5G NR覆蓋能力研究

【摘要】首先詳細(xì)分析了4G/5G覆蓋差異的主要影響因素，包括頻率、系統(tǒng)設(shè)置、終端能力等方面；然后進(jìn)行了4G與5G的覆蓋性能評(píng)估，基于鏈路預(yù)算給出了上下行控制信道、業(yè)務(wù)信道的覆蓋能力。

【關(guān)鍵詞】5G；4G；覆蓋；影響因素；性能評(píng)估；鏈路預(yù)算

1 引言

與4G相比，5G的工作頻段可能更高，如3.4 GHz~3.6 GHz、4.7 GHz~4.9 GHz等，頻段的傳播損耗和室內(nèi)綜合穿透損耗更高，覆蓋面臨挑戰(zhàn)。為了彌補(bǔ)頻段帶來(lái)的覆蓋劣勢(shì)，5G NR系統(tǒng)新增了控制信道波束賦型，并在大規(guī)模天線陣列陣子數(shù)、終端側(cè)收發(fā)天線數(shù)量、終端最大發(fā)射功率、PDCCH CCE數(shù)量等方面進(jìn)行了增強(qiáng)。本文將以4G覆蓋作為基準(zhǔn)，詳細(xì)分析4G/5G覆蓋差異的影響因素，并對(duì)比評(píng)估4G/5G的覆蓋能力。

2 4G/5G覆蓋差異的主要影響因素

由于5G NR系統(tǒng)工作頻段較高，其傳播、穿透能力較低頻段存在一定劣勢(shì)。另一方面，天線陣子尺寸與頻率成反比（與波長(zhǎng)正比），因此高頻段能夠組成更大規(guī)模的陣列天線對(duì)覆蓋進(jìn)行補(bǔ)償，而終端側(cè)也有機(jī)會(huì)采用更多天線提高覆蓋能力。

下面分別從頻段傳播能力、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、終端可實(shí)現(xiàn)能力三個(gè)方面對(duì)5G的覆蓋能力進(jìn)行分析。

2.1 頻段傳播能力

（1）室外傳播

目前主流的傳播模型包括COST 231-Hata和3GPP TR 38.901中采用的ITU模型。COST 231-Hata是由歐洲研究委員會(huì)（陸地移動(dòng)無(wú)線電發(fā)展）組織，根據(jù)Okumura-Hata模型擴(kuò)展獲得頻率適用范圍是2 GHz以下；3GPP采用的傳播模型基于ITU傳播模型擴(kuò)展，頻率適用范圍是0.5 GHz~100 GHz。

3GPP TR 38.901中定義的UMa NLOS傳播模型如下：

(1)

其中，，f單位是GHz，d單位是m。

頻率因子（前的系數(shù)）的取值是影響覆蓋的重要因素。本文后續(xù)的鏈路預(yù)算中，默認(rèn)采用TR 38.901的UMa NLOS模型，頻率因子基于4G CW波的測(cè)試結(jié)果，由20校正為31.57，即本文采用的傳播模型是：

(2)

（2）室內(nèi)穿透

實(shí)際無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署工作中主要關(guān)注綜合穿透損耗，即同時(shí)考慮介質(zhì)穿透損耗、多徑反射繞射衍射損耗、室內(nèi)一定深度下的傳播損耗等方面因素共同造成的室內(nèi)覆蓋信號(hào)的損失程度。

介質(zhì)的穿透損耗指無(wú)線信號(hào)穿透不同介質(zhì)時(shí)發(fā)生的反射、折射導(dǎo)致的通過(guò)介質(zhì)后的功率減小。頻率越高，穿透損耗越小。單純的介質(zhì)穿透損耗可以在實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)門(mén)針對(duì)不同介質(zhì)進(jìn)行穿透測(cè)試得到。

室內(nèi)的傳播損耗與電磁波的衍射性能相關(guān)，根據(jù)惠更斯原理，電磁波在遇到尺寸遠(yuǎn)大于其波長(zhǎng)的障礙物時(shí)，會(huì)在障礙物邊緣發(fā)生繞射，以次級(jí)波（secondary wavelets）的形式傳播到障礙物的陰影區(qū)，頻率越高，繞射損耗越高。

5G NR頻率相對(duì)4G LTE頻率更高，理論上其介質(zhì)穿透損耗更小而室內(nèi)傳播損耗更高，綜合穿透損耗的性能有待在多種場(chǎng)景下進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。常用的驗(yàn)證方法是比較建筑物墻外測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度與建筑物墻內(nèi)不同深度下的信號(hào)強(qiáng)度差異，即：

(3)

2.2 系統(tǒng)差異

（1）大規(guī)模陣列天線

5G NR系統(tǒng)計(jì)劃使用大規(guī)模陣列天線如64TR天線，而4G TD-LTE系統(tǒng)主要采用8TR天線，兩者差異如圖1所示：

64TR天線模型 8TR天線模型

圖1 64TR和8TR天線模型對(duì)比

其中，每個(gè)交叉的X表示一對(duì)采用交叉極化方式安裝的陣子，而一個(gè)方框代表多個(gè)陣子連接一個(gè)功放（PA，Power Amplifier）。考慮到雙極化因素，64TR天線共包含64個(gè)PA，每PA連接3個(gè)陣子；8TR共包含8個(gè)PA，每PA連接12個(gè)陣子。

天線增益的理論計(jì)算公式如下：

Antenna Gain=PA增益+10log10（垂直P(pán)A個(gè)數(shù)）+水平賦形增益+雙極化增益 (4)

根據(jù)天線增益理論公式，64TR天線相對(duì)于8TR能夠提升3 dB的理論增益，實(shí)際系統(tǒng)的增益需區(qū)分信道進(jìn)行考察。4G LTE系統(tǒng)的控制信道沒(méi)有采用波束賦形方案，因此無(wú)法獲得賦形增益；5G NR系統(tǒng)為增強(qiáng)控制信道覆蓋能力，控制信道可采用波束賦形+波束掃描的技術(shù)方案。

以下的天線增益計(jì)算中，5G NR系統(tǒng)PDSCH解調(diào)門(mén)限條件是1T4R，4G LTE系統(tǒng)PDSCH解調(diào)門(mén)限條件是2T2R。5G NR系統(tǒng)中天線增益考慮了3 dB雙極化增益，4G LTE系統(tǒng)中雙極化增益在解調(diào)門(mén)限中體現(xiàn)，不在天線增益中考慮。

◆控制信道波束賦形增益差異

5G NR系統(tǒng)和4G LTE系統(tǒng)的控制信道天線增益對(duì)比如表1所示：

表1 3.5 GHz與2.6 GHz上下行控制信道天線增益對(duì)比

這里簡(jiǎn)要對(duì)5G控制信道波束掃描方案進(jìn)行介紹。波束掃描指的是在不同時(shí)隙內(nèi)，采用不同權(quán)值對(duì)PBCH和PDCCH控制信道進(jìn)行波束賦形，使得每個(gè)波束朝向小區(qū)不同方向進(jìn)行發(fā)射，來(lái)彌補(bǔ)每個(gè)波束覆蓋能力強(qiáng)但覆蓋面較窄的缺點(diǎn)。用時(shí)間換空間，實(shí)現(xiàn)全小區(qū)所有方向上的有效覆蓋。

以圖2為例，根據(jù)3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)，2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)典型配置下，每周期最多可發(fā)送7次PBCH的SSB，其對(duì)應(yīng)的波束朝向如圖2所示：

圖2 下行控制信道波束掃描方式

◆業(yè)務(wù)信道波束賦形增益差異

5G NR系統(tǒng)和4G LTE系統(tǒng)的業(yè)務(wù)信道都采用了波束賦形，天線增益如表2所示：

表2 3.5 GHz與2.6 GHz上下行業(yè)務(wù)信道天線增益對(duì)比

（2）解調(diào)門(mén)限

5G NR系統(tǒng)由于100 MHz大帶寬和64TR大規(guī)模陣列天線，控制信道會(huì)增加bit數(shù)指示更多的信息，比如SS Block index、調(diào)度分配指示等信息。編碼方式相同，如果占用資源不變，承載信息bit數(shù)增加，控制信道的編碼率提升，會(huì)導(dǎo)致解調(diào)門(mén)限提高，覆蓋降低。

信道編碼率計(jì)算公式如下：

(5)

其中，可用RE數(shù)=信道占用RB數(shù)*12-不可用RE數(shù)（參考信號(hào)占用）；2對(duì)應(yīng)編碼方式QPSK；信元編碼率與信道環(huán)境相關(guān)，最大0.925 7。

5G NR系統(tǒng)中，控制信道解調(diào)門(mén)限理論分析如表3所示：

表3 5G NR系統(tǒng)控制信道解調(diào)門(mén)限

◆PBCH：5G NR系統(tǒng)的承載bit數(shù)略高于4G LTE系統(tǒng)，編碼率略高于4G，解調(diào)門(mén)限略高于4G。

◆PDCCH：5G一個(gè)CCE有6個(gè)REG，每個(gè)REG一個(gè)RB，最大16個(gè)CCE，去掉1/3的DMRS開(kāi)銷(xiāo)，最大可以有64個(gè)RB資源承載PDCCH信息bit數(shù)；4G一個(gè)CCE有9個(gè)REG，每個(gè)REG有4個(gè)RE，最大8個(gè)CCE，24個(gè)RB承載PDCCH信息bit數(shù)。所以，5G NR系統(tǒng)PDCCH較4G LTE系統(tǒng)解調(diào)門(mén)限低約4 dB。

◆PUCCH：5G NR系統(tǒng)和4G LTE系統(tǒng)編碼率接近，解調(diào)門(mén)限接近。

（3）干擾余量和陰影衰落

5G NR系統(tǒng)中控制信道和業(yè)務(wù)信道都采用波束賦形的方式發(fā)送�？刂菩诺婪矫�，4G LTE采用全向波束而5G系統(tǒng)采用波束掃描。若合理安排掃描方案錯(cuò)開(kāi)不同小區(qū)的控制信道波束，預(yù)期小區(qū)間控制信道干擾能夠得到有效降低；業(yè)務(wù)信道方面，4G LTE采用8通道波束賦形而5G系統(tǒng)采用64TR的“3D”波束賦形，賦形更精準(zhǔn)，對(duì)小區(qū)間業(yè)務(wù)信道干擾規(guī)避的效果應(yīng)更優(yōu)。因此，5G NR鏈路預(yù)算中采用的上下行干擾余量比4G LTE系統(tǒng)低2 dB，真實(shí)組網(wǎng)環(huán)境下的實(shí)際表現(xiàn)有待后續(xù)驗(yàn)證。

陰影衰落，通信過(guò)程中由于障礙物阻擋造成的陰影效應(yīng)，導(dǎo)致接收信號(hào)強(qiáng)度下降。陰影衰落隨地理改變緩慢變化，屬于慢衰落。頻率越高衰落越大但差異較小。目前5G NR鏈路預(yù)算中采用的陰影衰落余量為9 dB，較4G LTE系統(tǒng)高1 dB。

2.3 終端差異

由于較高的載波頻率帶來(lái)更小的天線尺寸，5G基站側(cè)可采用大規(guī)模陣列天線增強(qiáng)上下行覆蓋。相應(yīng)的，接收終端側(cè)也可以采用2T4R的天線形態(tài)、高功率終端、SRS輪發(fā)技術(shù)，提高上行發(fā)送功率的同時(shí)獲取多天線發(fā)送分集增益。

2T指2個(gè)發(fā)送天線，每根天線最大發(fā)射功率23 dBm，終端發(fā)射功率合計(jì)26 dBm。4R指的是4個(gè)接收天線。相對(duì)于4G LTE 1T2R的終端形態(tài)可獲得3 dB的功率增益、最大3 dB接收分集增益。

SRS輪發(fā)指SRS在哪根物理天線上發(fā)送用于信道信息的計(jì)算，如果只在固定天線發(fā)送則會(huì)丟失其他天線信息，導(dǎo)致可傳輸層數(shù)減少，發(fā)送速率降低。終端共計(jì)4根物理天線，需要在4根物理天線上實(shí)現(xiàn)2發(fā)4收的6根邏輯天線功能。4根物理天線時(shí)分實(shí)現(xiàn)上行發(fā)送和下行接收功能，上行發(fā)送天線固定在4根天線中的2根代表SRS非輪詢，反之如果上行發(fā)送天線在4根物理天線上時(shí)分輪換發(fā)送代表SRS可輪詢。4根天線SRS輪發(fā)，可通過(guò)信道互異性獲得下行最大4流增益（SRS非輪詢只可獲得下行多天線最大2流（2T）或1流（1T）增益）。

3 5G NR覆蓋性能評(píng)估

結(jié)合上述影響覆蓋的因素，代入鏈路預(yù)算獲得5G NR系統(tǒng)淺層覆蓋的覆蓋性能。

覆蓋距離計(jì)算公式如下：

(6)

其中，Loss損耗包括穿損、OTA、人體損耗、陰衰等。

5G NR系統(tǒng)覆蓋分析包括控制信道覆蓋分析和業(yè)務(wù)信道覆蓋分析。業(yè)務(wù)信道覆蓋包括上下行業(yè)務(wù)信道，下行業(yè)務(wù)信道分析思路是所有頻段下行采用MCS=0，PRB采用全帶寬，分析不同系統(tǒng)不同頻段在同一MCS下的覆蓋半徑；上行業(yè)務(wù)信道分析思路是所有頻段速率一致128kpbs，解調(diào)門(mén)限、MCS、RB數(shù)目均不同，分析不同系統(tǒng)不同頻段在同一速率下的覆蓋半徑。

3.1 控制信道覆蓋

采用下表鏈路預(yù)算條件，對(duì)比各系統(tǒng)各頻段各控制信道覆蓋半徑，具體如表4所示：

表4 控制信道鏈路預(yù)算

由表4可知，4G LTE系統(tǒng)中覆蓋受限控制信道是PDCCH信道，5G NR系統(tǒng)中覆蓋受限控制信道是PRACH信道。這是由于5G NR系統(tǒng)中對(duì)下行PBCH和PDCCH做了波束掃描增強(qiáng)，但是上行由于功率受限且PRACH沒(méi)有更好的增強(qiáng)方式（如重復(fù)發(fā)送），所以5G NR上行PRACH信道覆蓋受限。

3.2 下行業(yè)務(wù)信道覆蓋

采用表5鏈路預(yù)算條件，對(duì)比各系統(tǒng)各頻段PDSCH業(yè)務(wù)信道覆蓋半徑和邊緣速率，具體如表5所示：

表5 下行PDSCH業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算

根據(jù)表5，盡管5G NR系統(tǒng)操作在更高的頻率上對(duì)覆蓋不利，但大規(guī)模陣列天線的引入提高了覆蓋能力，因此在均為MCS=0的條件下，覆蓋能力和4G LTE 2.6 GHz相當(dāng)，而考慮到大帶寬的優(yōu)勢(shì)，在相同覆蓋半徑下，邊緣速率是2.6 GHz頻段4G LTE的5倍左右。

3.3 上行業(yè)務(wù)信道覆蓋

采用下表鏈路預(yù)算條件，對(duì)比各系統(tǒng)各頻段PUSCH信道覆蓋半徑和邊緣速率，具體如表6所示：

表6 上行PUSCH業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算

由表6分析可知，在上行邊緣速率128 kbps的前提下，5G NR系統(tǒng)和2.6 GHz 4G LTE系統(tǒng)上行業(yè)務(wù)信道覆蓋半徑（Uma Distance）接近。

為了增強(qiáng)5G NR系統(tǒng)的上行，目前業(yè)界考慮的思路是借用一個(gè)較低的頻段來(lái)輔助上行傳輸。具體實(shí)現(xiàn)方案可分為下行CA和上行SUL兩種。兩者的對(duì)比分析如圖3所示：

下行CA 上行SUL

圖3 下行CA和上行SUL對(duì)比

（1）下行CA：終端駐留3.5 GHz NR載頻，當(dāng)上行覆蓋能力不足時(shí)切換到1.8 GHz低頻載波繼續(xù)NR傳輸。由于3.5 GHz的下行覆蓋仍較好，此時(shí)可以采用下行1.8 GHz+3.5 GHz CA提高下行速率。此方案的下行有高低頻兩個(gè)載波，上行一個(gè)低頻載波。

（2）上行SUL：終端駐留3.5 GHz NR載頻，當(dāng)上行覆蓋能力不足時(shí)直接使用低頻載波進(jìn)行上行傳輸，即下行采用3.5 GHz、上行采用1.8 GHz等低頻段進(jìn)行傳輸。此方案上下行均只有一個(gè)載波。

兩種方案都是在上行傳輸受限時(shí)，利用較低的上行頻段提高上行覆蓋能力。下行CA方案的優(yōu)勢(shì)在于下行速率略高于SUL方案，但下行CA涉及到多頻段聯(lián)合調(diào)度，操作較復(fù)雜，上行SUL相對(duì)實(shí)現(xiàn)較容易。后續(xù)有待在大規(guī)模組網(wǎng)環(huán)境下繼續(xù)對(duì)比兩者實(shí)際效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了4G/5G覆蓋差異的各項(xiàng)影響因素，對(duì)比了5G NR系統(tǒng)相對(duì)于4G LTE的覆蓋能力。5G NR系統(tǒng)采用了大規(guī)模陣列天線和控制信道波束掃描等一系列增強(qiáng)技術(shù)，可一定程度上補(bǔ)償載波頻段較高對(duì)覆蓋帶來(lái)的挑戰(zhàn)。經(jīng)鏈路預(yù)算分析，在室外覆蓋室內(nèi)淺層場(chǎng)景下， 3.5 GHz 5G NR系統(tǒng)控制信道方面可達(dá)到與2.6 GHz 4G TD-LTE系統(tǒng)相近的覆蓋能力；下行業(yè)務(wù)信道覆蓋方面，在相同覆蓋半徑下，下行邊緣速率較4G顯著提升；因上行覆蓋增強(qiáng)手段有限，5G上行業(yè)務(wù)信道覆蓋性能仍待進(jìn)一步提升，可通過(guò)SUL、CA等手段增強(qiáng)上行覆蓋。文中涉及的各項(xiàng)因素如頻率因子、穿透損耗、天線增益、解調(diào)門(mén)限、干擾余量等，目前主要通過(guò)理論和仿真分析獲得，后續(xù)將根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行驗(yàn)證和修正。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 李新. TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性淺析[J]. 電信科學(xué), 2009,25(1): 43-47.★

作者：周嬌 李新 劉磊 來(lái)源：《移動(dòng)通信》