Der Leistungsvergleich zwischen den 2.1-GHz- und 3.5-GHz-Frequenzbändern in 5G-Netzwerken

Abstract

Wit der kontinuierlichen Entwicklung mobiler Kommunikationsnetze verfügen die Betreiber über Ressourcen im Hoch-, Mittel- und Niederfrequenzband. Funkfrequenzspektrumressourcen sind wertvolle strategische Ressourcen, und die Frage, wie sie Spektrumressourcen sinnvoll und effizient nutzen können, ist für die Betreiber von größter Bedeutung.

CDerzeit sind die Frequenzbänder 2.1 GHz und 3.5 GHz die wichtigsten Frequenzbänder für den Einsatz von 5G-Netzen. Dieser Artikel vergleicht die Abdeckungsleistung der Bänder 2.1 GHz und 3.5 GHz aus der Perspektive des Link-Budgets und der Feldtests und bietet eine detaillierte Analyse ihrer Unterschiede in Bezug auf Abdeckungsleistung und Servicekapazität. Er erörtert auch die Nachteile einer unabhängigen Bereitstellung des Frequenzbands 3.5 GHz und die Effizienzsteigerung einer späteren Netzbereitstellung durch die Wiederverwendung des Frequenzbands 2.1 GHz. Darüber hinaus werden entsprechende Aufbaustrategien basierend auf der aktuellen Situation des bestehenden Netzwerks von Shandong Unicom vorgestellt, was eine wichtige Grundlage für den späteren Aufbau von 5G-Netzen bietet.

01 Übersicht

WMit der Vergabe der 5G-Lizenzen hat die Kommerzialisierung des chinesischen 5G-Netzwerks begonnen. Das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie hat China Unicom die Genehmigung erteilt, das 3.5-GHz-Frequenzband für 5G zu verwenden. Das 3.5-GHz-Frequenzband hat die weltweit beste Unterstützung der Industrie, aber seine hohe Frequenz führt zu einer schnelleren Signaldämpfung. Die Bereitstellung von 5G-Netzwerken im 3.5-GHz-Frequenzband erfordert den Aufbau weiterer Basisstationen, was zu deutlich höheren Investitionen in entsprechende Ausrüstung und Infrastruktur führt. Der Aufbau eines qualitativ hochwertigen und wettbewerbsfähigen 5G-Netzwerks zu geringen Kosten ist zu einem wichtigen Thema für China Unicom geworden.

TDie Initiative von China Unicom und China Telecom, gemeinsam 5G-Netze aufzubauen und zu teilen, hat Chancen für den Aufbau von 5G-Netzen mit sich gebracht. Derzeit verfügt das 3G-Netz von China Unicom über eine Bandbreite von 15 MHz im 2.1-GHz-Frequenzband und sein 4G-Netz über eine Bandbreite von 10 MHz im 2.1-GHz-Frequenzband. Das 4G-Netz von China Telecom verfügt über eine Bandbreite von 20 MHz im 2.1-GHz-Frequenzband. Zusammen verfügen China Unicom und China Telecom über eine Gesamtbandbreite von 45 MHz im 2.1-GHz-Frequenzband, wobei weitere 10 MHz Bandbreite nicht zugewiesen sind. Bei einer Nutzungsgenehmigung verfügen China Unicom und China Telecom über eine Gesamtbandbreite von 55 MHz im 2.1-GHz-Frequenzband. Das Funkfrequenzspektrum ist eine wertvolle strategische Ressource, und die vernünftige und effiziente Nutzung der Frequenzbänder 2.1 GHz und 3.5 GHz in 5G-Netzen ist das Hauptanliegen der Betreiber. Dieser Artikel kombiniert Link-Budget und Feldtests, um die Abdeckungsleistung und Servicekapazität der Frequenzbänder 2.1 GHz und 3.5 GHz zu vergleichen und zu analysieren. Er zeigt die Nachteile einer unabhängigen Bereitstellung des Frequenzbands 3.5 GHz und die Effizienzsteigerung einer späteren Netzwerkbereitstellung durch Wiederverwendung des Frequenzbands 2.1 GHz auf. Außerdem werden entsprechende Aufbaustrategien auf Grundlage der aktuellen Situation des bestehenden Netzwerks von Shandong Unicom vorgeschlagen, was eine wichtige Grundlage für den späteren Aufbau von 5G-Netzwerken darstellt.

02 Theoretische Analyse der Abdeckungsfähigkeit der Frequenzbänder 2.1 GHz und 3.5 GHz

AGemäß dem 3GPP-Protokoll entspricht das B42-Band dem 3.5-GHz-Frequenzband, das B1-Band dem 2.1-GHz-Frequenzband, das B3-Band dem 1.8-GHz-Frequenzband und das B41-Band dem 2.6-GHz-Frequenzband. Die Wellenlänge des 3.5-GHz-Frequenzbands ist kürzer als die des 2.1-GHz-Frequenzbands, was zu schlechteren natürlichen Penetrations-, Beugungs- und Streuungsfähigkeiten im Vergleich zum 2.1-GHz-Frequenzband führt, was zu einer unzureichenden Uplink-Abdeckung auf der Terminalseite führt.

UUnter Verwendung des B3-Bands (1.8-GHz-Frequenzband) im bestehenden Netzwerk als Referenzpunkt wurden die theoretischen Link-Budget-Werte für die Frequenzbänder 1.8 GHz, 3.5 GHz, 2.1 GHz und 2.6 GHz berechnet. Ein Vergleich der Uplink-Link-Budget-Ergebnisse zeigt, dass die Uplink-Fähigkeit des 3.5-GHz-Frequenzbands um 7.7 dB schlechter ist als die des 2.1-GHz-Frequenzbands (4T4R) und um 4.2 dB schlechter als die des 2.6-GHz-Frequenzbands.

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse des Uplink-Link-Budgets

BBasierend auf der obigen Analyse ist ersichtlich, dass das 3.5-GHz-Frequenzband im Vergleich zum unabhängigen Einsatz von 5G-Netzen im 2.1-GHz-Frequenzband eine schlechtere Uplink-Abdeckung aufweist.

03 Feldtests der Uplink-Abdeckungsfähigkeit in den Frequenzbändern 2.1 GHz und 3.5 GHz

TDie Basisstation GuDe Square in der Entwicklungszone der Stadt Weifang wurde für den Test ausgewählt. Da es derzeit keine NR-Terminals gibt, die das 2.1-GHz-Frequenzband unterstützen, wurde ein Feldtest durchgeführt, bei dem 2.1-GHz-4T4R-LTE-Geräte und 3.5-GHz-64TR-NR-Geräte in derselben Station eingesetzt wurden, um die Uplink-Abdeckungskapazitäten der 3.5-GHz- und 2.1-GHz-Frequenzbänder zu vergleichen.

3.1 Testparametereinstellungen

a) Einsatz von 2.1 GHz 4T4R LTE-Geräten und 3.5 GHz 64TR NR-Geräten in derselben Station mit derselben Höhe, demselben Azimut, Neigungswinkel und anderen Parametern. Während des Tests wurden die umliegenden Basisstationen vorübergehend abgeschaltet und die Sendeleistung angepasst, um die Reichweite der Hauptmesszelle auf über 500 Meter zu erweitern.

Tabelle 2 zeigt die physikalischen Parameter der getesteten Basisstation

b) Die Konfiguration der 3.5-GHz-Basisstation ist wie folgt: Leistung auf 200 W eingestellt, SSB-RS-Parameter auf 17.8 dBm eingestellt, NR-Downlink-Mittelträgerfrequenz bei 3,550 MHz mit einer Bandbreite von 100 MHz und einem Downlink- zu Uplink-Slot-Verhältnis von 7:3. Die SA-Terminal-Antennenkonfiguration erfordert 2T4R mit einer maximalen Sendeleistung von 26 dBm. Die Konfiguration der 2.1-GHz-Basisstation ist wie folgt: Leistung auf 4 x 40 W eingestellt, CRS-RS-Parameter auf 21.2 dBm eingestellt, die SA-Terminal-Antennenkonfiguration erfordert 1T4R mit einer maximalen Sendeleistung von 23 dBm.

3.2 Versuchsbeschreibung

TDie Abdeckung der Frequenzbänder 2.1 GHz und 3.5 GHz wurde getestet. Für den Test wurde ein Sektor mit gleicher Hauptkeulenrichtung, Höhe, Azimut, Abwärtsneigungswinkel (einschließlich elektronischer Abwärtsneigung) und Leistungsspektraldichte in den Frequenzbändern 2.1 GHz und 3.5 GHz ausgewählt. Die folgenden Abbildungen zeigen das schematische Diagramm der relevanten CQT- und DT-Teststrecken:

Schematische Darstellung der Teststrecke in Abbildung 1

Für den kontinuierlichen flächendeckenden Fahrtest im Außenbereich (DT-Test) gelten folgende Anforderungen:

a) Platzieren Sie zwei Terminals nebeneinander auf dem Schreibtisch oder den Sitzen des Autos, jeweils auf 2 bzw. 3.5 GHz eingestellt, und initiieren und verwalten Sie Full-Buffer-FTP-Uplink-Dienste.

b) Die Netzwerkverwaltungsseite sollte während des Testzeitraums Echtzeitinformationen wie beispielsweise das Uplink-Grundrauschen der Haupttestzelle aufzeichnen.

c) Das Testfahrzeug ist mit Testterminals und Fahrtestwerkzeugen ausgestattet, um sich langsam (nicht schneller als 5 km/h) entlang der vorgegebenen Route zu bewegen und dabei Straßen innerhalb der Haupttestzelle zu überqueren. Die Testdauer sollte nicht weniger als eine Stunde betragen.

d) Wenn die Verbindung zum Dienst unterbrochen wird, zeichnen Sie die Informationen zur Unterbrechung auf, starten Sie die Datendienste in der Nähe erneut und setzen Sie den Fahrtest fort.

e) Die Drive-Test-Software soll während des gesamten Testvorgangs LOG-Daten bedarfsgerecht und in Echtzeit aufzeichnen.

Wählen Sie bei der Durchführung von CQT-Tests mit tiefer Abdeckung nicht weniger als 7 Gebäude in der Nah-Fern-Richtung von der normalen Hauptkeulenrichtung der 3.5G- und 2.1G-Zellen als CQT-Testgebäude aus, bis die Gebäude 500 Meter von der Basisstation entfernt sind oder nicht mehr zugänglich sind, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Auswahl der CQT-Testpunkte in Abbildung 2

a) Für jedes zu testende Gebäude werden hohe, mittlere und niedrige Stockwerke für die Tests ausgewählt, wobei Tests im 1., 3. und 5. Stock bevorzugt werden.

b) Platzieren Sie 2 Terminals nebeneinander, sperren Sie sie auf 3.5 GHz bzw. 2.1 GHz, initiieren Sie an jedem Testpunkt innerhalb der Gebäude Full-Buffer-FTP-Uplink-Dienste, durchlaufen Sie die Innenwege und halten Sie den Dienst mindestens 1 Minute lang aufrecht. Wenn der Zugriff innerhalb des Testgebäudes nicht vollständig möglich ist, sollten detaillierte Testphänomene aufgezeichnet werden.

c) Behalten Sie die gleiche Antennenhöhe und den gleichen Abwärtsneigungswinkel bei, drehen Sie die beiden Haupttestzellen im Uhrzeigersinn um 30 Grad (passen Sie benachbarte Zellen nach Bedarf an) und wiederholen Sie Schritt (b) an der ursprünglichen Testposition entlang derselben Testroute.

3.3 Abdeckungsfähigkeitstest (CQT)

Die Vergleichsergebnisse des CQT-Tests zur Uplink-Abdeckung für einzelne Zellen bei 2.1 G und 3.5 G sind in Abbildung 3 dargestellt.

Die CQT-Testergebnisse in Abbildung 3

AGemäß den Testergebnissen in Abbildung 3 ist es offensichtlich, dass unter der Bedingung einer Zellrandabdeckung (LTE RSRP < -105 dBm) die ungefähre Abdeckungswahrscheinlichkeit für das 2.1G-Band 94 % beträgt, während sie für das 3.5G-Band 31 % beträgt. Bei Tests mit tiefer Abdeckung ist der RSRP-Wert für das 3.5G-Band 6-7 dB niedriger als für das 2.1G-Band, was darauf hinweist, dass die Leistung des 3.5G-Bands in Bezug auf die tiefe Abdeckung der des 2.1G-Bands unterlegen ist.

3.4 Abdeckungsfähigkeitstest (DT)

IBei der Analyse der DT-Testdaten werden LTE 2.1G-Mobiltelefone und NR 3.5G-Mobiltelefone am gleichen Standort positioniert und führen gleichzeitig flächendeckende Abdeckungstests innerhalb der Zelle durch. Zum Zwecke einer vergleichenden Analyse werden die LTE- und NR-Raten am gleichen Standort gemäß LTE RSRP normalisiert.

Foder beim tatsächlichen Straßenabdeckungstest der 2.1G- und 3.5G-Frequenzbänder im bestehenden Netzwerk werden Sektoren mit der gleichen Hauptkeulennormalrichtung, Montagehöhe, Azimut, Abwärtsneigungswinkel (einschließlich elektrischer Abwärtsneigung) und Leistungsspektraldichte sowohl für die 2.1G- als auch die 3.5G-Frequenzbänder ausgewählt. Die Ergebnisse der DT-Testtrajektorie sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Abdeckungssituationskarte für 4DT-Tests

BBasierend auf den RSRP-Vergleichsanalysedaten aus Straßentests beträgt die durchschnittliche Signalstärke beim Testen des 2.1G-Frequenzbands -97 dBm, während sie beim Testen des 3.5G-Frequenzbands -105 dBm beträgt. Darüber hinaus gibt es ein schwerwiegendes Problem mit Gebieten, in denen es während des Tests des 3.5G-Frequenzbands zu Netzwerkausfällen kommt.

AMit zunehmender Reichweite ist die Signaldämpfung bei 3.5G in Szenarien ohne Sichtverbindung größer als bei 2.1G. Darüber hinaus nimmt der Unterschied in der Signalstärke zwischen den beiden Bändern mit zunehmender Reichweite weiter zu. Die Datenanalyse ist in Abbildung 5 dargestellt.

Die vergleichende Analyse der Signalstärke und Reichweite für 5DT-Tests ist in Abbildung 5 dargestellt.

ALaut der Analyse der Daten in Abbildung 5 kann beobachtet werden, dass sich die Signalempfangsstärke von 3.5 G in Sichtlinienszenarien bei relativ geringer Reichweite um etwa 2.1 dB von der von 7 G unterscheidet. Bei größeren Reichweitenszenarien ohne Sichtlinie beträgt der Unterschied in der Signalstärke zwischen beiden jedoch etwa 14 dB.

FDarüber hinaus ist in Abbildung 3.5 eine Analyse der Abdeckungssituation für 2.1G und 6G am Zellrand dargestellt.

Abbildung 6: Kantenabdeckungsanalyse für 6DT-Tests in kleinen Zellen

TDie Analyse von Abbildung 6 zeigt, dass bei einer Geschwindigkeit von 1 Mbit/s am Zellrand das empfangene Signal für 2.1G -115 dBm beträgt, während es für 3.5G -106 dBm beträgt. Daher beträgt der Abdeckungsunterschied zwischen LTE 2.1G und NR 3.5G in der tatsächlichen Netzwerkumgebung 9 dB.

A Eine vergleichende Analyse der Uplink-Raten zeigt, dass bei einer Signalstärke von -98 dBm die Uplink-Rate für 3.5G NR deutlich höher ist als die des 2.1G-Frequenzbandes.

Vergleichsanalyse der Upstream-Rate für 7DT-Tests in kleinen Zellen und 4T4R 2.1G NR-Sprachunterstützungsfähigkeit

04 Analyse der Sprachunterstützung für 4T4R 2.1G NR

ADa das Prinzip des gemeinsamen Aufbaus und Teilens zwischen China Unicom und China Telecom etabliert ist, entwickeln sich Sprachübertragungslösungen allmählich in Richtung VoNR. Während der NSA-Netzwerkphase kann Sprache über VoLTE flexibel den LTE-Netzwerken von China Unicom oder China Telecom zugewiesen werden. Während der SA-Netzwerkphase kann zunächst über EPS auf das LTE-Netzwerk zurückgegriffen werden, um anschließend die VoNR-Funktion im 2.1G-Frequenzband reibungslos zu aktivieren.

BDurch Vergleich der Sprachübertragung von VoLTE- und WCDMA-Netzwerken und Analyse der MOS-Werte und RSRP-Daten kann festgestellt werden, dass die Sprachqualität von VoNR im 2.1G-Frequenzband besser ist als die des WCDMA-Netzwerks.

05   Empfehlungen für den Einsatz von 2.1G und 3.5G

BBasierend auf der vorherigen Analyse ist es klar, dass das 2.1G-Frequenzband die Kapazität und Abdeckung des 3.5G-Frequenzbands effektiv verbessern kann. Die Bandbreite des 2.1G-Frequenzbands ist jedoch nicht so groß wie die des 3.5G-Frequenzbands, und die Industriekette für 3.5G-NR-Geräte ist relativ ausgereift. Nach umfassender Analyse können die folgenden Schlussfolgerungen und Empfehlungen für die Anwendung der 2.1G- und 3.5G-Frequenzbänder gezogen werden:

a) Da die Industriekette für 2.1G-NR-Geräte noch nicht ausgereift ist, empfiehlt es sich, das 3.5G-Netz als Grundlage für den anfänglichen Aufbau des 5G-Netzes zu verwenden, um eine kontinuierliche Abdeckung zu erreichen. Anschließend sollten Anstrengungen unternommen werden, um die Reduzierung und Eliminierung von 2G- und 3G-Netzen zu beschleunigen und das 2.1G-Frequenzband rechtzeitig neu zu kultivieren, um ein differenziertes 5G-Netz mit koordinierten Hoch- und Niederfrequenzen zu schaffen.

b) Die hybride Vernetzung der 2.1G- und 3.5G-Frequenzbänder ist ein wichtiger Ansatz für den Aufbau hochwertiger 5G-Netze. Das 2.1G-Frequenzband kann zusätzliche Uplink-Kapazität und eine erweiterte Tiefenabdeckung bieten. Durch flexible Vernetzung entsprechend den Konstruktionsanforderungen kann die Benutzerwahrnehmung verbessert und der Markeneinfluss von China Unicom gesteigert werden.

c) Die Mixed-Mode-Netzwerktechnik von 3G/4G/5G kann Software-Upgrades vorhandener Netzwerkgeräte nutzen, um 5G-Dienste zu ermöglichen. Dadurch werden die Kosten für den Aufbau des 5G-Netzwerks gesenkt und die Kapazitäten der vorhandenen Netzwerkgeräte maximal genutzt. Darüber hinaus bietet sie eine Voraussetzung für spätere Anpassungen der Netzwerkstruktur.

06   Fazit

TIn diesem Artikel wurde eine vergleichende Analyse der Abdeckungsleistung der 2.1G- und 3.5G-Frequenzbänder aus der Perspektive des Link-Budgets und der Tests vor Ort durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die Signaldämpfung im 3.5G-Frequenzband größer ist und die Leistung des 3.5G-Frequenzbands in Bezug auf die Tiefenabdeckung der des 2.1G-Frequenzbands unterlegen ist. Bei gleicher Kantenrate ist die Uplink-Abdeckung des 3.5G-Frequenzbands um 9 dB schlechter als die des 2.1G-Frequenzbands. Durch theoretische Analyse und Tests vor Ort wurde festgestellt, dass das 2.1G-Frequenzband die Kapazität und den Abdeckungsbereich des 3.5G-Frequenzbands effektiv verbessern kann. Die hybride Vernetzung der 2.1G- und 3.5G-Frequenzbänder für 5G-Netzwerke kann die Uplink-Abdeckungsfähigkeit verbessern und so die Uplink-Kapazitäts- und Latenzanforderungen von 5G-Industrieanwendungen erfüllen. Die Wiederverwendung des vorhandenen 2.1G-Frequenzbands und der entsprechenden Ausrüstung zur Unterstützung von 5G kann den Aufbau von 5G-Netzen beschleunigen, den Ressourceneinsatz für den Bau reduzieren und den Schwierigkeitsgrad des Baus verringern und ist somit ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Effizienz des 5G-Netzaufbaus.

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