5G覆盖能力综合分析
2019-06-27汤建东肖清华华信咨询设计研究院有限公司浙江杭州310014
汤建东，肖清华（华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州310014）
0 前言
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，能够支持更多样化的场景，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部署和优化5G网络［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，原因是5G系统采用了比4G更灵活复杂的多流MIMO［4］，且5G的频段分布更为宽泛。早在2018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等相关内容。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6 GHz的低频段和大于24 GHz的高频段。考虑到产业链的成熟度问题，在5G部署前夕，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网络融合。在小于6 GHz的低频段中，3 300～3 400 MHz已经基本明确运用于室内分布，3 400～3 600 MHz（3.5 GHz频段）产业链最成熟，应用将最广。而4 800～4 900 MHz的低频段（5 GHz频段）也可能是一个运用较多的频段。因此，本文主要针对3.5 GHz与5 GHz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，本文选择最广泛使用的一般市区场景进行分析。
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，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。
如图1所示，假设Massive MIMO由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：
图1 Massive MIMO天线模型
式中：
GainZY——阵元增益
GainZYF——阵元的分集增益
GainBF——该天线的赋型增益
GainDP——阵子的双极化增益
在下文的链路预算中，将把天线的增益统一纳入到GainMIMO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GainMIMO=GainZY+GainZYF+GainBF+GainDP=6+10lg（N×T）+10lg M+10lg 2=28 dB，而对于上行控制信道，由于缺少GainBF=10lg 2=3 dB，其总体信道增益为25 dB。类似地，如果是256通道的MIMO，其上、下行信道增益分别是31、34 dB。
图2 LDPC码MCS0～13的SNR仿真
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，后者采用准循环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2给出了业务信道LDPC码在MCS0～MCS13的SNR仿真结果，其他的类推。
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分配量测算方式如式（2）所示：
式中：
VeSv——业务速率
FeMCS——信道采取相应MCS的频谱效率
Sccar——子载波宽度
LEch——链路开销
需要说明的是，Sccar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15、30、60、120、240 kHz中任意选取，一般选择常用的30 kHz。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30 kHz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值存在差异而已。
3.1 5G上行链路预算
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：
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10和20 Mbit/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。
对比上行控制信道和业务信道的链路预算，可知：
a）上行控制信道的覆盖能力受限于PUCCH。
b）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。
表3 5G上行控制信道与业务信道链路预算差异
c）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 5G下行链路预算
类似地，可先对下行链路进行链路预算的分析。
式中：
PL_DL——下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20～50 Mbit/s数据业务为例，具体链路预算参数如表4所示。
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。
对比下行控制信道和业务信道的链路预算，可知：
a）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。
b）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。
c）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3.5 GHz在64通道MIMO条件为例，5G的上下行链路预算分析如图3所示。
表4 5G下行业务信道链路预算
表5 5G下行控制信道与业务信道链路预算差异
可知：
a）5G的上行受限于业务信道。
b）5G的下行同样受限于业务信道。
c）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。
图3 5G的上下行链路预算分析
d）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3.5 GHz-64MIMO、3.5 GHz-256MIMO和5 GHz-256MIMO 3种场景进行比对，如图4所示。
图4 5G不同场景下的覆盖能力对比
由此可见：
a）3种场景下，以3.5 GHz-256MIMO的覆盖能力最强，无论是上行还是下行，其次是5 GHz-256MIMO。
b）在3种低频段的场景下，无论是控制信道还是业务信道，MIMO增加通道数带来的覆盖增强效果比降频覆盖更直接。
c）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200～500 m，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的网络规划有指导作用。
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介绍，限于篇幅，对于eMBB在5G高频段、更高阶调制以及uRLLC和mMTC其他典型场景等均未作分析。
