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)。為了彌補頻段帶來的覆蓋劣勢，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)量等方面進行了增強。本文將以4G覆蓋作為基準，詳細分析4G/5G覆蓋差異的影響因素，并對比評估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。另一方面，天線陣子尺寸與頻率成反比(與波長正比)，因此高頻段能夠組成更大規(guī)模的陣列天線對覆蓋進行補償，而終端側(cè)也有機會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)關鍵技術、終端可實現(xiàn)能力三個方面對5G的覆蓋能力進行分析。

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(陸地移動無線電發(fā)展)組織，根據(jù)Okumura-Hata模型擴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)的鏈路預算中，默認采用TR 38.901的UMa NLOS模型，頻率因子基于4G CW波的測試結(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

實際無線通信網(wǎng)絡規(guī)劃部署工作中主要關注綜合穿透損耗，即同時考慮介質(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)覆蓋信號的損失程度。

介質(zhì)的穿透損耗指無線信號穿透不同介質(zhì)時發(fā)生的反射、折射導致的通過介質(zhì)后的功率減小。頻率越高，穿透損耗越小。單純的介質(zhì)穿透損耗可以在實驗室專門針對不同介質(zhì)進行穿透測試得到。

室內(nèi)的傳播損耗與電磁波的衍射性能相關，根據(jù)惠更斯原理，電磁波在遇到尺寸遠大于其波長的障礙物時，會在障礙物邊緣發(fā)生繞射，以次級波(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景下進行實際驗證。常用的驗證方法是比較建筑物墻外測量信號強度與建筑物墻內(nèi)不同深度下的信號強度差異，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天線模型對比

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

天線增益的理論計算公式如下：

Antenna Gain=PA增益+10log10(垂直PA個數(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天線相對于8TR能夠提升3 dB的理論增益，實際系統(tǒng)的增益需區(qū)分信道進行考察。4G LTE系統(tǒng)的控制信道沒有采用波束賦形方案，因此無法獲得賦形增益;5G NR系統(tǒng)為增強控制信道覆蓋能力，控制信道可采用波束賦形+波束掃描的技術方案。

以下的天線增益計算中，5G NR系統(tǒng)PDSCH解調(diào)門限條件是1T4R，4G LTE系統(tǒng)PDSCH解調(diào)門限條件是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比

這里簡要對5G控制信道波束掃描方案進行介紹。波束掃描指的是在不同時隙內(nèi)，采用不同權值對PBCH和PDCCH控制信道進行波束賦形，使得每個波束朝向小區(qū)不同方向進行發(fā)射，來彌補每個波束覆蓋能力強但覆蓋面較窄的缺點。用時間換空間，實現(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標準，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，其對應的波束朝向如圖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)務信道天線增益對比

(2)解調(diào)門限

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，會導致解調(diào)門限提高，覆蓋降低。

信道編碼率計算公式如下：

(5)

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

5G NR系統(tǒng)中，控制信道解調(diào)門限理論分析如表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)門限略高于4G。

◆PDCCH：5G一個CCE有6個REG，每個REG一個RB，最大16個CCE，去掉1/3的DMRS開銷，最大可以有64個RB資源承載PDCCH信息bit數(shù);4G一個CCE有9個REG，每個REG有4個RE，最大8個CCE，24個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)務信道都采用波束賦形的方式發(fā)送。控制信道方面，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開不同小區(qū)的控制信道波束，預期小區(qū)間控制信道干擾能夠得到有效降低;業(yè)務信道方面，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，對小區(qū)間業(yè)務信道干擾規(guī)避的效果應更優(yōu)。因此，5G NR鏈路預算中采用的上下行干擾余量比4G LTE系統(tǒng)低2 dB，真實組網(wǎng)環(huán)境下的實際表現(xiàn)有待后續(xù)驗證。

陰影衰落，通信過程中由于障礙物阻擋造成的陰影效應，導致接收信號強度下降。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)模陣列天線增強上下行覆蓋。相應的，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，提高上行發(fā)送功率的同時獲取多天線發(fā)送分集增益。

2T指2個發(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26 dBm。4R指的是4個接收天線。相對于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算，如果只在固定天線發(fā)送則會丟失其他天線信息，導致可傳輸層數(shù)減少，發(fā)送速率降低。終端共計4根物理天線，需要在4根物理天線上實現(xiàn)2發(fā)4收的6根邏輯天線功能。4根物理天線時分實現(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根物理天線上時分輪換發(fā)送代表SRS可輪詢。4根天線SRS輪發(fā)，可通過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覆蓋性能評估

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

覆蓋距離計算公式如下：

(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)務信道覆蓋分析。業(yè)務信道覆蓋包括上下行業(yè)務信道，下行業(yè)務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)務信道分析思路是所有頻段速率一致128kpbs，解調(diào)門限、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

采用下表鏈路預算條件，對比各系統(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)中對下行PBCH和PDCCH做了波束掃描增強，但是上行由于功率受限且PRACH沒有更好的增強方式(如重復發(fā)送)，所以5G NR上行PRACH信道覆蓋受限。

3.2 下行業(yè)務信道覆蓋

采用表5鏈路預算條件，對比各系統(tǒng)各頻段PDSCH業(yè)務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)務信道鏈路預算

根據(jù)表5，盡管5G NR系統(tǒng)操作在更高的頻率上對覆蓋不利，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，而考慮到大帶寬的優(yōu)勢，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)務信道覆蓋

采用下表鏈路預算條件，對比各系統(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)務信道鏈路預算

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)務信道覆蓋半徑(Uma Distance)接近。

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

下行CA 上行SUL

圖3 下行CA和上行SUL對比

(1)下行CA：終端駐留3.5 GHz NR載頻，當上行覆蓋能力不足時切換到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載波，上行一個低頻載波。

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

兩種方案都是在上行傳輸受限時，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，操作較復雜，上行SUL相對實現(xiàn)較容易。后續(xù)有待在大規(guī)模組網(wǎng)環(huán)境下繼續(xù)對比兩者實際效果。

4 結(jié)束語

本文分析了4G/5G覆蓋差異的各項影響因素，對比了5G NR系統(tǒng)相對于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技術，可一定程度上補償載波頻段較高對覆蓋帶來的挑戰(zhàn)。經(jīng)鏈路預算分析，在室外覆蓋室內(nèi)淺層場景下， 3.5 GHz 5G NR系統(tǒng)控制信道方面可達到與2.6 GHz 4G TD-LTE系統(tǒng)相近的覆蓋能力;下行業(yè)務信道覆蓋方面，在相同覆蓋半徑下，下行邊緣速率較4G顯著提升;因上行覆蓋增強手段有限，5G上行業(yè)務信道覆蓋性能仍待進一步提升，可通過SUL、CA等手段增強上行覆蓋。文中涉及的各項因素如頻率因子、穿透損耗、天線增益、解調(diào)門限、干擾余量等，目前主要通過理論和仿真分析獲得，后續(xù)將根據(jù)試驗情況進行驗證和修正。

參考文獻：

[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].

[3] 3GPP TS 38.213 V15.1.0. Physical layer procedures for control[S].

[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無線網(wǎng)絡覆蓋特性淺析[J]. 電信科學, 2009,25(1): 43-47.★