700MHz緣何被稱為“黃金頻段”
日前,中國廣電攜700MHz正式入局,成為了名副其實的第四家移動運營商。700MHz被稱作移動通信的“黃金頻段”,在4G時代就曾引爆過很多話題,它到底因何備受關注呢?本文從標準、頻譜特點入手,簡要分析700MHz的背景、現狀以及優劣勢,並介紹700MHz的關鍵技術、建設方案、應用場景、產業鏈現狀、未來趨勢等。
700MHz的定義及標準
全球的無線電頻譜資源由國際電信聯盟(ITU)按照不同的無線電傳輸技術和應用進行分配。700MHz在電信領域,泛指介於700MHz~800MHz附近的無線電波頻譜資源。
700MHz位於特高頻UHF(300MHz~3000MHz)範圍內,由於頻率低、覆蓋範圍廣、穿透力強,在全球最早被廣泛用於廣播電視業務。但隨著數字電視技術及無線通信技術發展,700MHz被重新規劃,用於頻譜資源更加缺乏的移動通信服務。
ITU對700MHz的重新定義
2000年以後,數字地面廣播技術在歐洲成為主流,部分模擬電視信號頻段被空置,頻譜利用率較低。同時,移動寬帶服務需求量伴隨智能手機的普及而快速增長,卻又缺乏足夠的頻譜支持。
2007年,ITU在世界無線電通信大會WRC-07上,決定將原有模擬信號使用的698MHz~806MHz頻段(通稱700MHz頻段),用於移動通信業務。在2015年的WRC-15大會上,ITU明確提出釋放原廣播電視業務佔用的700MHz部分頻譜資源,在歐洲、非洲、中東和中亞地區用於移動通信服務。
3GPP對700MHz的標准定義
3GPP在Release15版本中,將5G無線(NR)頻譜定義為兩大頻譜範圍(簡稱FR),即FR1和FR2。FR1是指較低頻段450MHz~6GHz,也被稱為Sub6G;FR2是指較高頻段24.2GHz~52.6GHz,也就是毫米波的頻段。700MHz在FR1中被定義為n28頻段,上行703MHz~748MHz,下行758MHz~803MHz,採用頻分雙工FDD(Frequency-division Duplex)模式。
國外700MHz頻段發展情況
700MHz頻段因具有強穿透、廣覆蓋等優良特性,被歐盟委員會認為是可以覆蓋整個歐洲(包括農村及偏遠地區)的最優質的互聯網接入,同時還能促進廣播電視高效利用無線電頻譜技術,被稱為“數字紅利”。
2015年歐盟委員會就釋放700MHz頻段用於移動寬帶領域,在歐盟範圍內發出公開徵詢,得到60%以上機構的認可。隨後在2016年,歐盟委員會明確批准所有歐盟成員國將700MHz頻段用於移動通信服務(尤其是5G業務),並要求在2020年前完成700MHz清頻。
2005年,美國聯邦通信委員會(Federal Communication Commission,FCC)通過了數字電視轉換和公共安全法案,規定了美國在完成模/數轉換後,釋放原用於電視頻道的700MHz頻譜資源,重新規劃用於商業業務(84MHz)及公共安全(24MHz)。2008年,FCC將84MHz頻段公開拍賣給了7家美國通信運營商。
中國對5G及700M Hz的新定位
在中國,700MHz頻段最早用於廣播電視系統。我國廣電頻譜原本由3段96MHz帶寬組成,分別是470MHz~566MHz、606MHz~702MHz、702MHz~798MHz。考慮到全球700MHz頻段的產業發展情況以及國內地面電視“模數轉換”進展,2020年4月,工信部發布了《關於調整700MHz頻段頻率使用規劃的通知》,旨在將700MHz(703MHz~743MHz/758MHz ~798MHz頻段)原部分用於廣播電視業務的頻譜資源,重新規劃用於5G移動通信系統,並使用頻分雙工(FDD)工作方式。
隨後,廣電總局開展全國地面數字電視700MHz頻率清頻工作。
2017年以來,工信部為5G規劃了3000MHz~5000MHz的5G中頻段頻譜資源,同時,工信部已著手研究5G高頻段毫米波的規劃。將700MHz頻段規劃用於移動通信系統,為中國5G發展提供了寶貴的低頻段頻譜資源,此舉有利推動5G高、中、低頻段協同發展。
700M Hz無線頻譜特性
眾所周知,無線電波的物理特性是頻率越低,傳播損耗越小,覆蓋距離越遠,而且繞射能力越強,建築物室內覆蓋效果越好。700MHz頻段相比5G中高頻段(如中頻2.6GHz及高頻毫米波),具有穿透力強、覆蓋範圍廣、傳輸損耗低等優良特性,適合大範圍網絡覆蓋,並且FDD相比TDD(時分雙工模式)具有時延低、可增強上行、打造高低頻立體網的優點。此外700MHz受國際標準支持,產業鏈逐步成熟,將為運營商降低建網成本。下面分別介紹700MHz頻譜的優劣勢。
700MHz頻譜的優勢
- 覆蓋範圍廣,實現室外連續覆蓋
700MHz是5G低頻頻譜,具有覆蓋範圍廣的優勢。在農村及郊區環境下,700MHz覆蓋半徑約是2.6GHz的2倍,約是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邊緣速率下行20Mbit/s、上行5Mbit/s,2.6GHz/3.5GHz/4.9GHz邊緣速率下行50Mbit/s、上行5Mbit/s計算的結果對比)。覆蓋面積是2.6GHz的4~5倍,4.9GHz的近9倍,是毫米波的250多倍。高頻毫米波路徑損耗大,接近視距傳輸,容易被人體、牆體、植被、雨滴等阻擋,覆蓋範圍僅為100~300米,與700MHz的覆蓋範圍相差甚遠。
目前中國移動在全國建設了315萬座4G基站,已覆蓋全國;但如果用700MHz頻段,據測算,只需要建設50萬~60萬座基站就可覆蓋全國。使用700MHz作為在農村及偏遠地區的無線網絡覆蓋,可以大大縮減建站、運維、電力損耗成本。
表1 頻譜覆蓋半徑對比
傳播損耗低,實現室內深度覆蓋
相比同樣用於5G的2.6GHz頻段,700MHz傳播損耗低,繞射能力和室內覆蓋力強,可實現普通樓宇的深度覆蓋。700MHz比毫米波傳播損耗低33.8dB,比2.6GHz傳播損耗低15.4dB,比2.1GHz傳播損耗低12.9dB。牆體穿透損耗上,700MHz比2.6GHz損耗低6dB,比3.5GHz低9dB,深度覆蓋能力提升17dB。而毫米波甚至連一張紙都無法穿透。在室外環境下,700MHz系統的平均信號強度比2.6GHz系統強約20dB,比1800MHz平均信號強12dB。
在光纖難以到達的地區,700MHz可以充分發揮廣覆蓋和室內覆蓋優勢,通過客戶前置設備(CPE方式)代替光纖接入,打通偏遠地區網絡“最後一公里”。
空口時延低
由於700MHz採用上下行雙通道的頻分FDD模式(由3GPP定義),而在中頻段均採用上下行單通道的時分雙工TDD模式,FDD模式天然具有上下行網絡延遲低的優勢。根據測試,700MHz單向空口時延為2ms~4ms,僅為中頻段網絡時延的30%~60%。
網絡時延降低,將明顯提升視頻類業務的用戶體驗,有助於實現5G工業互聯網、車聯網等高可靠、低時延(uRLLC)業務。
多普勒頻偏小、移動信號穩定性好
相比4G,5G使用的中高頻段由於700MHz波長更長,在移動速度相同的情況下,入射角相同則多普勒頻偏更小,高速移動時的信號穩定性更好。例如在高鐵、高速公路等移動場景下,700MHz信號更加穩定可靠。與毫米波對比,毫米波波束窄,物體移動很容易離開波束區域,對於移動物體的信號提供難度較大,需要有較強的追踪能力和重連機制。
700MHz頻譜的劣勢
相比5G中高頻,由於700MHz頻點低,波長較長,一般採用4天線,無法支持Massive MIMO大陣列天線(64/128/256天線),相比5G中高頻段,上下行速率和網絡容量是短板。
相比2.6GHz或毫米波,700MHz峰值速率和平均吞吐量較低,如表2所示。700MHz下行理論峰值速率為350Mbit/s,約是2.6GHz(64天線)峰值速率的1/5,約是毫米波峰值速率的1/11,其中毫米波峰值速率取值4Gbit/s;蜂窩小區平均用戶吞吐量,下行速率100bit/s~120Mbit/s,約是2.6GHz網絡容量的1/12,上行速率60Mbit/s,約是2.6GHz網絡容量的1/6。700MHz的峰值速率和網絡容量有限。
表2 各頻段理論上下行峰值速率
(本文作者為:咪咕文化科技有限公司技術服務事業群VP 李琳
咪咕文化科技有限公司高級技術專家 單華琦 王雷 董喬)