700MHz 为何被称为 “黄金频段”

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-divisionDuplex）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（FederalCommunicationCommission，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MassiveMIMO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