4G/5G无线链路及覆盖差异探讨

胡丹

摘要：通过分析无线链路中影响覆盖的关键参数，对5G和4G上下行覆盖差异进行对比。5G 3.5 GHz的下行覆盖能力占优，理论计算比4G 1.8 GHz强5.8 dB。3.5 GHz上行覆盖能力存在劣势，理论计算比4G 1.8 GHz弱10.4 dB。5G 3.5 GHz的上行是覆盖瓶颈，现有站址密度无法满足5G覆盖需求，1：1共站址规划的同时，需根据网络覆盖需求引导5G建设。

关键词：4G/5G;无线链路;覆盖差异

1   引言

当前，全球已进入5G商用部署的关键期。5G引入了C-band（3.4 GHz—4.9 GHz）和毫米波段，从覆盖能力和产业支持度上来看，3.5G频段会是5G初期建网的主力频段。5G的频段更高，信号传播损耗大、信道变化快、绕射能力差。相比4G，5G采用更宽的频谱，更加灵活高效的空中接口技术及超大规模天线，具有明显的技术优势。在规划中，应充分考虑各项无线性能特点，量化4G/5G的上下行覆盖差异，指导5G建设。

2    5G与4G无线链路差异

5G与4G无线网络规划方法基本一致，通过链路预算对比覆盖差异。现阶段5G链路预算多为eMBB场景，形式上与4G近似，相当于升级版本的Pre5G。4G/5G主要无线链路参数差异如表1所示。

以下对影响4G/5G无线覆盖性能的关键项，如空中接口技术、基站主设备、天馈线、移动终端、传播模型及穿透损耗进行详细对比。

2.1  空中接口技术

5G取消了5 MHz以下的小区带宽，大带宽是5G的典型特征。5G定义小区最大带宽与频段相关，Sub 6G小区最大小区带宽为100 MHz，毫米波最大小区带宽为400 MHz。以100 MHz小区带宽为例，是TD-LTE单小区20 MHz的5倍。

5G空口继承4G正交频分多址技术，同时引入更好的滤波技术，减少对保护带宽的要求，提升了频谱利用率。与 LTE上行仅采用 DFT-S-OFDM波形不同，NR上行同时采用CP-OFDM和DFT-S-OFDM两种波形，可根据信道状态自适应转换。CP-OFDM波形是一种多载波传输技术，在调度上更加灵活，在高信噪比环境下链路性能较好，适用于小区中心用户。

5G兼容LTE调制方式，同时引入比LTE更高阶的调制技术。R15版本最大调制效率可支持256QAM，后续版本会支持1024QAM，进一步提升频谱效率，提供更高的吞吐量。LTE业务信道采用Turbo码、控制信道采用卷积码，5G NR则在业务信道采用LDPC码、控制信道主要采用Polar码。LDPC码可并行解码，对高速业务支持好，Polar码则对小包业务编码性能突出。

相比于LTE采用相对固定的空口参数，5G NR设计了一套灵活的帧结构，加快上下行转换，减少等待时间。3.5G NR有0.5/1/2/2.5/5/10等多种帧长配置。子载波间隔可选择15 kHz/30 kHz/60 kHz，子载波带宽增大，最小调度资源的时长（slot）减小。对应30 kHz，slot为0.5 ms，比4G slot的1 ms減小0.5 ms。uRLLC 0.5 ms时延，30 kHz子载波间隔将成为国内eMBB空口配置首选。5G初期采用TDD制式，上下行配比主要由上下行业务、覆盖决定，典型的时隙配比有：

（1）2.5 ms单周期，时隙配比4：1（DDDSU）：推荐中国电信、中国联通采用;

（2）2.5 ms双周期，时隙配比7：3（DDDSU+DDSUU）：推荐中国移动采用;

（3）5 ms单周期，时隙配比8：2（DDDDDDDDSUU）：推荐中国移动采用。

2.2  无线主设备

5G RAN架构从4G的BBU和RRU两级结构演进到CU、DU和AAU三级结构。将4G的BBU基带部分拆分成CU和DU两个逻辑网元，而射频单元及部分基带物理层底层功能与天线构成AAU。5G组网方式更加灵活，满足5G需求的多样化，适合多场景组网。

目前多厂家典型C-band设备发射功率为200 W，即53 dBm。毫米波设备发射功率仅供参考，以厂家实际产品能力为准。

2.3  天线

对比4G，5G NR采用Massive MIMO技术，天线数及端口数有大幅度增长。Massive MIMO对每个天线进行加权，控制大规模的天线阵列，通过业务信道赋形方向动态调整和广播信道场景化波束扫描来实现增强覆盖。赋形增益可以补偿无线传播损耗，用于提升小区等多场景覆盖，如广域覆盖、深度覆盖、高楼覆盖。5G射频模块与天线结合，一体化集成。3.5 GHz 64T64R配置，单极化天线增益规格为24 dBi，单通道天线增益为10 dBi，其中14 dB为BF增益。4G采用2T2R，外接独立天线，增益17 dBi。4G/5G天馈系统示意图对比如图1所示：

3.5G NR天线垂直半功率角更大，因此在天线近点的场强和干扰抑制更好，特别是对于较高的站点，其覆盖特性差异更为明显。4G/5G天线参数对比如表3所示：

2.4  传播模型

电磁波的显著特点是频率越高，波长越短，越趋近于直线传播（绕射能力越差）。4G常用的模型是Cost-231。Cost-231模型对Okumura-Hata模型进行了频率扩展使之适用到2 GHz频段，

3GPP TR 36.873定义了3D传播模型，不同场景对应不同尺度衰落模型，相比Cost-231模型，主要区别在于距离项修改为3D距离，引入街道宽度和平均建筑物高度因子，模型公式如下：

TR 36.873支持频率范围从0.5 GHz到6 GHz，分为三种模型：Uma、Rma和Umi。Uma/Rma/Umi适用频段2 GH～6 GHz，TR 38.901演变后扩展到0.5 GHz～100 GHz。因此，模型均适用于5G初期频段。