700M 5G网络覆盖能力分析

2021-11-17颜军

江苏通信 2021年5期

颜军

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

2020年4月，工信部发布《关于调整700MHz频段频率使用规划的通知》，明确将702-798MHz频段调整用于移动通信系统。2020年5月，工信部向中国广电颁发了频率使用许可证，许可其使用700MHz频段分批、分步在全国范围内部署5G网络。在此背景下，研究700M 5G网络的覆盖能力能为运营商后续网络规划提供参考。

1 700M传播模型

1.1 传播模型简介

在移动通信系统中，由于移动台不断运动，基站和移动台之间的传播路径时刻在变化，无线信道是一种时变信道。实际环境中，移动台和基站之间由于存在各种障碍物，无线信号从发射端到接收端无法直线传播，一般为非视距传播，此时无线传播方式包含了直射、反射、绕射（衍射）、散射等。无线信道不仅受到地形地貌地物影响，还受穿透损耗、多普勒效应的影响，另外移动系统本身的干扰和外界干扰也不能忽视。基于移动通信系统的上述特性，严格的理论分析很难实现，环境的复杂性会给网络分析带来庞大的计算量，从而难以完成准确的网络规划预测，往往需对传播环境进行近似和简化，传播模型正是用来解决复杂环境的网络规划问题。

无线传播模型是为了更准确地研究无线传播而设计出来的一种模型，用来预测接收信号的场强，分为两类：一类是直接应用电磁理论计算出来的确定性模型，如自由空间传播模型、射线跟踪模型；另一类是基于大量测量数据的统计型模型，又称经验模型，例如Okumura-Hata、Cost231-Hata、SPM、UMa等模型。

1.2 700M适用的传播模型

无线网最常用的宏蜂窝传播模型是Okumura-Hata、Cost231-Hata和SPM模型，其中Okumura-Hata模型适用频率在150～1500MHz，Cost231-Hata模型适用频率在1500～2600MHz，SPM模型适用频率在150～2600MHz。

Okumura-Hata和Cost231-Hata的模型类似，两者路径损耗对比如图1所示。

图1 Okumura-Hata模型和Cost231-Hata模型路径损耗对比

通过理论计算，两个模型的路径损耗平衡点在1009MHz，即在1GHz左右。

SPM模型以Hata模型为基础，融合了Okumura-Hata和Cost231-Hata模型，SPM模型的缺点是公式较复杂，参数较多，模型校正的工作量较大。

针对5G高频段，引入了新的传播模型。其中射线跟踪模型对于信号预测准确度较高，但计算量巨大，需要配合高精度三维电子地图，一般只用于仿真预测。UMa模型是常用的5G高频段传播模型，适用频率在2GHz～6GHz，与Hata模型和SPM模型相比，增加了平均街道宽度和平均建筑物高度两个参数，更适合城区高频多径传播的场景。

综上所述，考虑到700M 5G网络是以广覆盖为主的低频网络，更适合使用Okumura-Hata模型。Okumura-Hata模型的公式如下：

PL（dB）=69.55+26.16×lg（f）-13.82×lg（Hb）+（44.9-6.55×lg（Hb））×lg（d）-a（Hm）+C

参数说明：

PL：路径损耗（单位dB）；

f：工作频率（单位MHz）；

Hb：基站天线挂高（单位m）；

Hm：终端天线挂高（单位m）；

d：终端与基站之间的距离（单位km）；

a（Hm）：终端天线高度修正因子：

公式中不含C的部分为城区的基本传播损耗中值，C为地貌修正因子。

根据传播模型公式可以计算出覆盖距离d，也即基站的覆盖半径，计算得：

2 700M链路预算

通过传播模型公式计算出来的损耗，仅仅是无线空口部分的损耗。从终端天线到基站天线完整的路径损耗还包括了线缆损耗、阴影衰落、穿透损耗、天线增益、干扰余量等多种因素的综合影响，因为基站的覆盖能力必须通过完整的链路预算来进行计算。

2.1 链路预算流程

链路预算的过程如图2所示。

图2 链路预算过程图

空口传播模型的损耗是整个链路损耗中的一部分。链路预算对从发射端到接收端之间的各种增益、各种损耗和各种余量进行预算，分为上行预算（从终端天线到基站天线）和下行预算（从基站天线到终端天线）。链路预算完整的损耗公式如下：

最大允许路径损耗（MAPL）＝发射端功率－接收端接收灵敏度＋Σ增益－Σ损耗－Σ余量。

Σ增益：主要是天线增益、分集增益；

Σ损耗：包括无线信道损耗、穿透损耗、线缆接头损耗、人体损耗等；

Σ余量：包括干扰余量、阴影衰落余量、噪声系数等；

接收灵敏度=接收机底噪+SINR解调门限，其中SINR解调门限与边缘速率、RB、MCS等参数相关，属于链路预算中的关键参数。

链路预算的计算过程一般采用表格进行计算，对上行链路和下行链路分别进行计算，最终取覆盖半径较小的数值作为基站的覆盖半径。

2.2 系统参数

对于700M 5G网络，链路预算常用的系统参数取值如下：

频率：下行758～788 MHz；上行703～733 MHz；

频率带宽：30 MHz；

子载波带宽：15 KHz；

发射功率：基站4×20 W、终端2×0.2 W。

2.3 链路预算中的损耗

链路预算中的损耗包括无线信道损耗、穿透损耗、馈线接头损耗、人体损耗、雨衰、植被损耗等，对于700 M电磁波，主要考虑无线信道损耗、穿透损耗和馈线接头损耗。

（1）无线信道损耗

无线信道损耗包含中值损耗、慢衰落和快衰落，其中中值损耗在传播模型中考虑，慢衰落和快衰落在阴影衰落余量中考虑。

（2）穿透损耗

穿透损耗是指当信号源在建筑物外时，建筑物外的接收信号强场与建筑物内的强场比值。穿透损耗与电磁波频率、建筑物结构、入射角度等有关。3GPP中给出了不同材质（玻璃、木材、混凝土等）的穿透损耗和两种建筑物穿损模型：High Loss和Low Loss。

通过公式计算，不同区域类型、不同频率对应的High Loss模型下穿透损耗如表1所示。

表1 不同区域类型、不同频率下的穿透损耗（dB）

2.4 链路预算中的余量

余量通常是指链路预算中的不确定因素，包括干扰余量、阴影衰落余量、噪声系数等。

（1）干扰余量

对于移动通信系统，随着周围邻小区负荷的不断增加，干扰水平也会上升，造成覆盖的收缩。干扰余量是为了克服邻区干扰导致的噪声抬升而预留的余量。

一般情况下，下行干扰余量取7 dB，上行干扰余量取2 dB。

（2）阴影衰落余量

由于阴影衰落导致路径损耗上下波动，信号强度随时间的变化服从对数正态分布。为了保证一定的边缘覆盖率，克服阴影衰落对信号的影响而为链路预算预留余量，称为阴影衰落余量。

阴影衰落余量与边缘覆盖率（或面覆盖率）、阴影衰落标准差相关，不同区域类型和覆盖率下的阴影衰落余量如表2所示。

表2 不同区域类型和覆盖率下的阴影衰落余量（dB）

（3）噪声系数

噪声系数指接收信号经过带通滤波、本振、脉冲整形等过程后噪声的抬升，反映的是信号经过系统后信噪比恶化的程度，直接影响接收机的灵敏度。

一般情况下，基站的噪声系数取2～3 dB，终端的噪声系数取7 dB。

2.5 边缘速率

边缘速率取定是链路预算的前提条件，不同边缘速率对应的覆盖半径不同，上行边缘速率和下行边缘速率分别对应上行覆盖半径和下行覆盖半径，链路预算时需要进行上下行覆盖能力平衡。

边缘速率主要取决于业务需求，同时还需要考虑用户预测、覆盖场景以及系统频谱占用带宽等。边缘速率影响RB和MCS选择，继而影响SINR门限，是链路预算中的关键参数。

对于700 M 5G业务，按2×30 MHz FDD，考虑到可用带宽和业务需求，边缘速率取上行1 Mbps/下行20 Mbps。

2.6 RB和MCS

边缘速率取定之后，系统开始分配适合的RB数及MCS（Modulation and Coding Scheme）。同一种业务速率既可以分配较少的RB数而采用较高的MCS，也可以分配较多的RB数而采用较低的MCS。

TBS（Transport Block Size）表给出了不同RB和MCS组合对应的TB Size大小。TBS指的是一个TTI内传输的bit数，MAC层的速率等于TBS除以TTI。

从边缘速率选取RB和MCS，第一步是先选择TBS，要求TBS＞边缘速率TTI/子帧配比因子，对于FDD制式，子帧配比因子取1。

以上行边缘速率1 Mbps为例，TBS需求为：106×0.001=1000，TBS表中满足此要求的最低TBS为1032，如表3的多个位置。

表3 不同RB和MCS组合的TBS表格（部分内容）

表3中存在多个可选的RB、MCS组合，如何选择RB和MCS需要区分上行链路还是下行链路：

（1）对于下行链路，所有的RB共享总的下行发射功率，平均到每个RB上是一个固定的功率。RB配置越多，功率越大，但同时底噪也越大，实际覆盖距离不变。但是RB越多，MCS阶数越低，需要的解调门限越低，覆盖范围越远。下行链路RB数的分配方法就是找到使其MCS为最小对应的RB数。

（2）对于上行链路，由于用户独享终端的发射功率，RB配置越多，上行功率不变，同时底噪也越大，实际覆盖距离变小。但是RB越多，MCS阶数越低，需要的解调门限越低，覆盖范围越远，需要综合判断。

RB和MCS一般呈阶梯下降的曲线，表3中，选取RB和MCS曲线下降平缓区的第一个位置，对应为：RB=10，MCS=6。

2.7 CQI和调制方式

边缘速率与调制方式以及CQI（信道质量指示）相关，CQI越大，调制阶数越高，对应的边缘速率也越高。CQI、MCS和调制方式之间的关系是：MCS越大，CQI越大，调制能力越强。如表4所示。

表4 CQI、调制方式与MCS码率表

其中MCS效率≈（TBS×1000+24）/RB数/每RB中有效RE数/MIMO流数，通过MCS效率与SINR之间的对应关系可以采用插值法近似计算不同MCS效率下的SINR。

2.8 SINR解调门限

解调门限是指在一定的误块率BLER前提下，当接收机的SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）大于某个数值，即达到解调门限时，接收机才能正确解调接收到的信号。

解调门限是指信号与干扰和噪声比，是计算接收机灵敏度的关键参数，也是厂家设备性能和功能算法的综合体现。解调门限与频段、信道类型、移动速率、MIMO方式、MCS、BLER、天线传输方式等众多因素相关。

5G系统中，调度算法决定了在一个调度TTI内的TBS块需要分配多少个RB，以及采用什么样的调制方式。调制方式的阶数越高，一个波形上调制的符号越多，数据的传输速率越大，但同时对SINR的要求也就越高。如果SINR不满足要求而采用高阶调制，解调过程中误块率就会很高，导致数据业务的总体速率降低。调制方式的阶数越低，对SINR的要求越低，覆盖范围越远。因此，网络资源的分配是一个动态过程，是寻找到能满足速率条件的最小MCS的过程。

在链路预算中，MCS最终映射到SINR值，SINR与CQI、MCS呈正向趋势，即CQI、MCS越大，SINR越高。SINR值通常是通过链路级仿真或实验室/外场测试得到的，也可以采用插值法通过MCS效率来近似计算。