5G覆盖能力综合分析

关东黑土豆

摘  要

简要先容5G系统的频段，概括分析大规模阵列天线的信道及增益模型，在先容信道RB分配和MCS调制与频谱效率的基础上，具体阐述了5G上下行链路的覆盖能力。通过分别对业务信道和控制信道的链路预算展开分析，对其上下行覆盖瓶颈作出了详致的归纳和总结。另外，结合不同频段以及不同通道数的MIMO条件下5G的覆盖能力，对即将到来的5G的组网及优化给出了相关引导意见。

关键词

5G；链路预算；控制信道；业务信道；大规模阵列天线

0 引言

随着移动互联网与物联网呈指数级发展、新业务层出不穷，4G已经逐渐无法满足用户越来越高的体验要求。在此情形下，5G[1]应运而生，它将更加智能化与自动化，能够支撑更多样化的场景，融合更多种无线接入方式[2]。但相对4G网络而言，5G应用技术到目前为止仍然欠完善，产业链仍然欠成熟。因此，需要投入更多的精力去研究如何根据差异化的场景去布署5G网络并如何优化[3]。

本文主要致力对运营商应用最广的5G增强移动宽(eMBB)系统覆盖能力进行研究。截至目前，尚没有足够的文献能够系统地对5G系统的链路预算及其覆盖能力进行研究。究其原因，可能是5G系统采取了比4G更灵活复杂的多流MIMO[4]，且5G的频段分布更为宽泛。早在去年初，笔者就详细分析了5G在国内频段的分配情况[5]，由于全球在分配5G频谱的节奏不统一，带宽也不一致，这也会导致5G在不同国家或区域呈现出协同定位、兼容性的问题，这也需要后期加以关注并跟踪。

江巧捷等人[6]重点剖析了5G传播模型，这对于测算5G的覆盖半径大有裨益。王凤明等人[7]简单地叙述了5G的链路预算与站址规划，任何内容。陈杨等人[8]在此基础上相对深入地分析了5G系统的覆盖能力，但对于链路预算与MIMO流、系统频段的关系则只字未提。

1 系统频段与Massive MIMO

根据笔者在文献[5]中的观点，5G系统将来主要使用小于6GHz的低频段和大于24GHz的高频段。考虑到产业链的成熟度问题，在5G部署的前夕，将更可能先运用低频段，一方面覆盖能力更强，有助于节省运营商的投资，另一方面也容易与3G/4G网络的融合。在小于6GHz的低频段中，3300 ~3400 MHz已经基本明确运用于室内分布中，3400~3600MHz（称之为3.5GHz）产业链最成熟，应用将最广。而4800~4900MHz的低频段（称之为5GHz）也可能是一个运用较多的频段。因此，本文主要针对3.5GHz与5GHz这2个频段进行分析。在区域类型方面，诸如密集市区、一般市区、郊区和农村等4个最为典型的区域，限于篇幅，本文选择区域覆盖最广泛的一般市区的覆盖对象进行分析。

5G系统已经明确采取大规模天线Massive MIMO，能够实现在三维空间产生灵活指向用户的窄波束，通过精确的信道相关性估计、干扰抑制等，能够实现多流复用，从而极大提升频谱效率。对于Massive MIMO的性能，本文不展开研究，只分析与5G覆盖能力相关的天线增益。

假设Massive MIMO由于M个阵列组成，每个阵列由N个阵元构成，每个阵元又包含T个双极化阵子，总体相当于2*M*N个通道的MIMO天线。该MIMO天线的增益计算如下：

           （1）   

式中：

         在下文的链路预算中，将把天线的增益统一纳入到中，不再细分天线增益。以目前应用最广泛的64通道 MIMO为例，M=8，N=4，T=3，则其下行信道总体增益:

28dB，而对于上行控制信道，由于缺少

，其总体信道增益为25dB。类似地，如果是256通道的MIMO，其上、下行信道增益分别是31dB、34dB。

2 RB分配与MCS

5G系统由于使用了OFDM/NOMA调制，用户的数据速率由为其分配的PRB（Physical ResourceBlock）个数及选择的MCS等级所决定。而RB分配也与MCS相关，MCS取决于SINR值，RB分配量会影响SINR值，所以MCS、分配RB量、SINR值和用户速率四者之间会相互影响，这也是导致5G调度算法比较复杂的原因。5G控制信道与业务信道采取不同的编码方式，前者采用Polar极化码，后者采取准循环LDPC码，不同信道不同的编码方式也导致了在不同的调制方式下，即使在同样的BLER目标下，所需要的SNR也不同，比较而言高阶调制方式对SNR值要求更高。图1给出了业务信道LDPC码在MCS0~MCS13的SNR仿真结果，其它的类推。

图1 LDPC码MCS0~13的SNR仿真

不同的MCS对应不同的频谱效率，如表1所示。

表1 MCS与频谱效率

RB分配量测算方式如下式：

      

                    （2）

  式中：

需要说明的是，表示1个RB占用的12个连续子载波，而与LTE不同的是，子载波带宽可在15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz中任意选取，一般选择常用的30kHz。链路开销区分上、下行链路。上行链路包括PUCCH、PRACH等，下行链路包括PDCCH、PBCH等，不同信道在不同的子载波带宽条件下开销是不同的，具体可参见文献[9]，本文不再赘述，只给出结果：上行链路在30kHz子载波带宽下的合计链路开销约为25%，下行链路则约为29%。

3 5G上下行链路预算

5G链路预算的测算机理与流程与LTE类似，只是上述关键参数取数存在差异而已。

3.1     上行5G链路预算

上行链路预算又可分为控制信道和业务信道的链路预算，两者均适用于：   

（3）

式中：

PL_UL——上行链路最大传播损耗（dB）

Pout_UE——终端最大发射功率（dBm）

Lfhm ——人体损耗（dB）

S_NR ——基站接收灵敏度（dBm）

Ga_MIMO ——MIMO天线增益（dBi）

Lkj——馈线和接头损耗（dB）

Lp——建筑物穿透损耗（dB）

Mf——阴影衰落余量（dB）

Ml——干扰余量（dB）

3.1.1  业务信道

在取定上文的典型参数和常规参数前提下，以10Mbit/s和20Mbit/s数据业务为例，给出5G上行链路的业务信道链路预算，如表2所示。

表2  5G上行业务信道链路预算

3.1.2  控制信道

上行控制信道主要是PRACH和PUCCH，由于大部分参数与业务信道相同，在此只列出不同的部分，如表3所示。

表3  5G上行控制信道与业务信道链路预算差异

对比上行控制信道和业务信道的链路预算，可知：

• 上行控制信道的覆盖能力受限于PUCCH。
• 即便是PUCCH ，其覆盖能力也好于上行业务信道，所以上行链路是业务信道PUSCH受限。
• 上行业务信道覆盖范围随着小区边缘目标的速率增加而减少。
  
  

3.2     下行5G链路预算

类似地，可先对下行链路进行链路预算的分析。

（4）

式中：

PL_DL——上行链路最大传播损耗（dB）

Pout_NR——基站最大发射功率（dBm）

Lfkj——馈线和接头损耗（dB）

S_UE ——终端接收灵敏度（dBm）

Ga_MIMO ——MIMO天线增益（dBi）

Lfhm ——身体损耗（dB）

Lp——建筑物穿透损耗（dB）

Mf——阴影衰落余量（dB）

Ml——干扰余量（dB）

3.2.1  业务信道

以20Mbit/s~50Mbit/s数据业务为例，具体链路预算参如表4所示。

表4 5G下行业务信道链路预算

3.2.2  控制信道

下行控制信道包括PBCH、PDCCH等，由于大部分参数与业务信道相同，在此只列出不同的部分，如表5所示。

表5  5G下行控制信道与业务信道链路预算差异

对比下行控制信道和业务信道的链路预算，可知：

• 下行控制信道的覆盖能力受限于业务信道，PBCH能够达到最大覆盖。
• 在4G中下行信道是受限于PDCCH，但与下行业务信道能力相差不大。而5G中增加了MIIMO信道增益，同时下行的速率要求也比4G高出许多，这也是导致下行业务信道受限的原因。
• 下行业务信道覆盖范围随着小区边缘目标的速率增加而减少。
  
  
  
  

4 5G的覆盖能力综合分析

结合上文对5G不同业务、不同信道、不同链路的覆盖能力，以3.5GHz在64通道MIMO条件为例，5G的上下行链路预算分析如图2所示。

图2  5G的上下行链路预算分析

可知：

• 5G的上行受限于业务信道。
• 5G的下行同样受限于业务信道。
• 在上下行业务信道目标速率相同时，下行覆盖远优于上行，即上行业务受限。
• 对比上下行覆盖范围，5G系统覆盖受限于上行业务信道。
  
  

为了更直观地比较5G系统在不同频段，不同MIMO配置下的覆盖能力，下面分别以3.5GHz-64MIMO、3.5GHz-256MIMO和5GHz-256MIMO3种场景进行比对，如图3所示：

图3  5G不同场景下的覆盖能力对比

      

由此可见：

• 3种场景下，以3.5GHz-256MIMO的覆盖能力最强，无论是上行还是下行。其次是5GHz-256MIMO。
• 在3种低频段的场景下，MIMO增加通道数带来的覆盖增强效果比降频覆盖更直接，无论是控制信道还是业务信道。
• 即便如此，5G在低频段高通道数下的单站覆盖能力也不甚理想，一般市区内的平均站间距在200~500m左右，对于今后的无缝覆盖投资是一个需要谨慎考虑的问题。
  
  

5 结束语

5G的覆盖性能是对系统进行评估的重要指标，决定了是否可以带给用户稳定、可靠的业务感知。本文基于5G系统的一些重要技术，具体分析了在一般市区下的上下行控制及业务信道的链路预算，并且针对差异化的频段和MIMO条件分别对5G的覆盖能力进行综合对比分析，对于今后从事5G的网络规划有着鲜明地引导作用。

当然，5G的覆盖性能与RB资源块的分配算法、调度模式、信道调制方法紧密相关，所以在实际中也是千变万化的。本文也只是以典型案例进行先容，限于篇幅，对于eMBB在5G高频段、更高阶调制，以及uRLLC和mMTC其它典型场景等均未作分析。

参考文献

[1]3GPP TS 38.211 V15.1.0. NR Physical channels and modulation[S]

[2]鲁照华，张晓丹等，未来毫米波移动宽带通信系统探析[J]. 专业研究，2013(10):13-16.

[3]郑文生，刘永豹，5G网络部署策略[J]，电信技术.2018(8):5-6.

[4] 黄小光，董俊华等,采用Massive MIMO进行5G覆盖试点规划[J]. 电信工程技术与标准化,2017(8):50-54.

[5]肖清华. 国内5G频谱指配分析及建议[J].移动通信,2018(2):1-5.

[6]江巧捷，林衡华等，5G传播模型分析[J]，移动通信.2018(10):19-23.

[7] 王凤明，周玮，浅析5G链路预算与站址规划[J]. 数字通信世界，2018(11):55-55.

[8]陈杨，杨芙蓉等，5G覆盖能力研究[J]，通信技术.2018(12):2866-2873.

[9]3GPP TS 38.214 V15.1.0. Physical layer procedure for data[S].

编辑概况

肖清华，毕业于浙江大学，华信咨询设计研究院有限企业网研院副院长，教授级高工，博士，主要从事无线网络规划与设计相关工作。