5G NR的覆盖能力研究

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【摘要】首先详细分析了4G/5G覆盖差异的主要影响因素，包括频率、系统设置、终端能力等方面；然后进行了4G与5G的覆盖性能评估，基于链路预算给出了上下行控制信道、业务信道的覆盖能力。


【关键词】5G；4G；覆盖；影响因素；性能评估；链路预算


1   引言


与4G相比，5G的工作频段可能更高，如3.4 GHz~3.6 GHz、4.7 GHz~4.9 GHz等，频段的传播损耗和室内综合穿透损耗更高，覆盖面临挑战。为了弥补频段带来的覆盖劣势，5G NR系统新增了控制信道波束赋型，并在大规模天线阵列阵子数、终端侧收发天线数量、终端最大发射功率、PDCCH CCE数量等方面进行了增强。本文将以4G覆盖作为基准，详细分析4G/5G覆盖差异的影响因素，并对比评估4G/5G的覆盖能力。


2   4G/5G覆盖差异的主要影响因素


由于5G NR系统工作频段较高，其传播、穿透能力较低频段存在一定劣势。另一方面，天线阵子尺寸与频率成反比（与波长正比），因此高频段能够组成更大规模的阵列天线对覆盖进行补偿，而终端侧也有机会采用更多天线提高覆盖能力。


下面分别从频段传播能力、系统关键技术、终端可实现能力三个方面对5G的覆盖能力进行分析。


2.1  频段传播能力


（1）室外传播


目前主流的传播模型包括COST 231-Hata和3GPP TR 38.901中采用的ITU模型。COST 231-Hata是由欧洲研究委员会（陆地移动无线电发展）组织，根据Okumura-Hata模型扩展获得频率适用范围是2 GHz以下；3GPP采用的传播模型基于ITU传播模型扩展，频率适用范围是0.5 GHz~100 GHz。


3GPP TR 38.901中定义的UMa NLOS传播模型如下：
    (1)
其中，，f单位是GHz，d单位是m。
频率因子（前的系数）的取值是影响覆盖的重要因素。本文后续的链路预算中，默认采用TR 38.901的UMa NLOS模型，频率因子基于4G CW波的测试结果，由20校正为31.57，即本文采用的传播模型是：


    (2)


（2）室内穿透


实际无线通信网络规划部署工作中主要关注综合穿透损耗，即同时考虑介质穿透损耗、多径反射绕射衍射损耗、室内一定深度下的传播损耗等方面因素共同造成的室内覆盖信号的损失程度。


介质的穿透损耗指无线信号穿透不同介质时发生的反射、折射导致的通过介质后的功率减小。频率越高，穿透损耗越小。单纯的介质穿透损耗可以在实验室专门针对不同介质进行穿透测试得到。


室内的传播损耗与电磁波的衍射性能相关，根据惠更斯原理，电磁波在遇到尺寸远大于其波长的障碍物时，会在障碍物边缘发生绕射，以次级波（secondary wavelets）的形式传播到障碍物的阴影区，频率越高，绕射损耗越高。


5G NR频率相对4G LTE频率更高，理论上其介质穿透损耗更小而室内传播损耗更高，综合穿透损耗的性能有待在多种场景下进行实际验证。常用的验证方法是比较建筑物墙外测量信号强度与建筑物墙内不同深度下的信号强度差异，即：


(3)
2.2  系统差异


（1）大规模阵列天线


5G NR系统计划使用大规模阵列天线如64TR天线，而4G TD-LTE系统主要采用8TR天线，两者差异如图1所示：


64TR天线模型                 8TR天线模型
图1    64TR和8TR天线模型对比


其中，每个交叉的X表示一对采用交叉极化方式安装的阵子，而一个方框代表多个阵子连接一个功放（PA，Power Amplifier）。考虑到双极化因素，64TR天线共包含64个PA，每PA连接3个阵子；8TR共包含8个PA，每PA连接12个阵子。


天线增益的理论计算公式如下：


Antenna Gain=PA增益+10log10（垂直PA个数）+水平赋形增益+双极化增益    (4)


根据天线增益理论公式，64TR天线相对于8TR能够提升3 dB的理论增益，实际系统的增益需区分信道进行考察。4G LTE系统的控制信道没有采用波束赋形方案，因此无法获得赋形增益；5G NR系统为增强控制信道覆盖能力，控制信道可采用波束赋形+波束扫描的技术方案。


以下的天线增益计算中，5G NR系统PDSCH解调门限条件是1T4R，4G LTE系统PDSCH解调门限条件是2T2R。5G NR系统中天线增益考虑了3 dB双极化增益，4G LTE系统中双极化增益在解调门限中体现，不在天线增益中考虑。


◆控制信道波束赋形增益差异


5G NR系统和4G LTE系统的控制信道天线增益对比如表1所示：




表1    3.5 GHz与2.6 GHz上下行控制信道天线增益对比

这里简要对5G控制信道波束扫描方案进行介绍。波束扫描指的是在不同时隙内，采用不同权值对PBCH和PDCCH控制信道进行波束赋形，使得每个波束朝向小区不同方向进行发射，来弥补每个波束覆盖能力强但覆盖面较窄的缺点。用时间换空间，实现全小区所有方向上的有效覆盖。


以图2为例，根据3GPP R15标准，2.5 ms双周期帧结构典型配置下，每周期最多可发送7次PBCH的SSB，其对应的波束朝向如图2所示：


图2    下行控制信道波束扫描方式


◆业务信道波束赋形增益差异


5G NR系统和4G LTE系统的业务信道都采用了波束赋形，天线增益如表2所示：




表2    3.5 GHz与2.6 GHz上下行业务信道天线增益对比

（2）解调门限


5G NR系统由于100 MHz大带宽和64TR大规模阵列天线，控制信道会增加bit数指示更多的信息，比如SS Block index、调度分配指示等信息。编码方式相同，如果占用资源不变，承载信息bit数增加，控制信道的编码率提升，会导致解调门限提高，覆盖降低。


信道编码率计算公式如下：


    (5)
其中，可用RE数=信道占用RB数*12-不可用RE数（参考信号占用）；2对应编码方式QPSK；信元编码率与信道环境相关，最大0.925 7。


5G NR系统中，控制信道解调门限理论分析如表3所示：



表3    5G NR系统控制信道解调门限

◆PBCH：5G NR系统的承载bit数略高于4G LTE系统，编码率略高于4G，解调门限略高于4G。


◆PDCCH：5G一个CCE有6个REG，每个REG一个RB，最大16个CCE，去掉1/3的DMRS开销，最大可以有64个RB资源承载PDCCH信息bit数；4G一个CCE有9个REG，每个REG有4个RE，最大8个CCE，24个RB承载PDCCH信息bit数。所以，5G NR系统PDCCH较4G LTE系统解调门限低约4 dB。


◆PUCCH：5G NR系统和4G LTE系统编码率接近，解调门限接近。


（3）干扰余量和阴影衰落


5G NR系统中控制信道和业务信道都采用波束赋形的方式发送。控制信道方面，4G LTE采用全向波束而5G系统采用波束扫描。若合理安排扫描方案错开不同小区的控制信道波束，预期小区间控制信道干扰能够得到有效降低；业务信道方面，4G LTE采用8通道波束赋形而5G系统采用64TR的“3D”波束赋形，赋形更精准，对小区间业务信道干扰规避的效果应更优。因此，5G NR链路预算中采用的上下行干扰余量比4G LTE系统低2 dB，真实组网环境下的实际表现有待后续验证。


阴影衰落，通信过程中由于障碍物阻挡造成的阴影效应，导致接收信号强度下降。阴影衰落随地理改变缓慢变化，属于慢衰落。频率越高衰落越大但差异较小。目前5G NR链路预算中采用的阴影衰落余量为9 dB，较4G LTE系统高1 dB。


2.3  终端差异


由于较高的载波频率带来更小的天线尺寸，5G基站侧可采用大规模阵列天线增强上下行覆盖。相应的，接收终端侧也可以采用2T4R的天线形态、高功率终端、SRS轮发技术，提高上行发送功率的同时获取多天线发送分集增益。
2T指2个发送天线，每根天线最大发射功率23 dBm，终端发射功率合计26 dBm。4R指的是4个接收天线。相对于4G LTE 1T2R的终端形态可获得3 dB的功率增益、最大3 dB接收分集增益。


SRS轮发指SRS在哪根物理天线上发送用于信道信息的计算，如果只在固定天线发送则会丢失其他天线信息，导致可传输层数减少，发送速率降低。终端共计4根物理天线，需要在4根物理天线上实现2发4收的6根逻辑天线功能。4根物理天线时分实现上行发送和下行接收功能，上行发送天线固定在4根天线中的2根代表SRS非轮询，反之如果上行发送天线在4根物理天线上时分轮换发送代表SRS可轮询。4根天线SRS轮发，可通过信道互异性获得下行最大4流增益（SRS非轮询只可获得下行多天线最大2流（2T）或1流（1T）增益）。


3   5G NR覆盖性能评估


结合上述影响覆盖的因素，代入链路预算获得5G NR系统浅层覆盖的覆盖性能。
覆盖距离计算公式如下：


   (6)


其中，Loss损耗包括穿损、OTA、人体损耗、阴衰等。


5G NR系统覆盖分析包括控制信道覆盖分析和业务信道覆盖分析。业务信道覆盖包括上下行业务信道，下行业务信道分析思路是所有频段下行采用MCS=0，PRB采用全带宽，分析不同系统不同频段在同一MCS下的覆盖半径；上行业务信道分析思路是所有频段速率一致128kpbs，解调门限、MCS、RB数目均不同，分析不同系统不同频段在同一速率下的覆盖半径。


3.1  控制信道覆盖


采用下表链路预算条件，对比各系统各频段各控制信道覆盖半径，具体如表4所示：



表4    控制信道链路预算

由表4可知，4G LTE系统中覆盖受限控制信道是PDCCH信道，5G NR系统中覆盖受限控制信道是PRACH信道。这是由于5G NR系统中对下行PBCH和PDCCH做了波束扫描增强，但是上行由于功率受限且PRACH没有更好的增强方式（如重复发送），所以5G NR上行PRACH信道覆盖受限。


3.2  下行业务信道覆盖


采用表5链路预算条件，对比各系统各频段PDSCH业务信道覆盖半径和边缘速率，具体如表5所示：




表5    下行PDSCH业务信道链路预算

根据表5，尽管5G NR系统操作在更高的频率上对覆盖不利，但大规模阵列天线的引入提高了覆盖能力，因此在均为MCS=0的条件下，覆盖能力和4G LTE 2.6 GHz相当，而考虑到大带宽的优势，在相同覆盖半径下，边缘速率是2.6 GHz频段4G LTE的5倍左右。


3.3  上行业务信道覆盖


采用下表链路预算条件，对比各系统各频段PUSCH信道覆盖半径和边缘速率，具体如表6所示：




表6    上行PUSCH业务信道链路预算

由表6分析可知，在上行边缘速率128 kbps的前提下，5G NR系统和2.6 GHz 4G LTE系统上行业务信道覆盖半径（Uma Distance）接近。


为了增强5G NR系统的上行，目前业界考虑的思路是借用一个较低的频段来辅助上行传输。具体实现方案可分为下行CA和上行SUL两种。两者的对比分析如图3所示：


下行CA                                 上行SUL


图3    下行CA和上行SUL对比


（1）下行CA：终端驻留3.5 GHz NR载频，当上行覆盖能力不足时切换到1.8 GHz低频载波继续NR传输。由于3.5 GHz的下行覆盖仍较好，此时可以采用下行1.8 GHz+3.5 GHz CA提高下行速率。此方案的下行有高低频两个载波，上行一个低频载波。


（2）上行SUL：终端驻留3.5 GHz NR载频，当上行覆盖能力不足时直接使用低频载波进行上行传输，即下行采用3.5 GHz、上行采用1.8 GHz等低频段进行传输。此方案上下行均只有一个载波。


两种方案都是在上行传输受限时，利用较低的上行频段提高上行覆盖能力。下行CA方案的优势在于下行速率略高于SUL方案，但下行CA涉及到多频段联合调度，操作较复杂，上行SUL相对实现较容易。后续有待在大规模组网环境下继续对比两者实际效果。


4   结束语


本文分析了4G/5G覆盖差异的各项影响因素，对比了5G NR系统相对于4G LTE的覆盖能力。5G NR系统采用了大规模阵列天线和控制信道波束扫描等一系列增强技术，可一定程度上补偿载波频段较高对覆盖带来的挑战。经链路预算分析，在室外覆盖室内浅层场景下， 3.5 GHz 5G NR系统控制信道方面可达到与2.6 GHz 4G TD-LTE系统相近的覆盖能力；下行业务信道覆盖方面，在相同覆盖半径下，下行边缘速率较4G显著提升；因上行覆盖增强手段有限，5G上行业务信道覆盖性能仍待进一步提升，可通过SUL、CA等手段增强上行覆盖。文中涉及的各项因素如频率因子、穿透损耗、天线增益、解调门限、干扰余量等，目前主要通过理论和仿真分析获得，后续将根据试验情况进行验证和修正。


参考文献：
[1] 3GPP TS 38.211 V15.1.0. NR Physical channels and modulation[S].
[2] 3GPP TS 38.212 V15.0.0. NR Multiplexing and channel coding[S].
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[4] 3GPP TS 38.214 V15.1.0. Physical layer procedure for data[S].
[5] 3GPP TS 38.331 V15.1.0. Radio Resource Control (RRC) protocol specification[S].
[6] 李新. TD-LTE无线网络覆盖特性浅析[J]. 电信科学, 2009,25(1): 43-47.★