5G NR覆蓋性能研究

唐 昊，趙永強(qiáng)，李 源（中國聯(lián)通武漢分公司，湖北武漢 430014）

1 5G概述

4G網(wǎng)絡(luò)帶動移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成熟，隨著各類移動高清視頻、游戲、支付、瀏覽等業(yè)務(wù)快速發(fā)展，人們已習(xí)慣移動互聯(lián)網(wǎng)生活，并進(jìn)入流量時代。同時，在提速降費的背景下，流量資費大幅下降，移動數(shù)據(jù)流量快速增長，導(dǎo)致目前4G 網(wǎng)絡(luò)承載能力基本飽和，往往無法滿足用戶業(yè)務(wù)體驗需求。隨著互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)行業(yè)的垂直整合，VR、AR 等技術(shù)的應(yīng)用，移動數(shù)據(jù)通信在速率、時延、連接能力等方面要求大幅提升，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。

2 5G新空口頻段資源

5G 網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計上滿足3 種場景的業(yè)務(wù)需求，分別是增強(qiáng)的寬帶接入（eMBB）、大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）、極致的實時通信（uRLLC），設(shè)計帶寬達(dá)到每連接10 Gbit/s、100 萬連接/km2、端到端時延1 ms。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，5G 網(wǎng)絡(luò)在空口上引入了新的頻率資源、新波形、新編碼、靈活的幀結(jié)構(gòu)、靈活雙工、mMIMO等多項技術(shù)。

3GPP為5G定義了2個頻段，一個是低于6 GHz的FR1，一個是6 GHz以上的FR2。

FR1 就是sub 6 GHz 頻段，該頻段將是5G 當(dāng)前的主流應(yīng)用范圍。頻率越低，覆蓋能力越強(qiáng)，穿透能力越好，但目前低于3 GHz的部分，已經(jīng)在之前的網(wǎng)絡(luò)中使用，各國使用狀況不同，因此，3～6 GHz這部分頻段，即C-band 頻段中的3.5 GHz 是5G 應(yīng)用的主流，但同時，3GPP 同時劃定了其他可用的頻段，以便于靈活部署。FR1 頻段NR 支持100 MHz 帶寬，是4G 網(wǎng)絡(luò)的5倍（見表1）。

表1 FR1頻段

FR2頻段是高頻，也就是通常說的毫米波頻段，穿透能力較弱，但帶寬十分充足，且沒有什么干擾，頻譜干凈，未來的應(yīng)用也十分廣泛。FR2 頻段（見表2）NR設(shè)計支持1 GHz 帶寬，是4G 網(wǎng)絡(luò)的50 倍，但目前的3GPP最新版本暫支持400 MHz帶寬。

3 5G新空口C-band覆蓋性能

3.1 室外覆蓋性能

為了驗證3.5 GHz NR 與1.8 GHz、900 MHz LTE 室外覆蓋效果，選取湯遜湖NSA 試驗網(wǎng)區(qū)域內(nèi)濱湖路進(jìn)行拉遠(yuǎn)覆蓋測試，測試NR 在200 W 窄波束（本文窄波束均配置為4+3 窄波束）、200 W 寬波束下的覆蓋情況。

表2 FR2頻段

NR 下行中心載頻3 450 MHz，帶寬100 MHz，發(fā)射天線配置為64T64R，終端支持2T4R；LTE 配置RS 功率15.2 dBm，p-a取值為-3 dB，p-b的取值為1，下行中心載頻分別為1 832.5 MHz 和957.5 MHz，帶寬5 MHz，終端支持1T2R。

3.1.1 5G NR與LTE連續(xù)覆蓋對比

在室外單站覆蓋條件下，3.5 GHz NR 與1.8 GHz、900 MHz LTE 在NR 分別配置為窄波束和寬波束下的覆蓋情況如圖1所示。

圖1 3.5 GHz NR與LTE覆蓋對比

從圖1 可以看出，得益于波束賦形和MIMO 等天線技術(shù)的應(yīng)用，5G NR 窄波束的覆蓋均明顯優(yōu)于寬波束。在視距范圍內(nèi)，3.5 GHz NR 的覆蓋效果優(yōu)于1.8 GHz LTE（1.5 km左右開始持平），與900 MHz LTE大致持平。

覆蓋效果可以總結(jié)為：

900 MHz LTE≈NR 窄波束＞1.8 GHz LTE?NR 寬波束（視距范圍內(nèi)）

3.1.2 5G NR與LTE定點覆蓋對比

在室外單站覆蓋條件下，選取定點進(jìn)行測試，比較5G NR 窄波束在不同錨點站下近點（200 m）、中點（1 000 m）、遠(yuǎn)點（1 800 m）的信號覆蓋情況。在錨點站為1.8 GHz LTE 和900 MHz LTE條件下，5G NR側(cè)和LTE側(cè)的信號情況如表3所示。

表3 3.5 GHz NR與1.8 GHz LTE、900 MHz LTE在不同位置定點測試信號對比情況

圖2 不同RSRP下的5G NR上下行速率情況

圖3 不同SINR時的MCS、PDCP下行吞吐量

圖4 拉遠(yuǎn)距離對5G NR RSRP和SINR的影響

從表3 可以看出，5G NR 小區(qū)在近中點處覆蓋效果優(yōu)于1.8 GHz LTE，與900 MHz LTE 大致持平，在遠(yuǎn)點處覆蓋開始弱于LTE。因此，從計算結(jié)果看，為了保障5G 室外連續(xù)覆蓋，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃初期，在LTE 站點較為密集的城區(qū)內(nèi)，建議5G NR 和1.8 GHz LTE 按照1∶3配比建網(wǎng)，后期按需逐步加密；在LTE 站點較為稀疏的郊區(qū)，建議5G NR 與1.8 GHz LTE 或900 MHz LTE 按照1∶1配比加站。

3.1.3 5G NR空口吞吐量性能研究

在室外條件下，通過拉遠(yuǎn)測試，分析不同RSRP、SINR、拉遠(yuǎn)距離下5G NR 空口吞吐率性能，以探究5G邊緣速率對終端接收信號的需求（5G NR 邊緣速率定義為下行100 Mbit/s、上行10 Mbit/s）。測試結(jié)果如圖2～圖4所示。

通過對測試數(shù)據(jù)處理分析：

a）從圖2 可以看出，當(dāng)5G NR 要滿足下行邊緣速率為100 Mbit/s 時，NR_RSRP 要不低于-110 dBm，同理，要滿足上行邊緣速率超過10 Mbit/s 時，NR_RSRP要超過-106 dBm。即5G 終端接收電平在-106 dBm 左右才能滿足下行100 Mbit/s、上行10 Mbit/s的邊緣速率要求。

b）從圖3 可以看出，下行PDCP 吞吐量隨NR_SINR 的增加而增加，且當(dāng)NR_SINR≥6 dB 時5G NR才滿足下行邊緣速率要求。

c）從圖4可以看出，NR拉遠(yuǎn)距離在2.7 km以內(nèi)滿足邊緣速率對RSRP 的要求，拉遠(yuǎn)距離在2.4 km 以內(nèi)滿足邊緣速率對SINR 的要求。綜上所述，NR 覆蓋距離在2.4 km 以內(nèi)NR 滿足RSRP≥-106 dBm、SINR≥6 dB的邊緣速率質(zhì)量要求。

3.2 室內(nèi)深度覆蓋性能

為了驗證3.5 GHz NR 與1.8 GHz LTE、900MHz LTE 室外宏站覆蓋室內(nèi)效果，選取xxxNSA 試驗網(wǎng)區(qū)域內(nèi)xx 大廈，選擇低層（3 層）、中層（7 層）、高層（12 層）3種場景分別進(jìn)行室內(nèi)遍歷測試。測試NR 在200 W 窄波束、寬波束下的覆蓋情況。

NR 下行中心載頻3 450 MHz，帶寬100 MHz，發(fā)射天線配置為64T64R，終端支持2T4R；LTE 配置RS 功率15.2 dBm，p-a取值為-3 dB，p-b的取值為1，下行中心載頻分別為1 832.5 MHz 和957.5 MHz，帶寬5 MHz，終端支持1T2R。

3.2.1 5G NR寬窄波束對各樓層的覆蓋情況

寬窄波束在大廈不同樓層的覆蓋情況如圖5 所示。從圖5 可以看出，在樓宇覆蓋中，窄波束對中、低層覆蓋相當(dāng)，對高層覆蓋稍弱于中、低層；寬波束對中、低層覆蓋相當(dāng)，但對高層覆蓋明顯弱于中、低層。

寬窄波束對相同樓層的覆蓋情況如圖6所示。從圖6 可以看出，5G NR 窄波束在高、中、低層樓宇的覆蓋效果均明顯優(yōu)于寬波束，對樓宇的立體覆蓋相比寬波束優(yōu)勢明顯。

圖5 寬窄波束在大廈不同樓層的覆蓋情況

圖6 寬窄波束對相同樓層的覆蓋情況

3.2.2 5G NR與LTE深度覆蓋對比

5G NR 與1.8 GHz LTE 和900 MHz LTE 對不同樓層深度覆蓋和穿墻損耗情況如圖7 所示。從圖7 可以看出，LTE 在高、中、低層的深度覆蓋情況均優(yōu)于5G NR。隨著樓層升高，LTE 信號衰減開始加重，得益于波束賦形的增益，NR在高層的信號衰減較為平緩。

從測試結(jié)果看，5G NR 室內(nèi)外平均損耗比LTE 大10 dB 左右。因此，淺層深度覆蓋，建議宏站覆蓋室內(nèi)為主，針對高層深度覆蓋，建議部署室內(nèi)分布來提升覆蓋效果。

4 總結(jié)

綜上所述，在室外覆蓋場景，由于波束賦形技術(shù)帶來的信號增益，在1.5 km內(nèi)，5G NR窄波束的覆蓋效果優(yōu)于1.8 GHz LTE。同時，為了滿足下行速率100 Mbit/s、上行10 Mbit/s 的邊緣速率要求，5G NR 信號電平需滿足RSRP≥-106 dBm，SINR≥6 dB。在室內(nèi)深度覆蓋場景，由于3.5 GHz 的頻段相較于LTE 偏高，5G NR在穿墻損耗上要比LTE平均大10 dB左右。

因此，在未來的5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署工作中，建議如下。

圖7 5G NR與1.8 GHz LTE和900 MHz LTE對不同樓層深度覆蓋和穿墻損耗情況

a）在室外覆蓋場景，為了保障5G 連續(xù)覆蓋，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃初期，在LTE 站點較為密集的城區(qū)內(nèi)，建議5G NR 和1.8 GHz LTE 按照1∶3 配比建網(wǎng)，后期按需逐步加密；在LTE 站點較為稀疏的郊區(qū)，建議5G NR 與1.8 GHz LTE或900 MHz LTE按照1∶1配比加站。

b）在室內(nèi)深度覆蓋場景，對于淺層深度覆蓋，建議部署宏站覆蓋室內(nèi)為主，針對高層深度覆蓋，建議部署室內(nèi)分布來提升覆蓋效果。