHz~800MHz附近的无线电波频谱资源。

700MHz位于特高频UHF(300MHz~3000MHz)范围内,由于频率低、覆盖范围广、穿透力强,在全球最早被广泛用于广播电视业务。但随着数字电视技术及无线通信技术发展,700MHz被重新规划,用于频谱资源更加缺乏的移动通信服务。

ITU对700MHz的重新定义

2000年以后,数字地面广播技术在欧洲成为主流,部分模拟电视信号频段被空置,频谱利用率较低。同时,移动宽带服务需求量伴随智能手机的普及而快速增长,却又缺乏足够的频谱支持。

2007年,ITU在世界无线电通信大会WRC-07上,决定将原有模拟信号使用的698MHz~806MHz频段(通称700MHz频段),用于移动通信业务。在2015年的WRC-15大会上,ITU明确提出释放原广播电视业务占用的700MHz部分频谱资源,在欧洲、非洲、中东和中亚地区用于移动通信服务。

3GPP对700MHz的标准定义

3GPP在Release15版本中,将5G无线(NR)频谱定义为两大频谱范围(简称FR),即FR1和FR2。FR1是指较低频段450MHz~6GHz,也被称为Sub6G;FR2是指较高频段24.2GHz~52.6GHz,也就是毫米波的频段。700MHz在FR1中被定义为n28频段,上行703MHz~748MHz,下行758MHz~803MHz,采用频分双工FDD(Frequency-division Duplex)模式。

国外700MHz频段发展情况

700MHz频段因具有强穿透、广覆盖等优良特性,被欧盟委员会认为是可以覆盖整个欧洲(包括农村及偏远地区)的最优质的互联网接入,同时还能促进广播电视高效利用无线电频谱技术,被称为“数字红利”。

2015年欧盟委员会就释放700MHz频段用于移动宽带领域,在欧盟范围内发出公开征询,得到60%以上机构的认可。随后在2016年,欧盟委员会明确批准所有欧盟成员国将700MHz频段用于移动通信服务(尤其是5G业务),并要求在2020年前完成700MHz清频。

2005年,美国联邦通信委员会(Federal Communication Commission,FCC)通过了数字电视转换和公共安全法案,规定了美国在完成模/数转换后,释放原用于电视频道的700MHz频谱资源,重新规划用于商业业务(84MHz)及公共安全(24MHz)。2008年,FCC将84MHz频段公开拍卖给了7家美国通信运营商。

中国对5G及700MHz的新定位

在中国,700MHz频段最早用于广播电视系统。我国广电频谱原本由3段96MHz带宽组成,分别是470MHz~566MHz、606MHz~702MHz、702MHz~798MHz。考虑到全球700MHz频段的产业发展情况以及国内地面电视“模数转换”进展,2020年4月,工信部发布了《关于调整700MHz频段频率使用规划的通知》,旨在将700MHz(703MHz~743MHz/758MHz~798MHz频段)原部分用于广播电视业务的频谱资源,重新规划用于5G移动通信系统,并使用频分双工(FDD)工作方式。

随后,广电总局开展全国地面数字电视700MHz频率清频工作。

2017年以来,工信部为5G规划了3000MHz~5000MHz的5G中频段频谱资源,同时,工信部已着手研究5G高频段毫米波的规划。将700MHz频段规划用于移动通信系统,为中国5G发展提供了宝贵的低频段频谱资源,此举有利推动5G高、中、低频段协同发展。

700MHz无线频谱特性

众所周知,无线电波的物理特性是频率越低,传播损耗越小,覆盖距离越远,而且绕射能力越强,建筑物室内覆盖效果越好。700MHz频段相比5G中高频段(如中频2.6GHz及高频毫米波),具有穿透力强、覆盖范围广、传输损耗低等优良特性,适合大范围网络覆盖,并且FDD相比TDD(时分双工模式)具有时延低、可增强上行、打造高低频立体网的优点。此外700MHz受国际标准支持,产业链逐步成熟,将为运营商降低建网成本。下面分别介绍700MHz频谱的优劣势。

700MHz频谱的优势

覆盖范围广,实现室外连续覆盖

700MHz是5G低频频谱,具有覆盖范围广的优势。在农村及郊区环境下,700MHz覆盖半径约是2.6GHz的2倍,约是3.5GHz的2.3倍,是4.9GHz的近3倍,是毫米波的16倍(如表1所示,按700MHz边缘速率下行20Mbit/s、上行5Mbit/s,2.6GHz/3.5GHz/4.9GHz边缘速率下行50Mbit/s、上行5Mbit/s计算的结果对比)。覆盖面积是2.6GHz的4~5倍,4.9GHz的近9倍,是毫米波的250多倍。高频毫米波路径损耗大,接近视距传输,容易被人体、墙体、植被、雨滴等阻挡,覆盖范围仅为100~300米,与700MHz的覆盖范围相差甚远。

目前中国移动在全国建设了315万座4G基站,已覆盖全国;但如果用700MHz频段,据测算,只需要建设50万~60万座基站就可覆盖全国。使用700MHz作为在农村及偏远地区的无线网络覆盖,可以大大缩减建站、运维、电力损耗成本。

表1 频谱覆盖半径对比

传播损耗低,实现室内深度覆盖

相比同样用于5G的2.6GHz频段,700MHz传播损耗低,绕射能力和室内覆盖力强,可实现普通楼宇的深度覆盖。700MHz比毫米波传播损耗低33.8dB,比2.6GHz传播损耗低15.4dB,比2.1GHz传播损耗低12.9dB。墙体穿透损耗上,700MHz比2.6GHz损耗低6dB,比3.5GHz低9dB,深度覆盖能力提升17dB。而毫米波甚至连一张纸都无法穿透。在室外环境下,700MHz系统的平均信号强度比2.6GHz系统强约20dB,比1800MHz平均信号强12dB。

在光纤难以到达的地区,700MHz可以充分发挥广覆盖和室内覆盖优势,通过客户前置设备(CPE方式)代替光纤接入,打通偏远地区网络“最后一公里”。

空口时延低

由于700MHz采用上下行双通道的频分FDD模式(由3GPP定义),而在中频段均采用上下行单通道的时分双工TDD模式,FDD模式天然具有上下行网络延迟低的优势。根据测试,700MHz单向空口时延为2ms~4ms,仅为中频段网络时延的30%~60%。

网络时延降低,将明显提升视频类业务的用户体验,有助于实现5G工业互联网、车联网等高可靠、低时延(uRLLC)业务。

多普勒频偏小、移动信号稳定性好

相比4G,5G使用的中高频段由于700MHz波长更长,在移动速度相同的情况下,入射角相同则多普勒频偏更小,高速移动时的信号稳定性更好。例如在高铁、高速公路等移动场景下,700MHz信号更加稳定可靠。与毫米波对比,毫米波波束窄,物体移动很容易离开波束区域,对于移动物体的信号提供难度较大,需要有较强的追踪能力和重连机制。

700MHz频谱的劣势

相比5G中高频,由于700MHz频点低,波长较长,一般采用4天线,无法支持Massive MIMO大阵列天线(64/128/256天线),相比5G中高频段,上下行速率和网络容量是短板。

相比2.6GHz或毫米波,700MHz峰值速率和平均吞吐量较低,如表2所示。700MHz下行理论峰值速率为350Mbit/s,约是2.6GHz(64天线)峰值速率的1/5,约是毫米波峰值速率的1/11,其中毫米波峰值速率取值4Gbit/s;蜂窝小区平均用户吞吐量,下行速率100bit/s~120Mbit/s,约是2.6GHz网络容量的1/12,上行速率60Mbit/s,约是2.6GHz网络容量的1/6。700MHz的峰值速率和网络容量有限。

表2 各频段理论上下行峰值速率

(本文作者为:咪咕文化科技有限公司技术服务事业群VP 李琳

咪咕文化科技有限公司高级技术专家 单华琦 王雷 董乔)

【责任编辑:未丽燕 TEL:(010)68476606】

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