5G覆蓋能力研究*

陳 楊，楊芙蓉，余揚堯

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 引 言

移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是移動通信發(fā)展的兩大驅(qū)動力。用戶數(shù)、連接設(shè)備數(shù)指數(shù)級增長，新業(yè)務(wù)層出不窮，用戶體驗要求不斷提升，4G移動通信技術(shù)已經(jīng)無法滿足未來的業(yè)務(wù)和用戶的體驗需求。而5G將支持更加多樣化的場景，融合多種無線接入方式，充分利用高、低頻資源實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)性發(fā)展。在建網(wǎng)初期，運營商迫切需要以5G覆蓋能力為依據(jù)制定5G建設(shè)策略。本文通過分析影響5G覆蓋的幾大因素、5G技術(shù)特點，編制出5G鏈路預(yù)算表，并結(jié)合試驗網(wǎng)實際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。

1 5G相比4G的差異

5G作為新一代無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于滿足2020年以后的移動通信需求。在高速發(fā)展的移動互聯(lián)網(wǎng)和不斷增長的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的共同推動下，ITU要求5G具備低成本、低能耗、安全、可靠的特點，傳輸速率提升到100 Gb/s。為了達(dá)到目標(biāo)，5G系統(tǒng)從頻段、空口技術(shù)、架構(gòu)、應(yīng)用場景4個方面做出了一系列改進(jìn)。

1.1 新頻段

3GPP定義了5G從Sub6G、C-band到毫米波的FR1、FR2兩個5G目標(biāo)頻譜。工信部目前為5G劃定了4個頻段，如表1所示。

相比4G的頻段（低頻800 MHz、900 MHz，高頻1.8 GHz、2.1 GHz、2.6 GHz），5G的低頻段為3.3～3.6 GHz，高頻為28 GHz。雖然5G有更大的帶寬，有利于提升速率和容量，但更高的頻段對覆蓋能力提出了更高要求。

1.2 新空口

5G采用新的空口設(shè)計，包括更高階的MassiveMIMO、動態(tài)波束設(shè)計、靈活子幀設(shè)計、新信道編碼等。表2為5G與4G空口技術(shù)的區(qū)別。

表1 5G的頻段

表2 5G與4G空口技術(shù)的區(qū)別

1.3 新架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃已經(jīng)從“網(wǎng)絡(luò)為中心的覆蓋、容量規(guī)劃”走向“云化和用戶為中心的體驗規(guī)劃”，從改善用戶體驗著手，圍繞用戶的服務(wù)需求來建立用戶感知模型，通過業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的深度融合，為用戶帶來更好的體驗和服務(wù)。

1.4 新場景

5G主要有三大新的應(yīng)用場景，這些場景已經(jīng)超出了傳統(tǒng)通信以語音通話和移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的范圍。

（1）eMBB增強型移動寬帶：隨時隨地（包括小區(qū)邊緣、高速移動等惡劣環(huán)境）為用戶提供100 Mb/s以上的用戶體驗速率。典型應(yīng)用包括移動寬帶用戶接入、高清視頻等。

（2）URLLC超高可靠與低延遲的通信：為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證，如自動駕駛、移動醫(yī)療、工業(yè)控制等應(yīng)用。

（3）mMTC大規(guī)模機器類通信：滿足100萬/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求，同時保證終端的超低功耗和超低成本，如智慧家庭、智能建筑、智慧城市等應(yīng)用。

2 5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的決定因素

為了分析5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，必須分析決定網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的因素。從技術(shù)上決定網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的因素主要有場景因素（不同業(yè)務(wù)的邊緣速率要求）、頻段因素（各種路徑損耗、穿透損耗、余量等）、空口因素（接收機靈敏度、天線增益、基站和終端的發(fā)射功率、子載波間隔、系統(tǒng)帶寬，控制信道、業(yè)務(wù)信道的配置、上下行時隙配比）等，如圖1所示。

2.1 場景因素——邊緣速率

2.1.1 不同業(yè)務(wù)的邊緣速率要求

5G有三大典型場景——eMMB、URLLC、mMTC，不同場景的業(yè)務(wù)類型有很大區(qū)別，本文重點討論eMMB場景。不同的eMBB業(yè)務(wù)需要的上下行速率如表3所示。

表3 eMBB不同業(yè)務(wù)的邊緣速率要求

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的決定因素

由于終端不會只使用單一的一種業(yè)務(wù)而是使用多種業(yè)務(wù)（包括網(wǎng)頁瀏覽、即時通信、交互式視頻業(yè)務(wù)等），因此建議采用下行10 Mb/s、上行1 Mb/s的混合邊緣速率要求。

2.1.2 邊緣速率對SINR的要求

5G系統(tǒng)中，RB（Resource Block，資源塊）是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的物理載體。調(diào)度算法決定了在一個調(diào)度TTI（Transmission Time Interval，調(diào)度周期）內(nèi)的TBS模塊（Transmission Block）需要分配多少個RB，需要采用什么樣的調(diào)制方式。調(diào)制方式的階數(shù)越高，一個波形上調(diào)制的符號越多，數(shù)據(jù)的傳輸速率越大，但同時對SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信噪比）的要求也就越高。如果SINR不滿足要求而采用高階調(diào)制，解調(diào)過程中誤碼率就會很高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的總體速率降低[1]。因此，網(wǎng)絡(luò)資源的分配是一個動態(tài)過程，是尋找到能滿足速率條件的最小MCSIndex的過程。系統(tǒng)將根據(jù)TTI內(nèi)待調(diào)度的RB數(shù)量（扣除開銷）和TBS確定預(yù)估的RB數(shù)量，再考慮下行功率資源情況決定最終調(diào)度的RB數(shù)量，然后映射到MCSIndex。在鏈路預(yù)算過程中，把MCSIndex最終映射到SINR值。圖2為5G簡化的下行資源配置計算方法。

圖2 5G簡化的下行資源配置計算方法

以100 MHz系統(tǒng)帶寬、30 kHz子載波間隔為例，系統(tǒng)可用的RB數(shù)量為273個，全頻段每秒發(fā)送的OFDM符號為91 728 000個[2]。如圖3所示，考慮采用2.5 ms雙周期的幀結(jié)構(gòu)，下行PDSCH符號占比64.29%，下行可以用于承載業(yè)務(wù)的OFDM符號為58 971 932個。

圖3 2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)

如果下行邊緣速率要求為100 Mb/s，則滿足下行邊緣速率要求的比特效率為1×107÷58 971 932=0.169。根據(jù)MCS映射表可查到對應(yīng)的MCSIndex為2，SINR值要求在-3 dB左右。表4為MCS Index與SINR映射表[2]。

表4 MCS Index與SINR映射表

2.2 空口因素——接收機靈敏度

接收端要順利解調(diào)出發(fā)射端發(fā)送的信號，就要求信號在到達(dá)接收端時滿足最小SINR值要求。因此，有：

接收機靈敏度=每子載波上的熱噪聲+最小SINR值 （1）

以30 kHz子載波為例：

每子載波上的熱噪聲=-174（熱噪聲密度）+10lg30（子載波間隔）=-129.23 dBm （2）

每子載波的接收機靈敏度=129.23 dBm+最小SINR值 （3）

2.3 空口因素——發(fā)射功率

基站/終端的發(fā)射功率也是覆蓋能力的重要因素。發(fā)射功率越大，能接收到的信號越強。但是，發(fā)射功率受限于功放的能力，在元器件限制下，發(fā)射功率不能無限制擴大。

在鏈路預(yù)算中，有：

每子載波發(fā)射功率=10×log10（發(fā)射總功率/總PRB數(shù)量/12×1 000） （4）

表5為上行、下行每子載波發(fā)射功率。

表5 上行、下行每子載波發(fā)射功率

2.4 空口因素——MassiveMIMO天線增益

5G和4G相比，采用了更高階的MassiveMIMO天線，因此可以提供更多的天線增益。

2.4.1 賦形增益

我去過郭村多次，每次都要在剃頭鋪子里坐一會。這剃頭鋪子里的光線、陳設(shè)、氣味，讓人恍惚，有時光倒流的感覺，仿佛進(jìn)入一部老電影的場景。

Beforming特性產(chǎn)生定向波束，提升用戶（尤其是小區(qū)邊緣用戶）的信號強度。當(dāng)前，64T64R MIMO天線下行有14 dB賦形增益。圖4為賦形增益示意圖。

圖4 賦形增益

2.4.2 分集增益

利用空間信道衰落的獨立性，多天線同時發(fā)送相同數(shù)據(jù)，可以減少衰落信道下信干噪比的波動帶來的性能損失。對于上行天線，數(shù)量越多，分集增益越強。當(dāng)前，上行64天線接收分集有13 dB的接收增益。圖5為分集增益示意圖。

2.4.3 天線陣子增益

MassiveMIMO天線具有N個發(fā)射通道，發(fā)射的總功率相當(dāng)于單天線的N倍，因此可以獲得相應(yīng)的功率增益。當(dāng)前，64T64R天線有10 dB的天線陣子增益。

2.4.4 空間復(fù)用增益（SU-MIMO）

空間復(fù)用增益技術(shù)在不降低鏈路穩(wěn)定性的情況下，可以有效提高頻譜利用率，就如同使用了更高階的解調(diào)。在相同信道下，MIMO系統(tǒng)用2個數(shù)據(jù)流配合使用16QAM，可以達(dá)到4 bits/sec/Hz，而SISO系統(tǒng)就需64QAM。小區(qū)邊緣不考慮SU-MIMO增益。

圖5 分集增益

2.5 頻段因素——路徑損耗

路徑損耗是電磁波在空間傳播中產(chǎn)生的損耗，是由發(fā)射功率的輻射擴散及信道的傳播特性造成的，反映宏觀范圍內(nèi)接收信號功率均值的變化。

在路徑損耗中需要考慮損耗和余量兩個部分，如圖6所示。損耗與頻段、傳播路徑、所處的地物、基站和終端的高度密切相關(guān)。余量則是為了對抗電磁波傳播過程中的衰落或者干擾而從功率上作出的預(yù)留。整體上，3.5 GHz與現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)的頻率相比，頻率較高，波長較短，所以其空間損耗較大，尤其是繞射能力較弱，多徑效果不明顯。因此，需要更加密集的基站部署才能實現(xiàn)連續(xù)覆蓋[3]。

圖6 損耗和余量

2.5.1 空間損耗

一般用傳播模型來預(yù)測地形、障礙物以及認(rèn)為環(huán)境對電磁波傳播中路徑損耗的影響。模型在保證規(guī)劃精度的同時，節(jié)省了人力、費用和時間。LTE采用Cost231-Hata模型，適用頻段1 500～2 000 MHz。5G采用TS36.873Uma、Rma、Umi模型，適用頻段2～6 GHz。如圖7所示，根據(jù)傳播模型測算，在密集城區(qū)，3.5 GHz頻段比1.8 GHz差5～7 dB，比800 MHz頻段差13 dB。5G傳播模型如表6[4-5]。

圖7 1.8 GHz和3.5 GHz各種模型的空間路徑損耗

表6 5G傳播模型

2.5.2 穿透損耗

穿透損耗指當(dāng)信號源在建筑物外時，建筑物外的接收信號強場與建筑物內(nèi)的強場比值。穿透損耗與建筑物的結(jié)構(gòu)、信號源位置和入射角度等有關(guān)。穿透損耗與頻率直接相關(guān)，與空口技術(shù)沒有直接關(guān)系[4-5]。不同頻段的穿透損耗情況對比，如圖8所示。

圖8 不同頻段的穿透損耗

3 5G鏈路預(yù)算表

結(jié)合上文中分析的各項因素，可以計算出系統(tǒng)配置為3.5 GHz、帶寬100 MHz、時隙配比采用2.5 ms雙周期、子載波帶寬30 kHz條件下的鏈路預(yù)算表，如表7所示。根據(jù)計算結(jié)果可知，密集城區(qū)單站覆蓋半徑為234 。

4 5G鏈路預(yù)算結(jié)果與實測結(jié)果對比

在某市采用5G樣機進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果如圖9所示。在相同RSRP情況下，時隙配比1:1的上行吞吐量速率明顯好于1:3的配比。在拉遠(yuǎn)最遠(yuǎn)處（下行2.4 km，上行305 m），兩者區(qū)別不大。測試結(jié)果與理論計算值對比，上行較為接近，下行明顯偏好，這是由于測試區(qū)域地物較稀疏，同時測試終端樣機與實際商用設(shè)備有較大差異（測試終端為模型機，終端天線分離設(shè)置）。

表7 5G鏈路預(yù)算表

圖9 拉遠(yuǎn)時上行MAC層吞吐量和RSRP的關(guān)系

5 結(jié) 語

在空口演進(jìn)的技術(shù)路線下，5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仍然需要在保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的條件下提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平。可以看到，5G采用的3.5 GHz頻段帶來的無線傳播損耗比4G低頻段大，但是5G采用了新的空口技術(shù)，帶來了一系列的補償和增益，測試結(jié)果也體現(xiàn)了這一點。由于采用了更高的無線頻段，傳播損耗與地物關(guān)系更為緊密。因此，在后期網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段，需要進(jìn)一步考慮引入具有建筑物特性的地圖信息和射線跟蹤模型進(jìn)行輔助分析，以提升規(guī)劃的準(zhǔn)確性。