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                        5G NR覆蓋能力研究

                        http://www.vmoj.tw ( 2018/9/20 16:29 )

                        【摘要】首先詳細分析了4G/5G覆蓋差異的主要影響因素,包括頻率、系統設置、終端能力等方面;然后進行了4G與5G的覆蓋性能評估,基于鏈路預算給出了上下行控制信道、業務信道的覆蓋能力。

                        【關鍵詞】5G;4G;覆蓋;影響因素;性能評估;鏈路預算

                        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綜合穿透損耗更高,覆蓋面臨挑戰。為了彌補頻段帶來的覆蓋劣勢,5G NR系統新增了控制信道波束賦型,并在大規模天線陣列陣子數、終端側收發天線數量、終端最大發射功率、PDCCH CCE數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模的陣列天線對覆蓋進行補償,而終端側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、系統關鍵技術、終端可實現能力三個方面對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(陸地移動無線電發展)組織,根據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)的取值是影響覆蓋的重要因素。本文后續的鏈路預算中,默認采用TR 38.901的UMa NLOS模型,頻率因子基于4G CW波的測試結果,由20校正為31.57,即本文采用的傳播模型是:

                            (2)

                        (2)室內穿透

                        實際無線通信網絡規劃部署工作中主要關注綜合穿透損耗,即同時考慮介質穿透損耗、多徑反射繞射衍射損耗、室內一定深度下的傳播損耗等方面因素共同造成的室內覆蓋信號的損失程度。

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

                        室內的傳播損耗與電磁波的衍射性能相關,根據惠更斯原理,電磁波在遇到尺寸遠大于其波長的障礙物時,會在障礙物邊緣發生繞射,以次級波(secondary wavelets)的形式傳播到障礙物的陰影區,頻率越高,繞射損耗越高。

                        5G NR頻率相對4G LTE頻率更高,理論上其介質穿透損耗更小而室內傳播損耗更高,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不同深度下的信號強度差異,即:

                         (3)

                        2.2  系統差異

                        (1)大規模陣列天線

                        5G NR系統計劃使用大規模陣列天線如64TR天線,而4G TD-LTE系統主要采用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)。考慮到雙極化因素,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)+水平賦形增益+雙極化增益    (4)

                        根據天線增益理論公式,64TR天線相對于8TR能夠提升3 dB的理論增益,實際系統的增益需區分信道進行考察。4G LTE系統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PDSCH解調門限條件是1T4R,4G LTE系統PDSCH解調門限條件是2T2R。5G NR系統中天線增益考慮了3 dB雙極化增益,4G LTE系統中雙極化增益在解調門限中體現,不在天線增益中考慮。

                        ◆控制信道波束賦形增益差異

                        5G NR系統和4G LTE系統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,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不同方向進行發射,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,實現全小區所有方向上的有效覆蓋。

                        以圖2為例,根據3GPP R15標準,2.5 ms雙周期幀結構典型配置下,每周期最多可發送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

                        ◆業務信道波束賦形增益差異

                        5G NR系統和4G LTE系統的業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上下行業務信道天線增益對比

                        (2)解調門限

                        5G NR系統由于100 MHz大帶寬和64TR大規模陣列天線,控制信道會增加bit數指示更多的信息,比如SS Block index、調度分配指示等信息。編碼方式相同,如果占用資源不變,承載信息bit數增加,控制信道的編碼率提升,會導致解調門限提高,覆蓋降低。

                        信道編碼率計算公式如下:

                            (5)

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

                        5G NR系統中,控制信道解調門限理論分析如表3所示:

                        表3    5G NR系統控制信道解調門限

                        ◆PBCH:5G NR系統的承載bit數略高于4G LTE系統,編碼率略高于4G,解調門限略高于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;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。所以,5G NR系統PDCCH較4G LTE系統解調門限低約4 dB。

                        ◆PUCCH:5G NR系統和4G LTE系統編碼率接近,解調門限接近。

                        (3)干擾余量和陰影衰落

                        5G NR系統中控制信道和業務信道都采用波束賦形的方式發送。控制信道方面,4G LTE采用全向波束而5G系統采用波束掃描。若合理安排掃描方案錯開不同小區的控制信道波束,預期小區間控制信道干擾能夠得到有效降低;業務信道方面,4G LTE采用8通道波束賦形而5G系統采用64TR的“3D”波束賦形,賦形更精準,對小區間業務信道干擾規避的效果應更優。因此,5G NR鏈路預算中采用的上下行干擾余量比4G LTE系統低2 dB,真實組網環境下的實際表現有待后續驗證。

                        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基站側可采用大規模陣列天線增強上下行覆蓋。相應的,接收終端側也可以采用2T4R的天線形態、高功率終端、SRS輪發技術,提高上行發送功率的同時獲取多天線發送分集增益。

                        2T指2個發送天線,每根天線最大發射功率23 dBm,終端發射功率合計26 dBm。4R指的是4個接收天線。相對于4G LTE 1T2R的終端形態可獲得3 dB的功率增益、最大3 dB接收分集增益。

                        SRS輪發指SRS在哪根物理天線上發送用于信道信息的計算,如果只在固定天線發送則會丟失其他天線信息,導致可傳輸層數減少,發送速率降低。終端共計4根物理天線,需要在4根物理天線上實現2發4收的6根邏輯天線功能。4根物理天線時分實現上行發送和下行接收功能,上行發送天線固定在4根天線中的2根代表SRS非輪詢,反之如果上行發送天線在4根物理天線上時分輪換發送代表SRS可輪詢。4根天線SRS輪發,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

                        結合上述影響覆蓋的因素,代入鏈路預算獲得5G NR系統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系統覆蓋分析包括控制信道覆蓋分析和業務信道覆蓋分析。業務信道覆蓋包括上下行業務信道,下行業務信道分析思路是所有頻段下行采用MCS=0,PRB采用全帶寬,分析不同系統不同頻段在同一MCS下的覆蓋半徑;上行業務信道分析思路是所有頻段速率一致128kpbs,解調門限、MCS、RB數目均不同,分析不同系統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系統中覆蓋受限控制信道是PDCCH信道,5G NR系統中覆蓋受限控制信道是PRACH信道。這是由于5G NR系統中對下行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(如重復發送),所以5G NR上行PRACH信道覆蓋受限。

                        3.2  下行業務信道覆蓋

                        采用表5鏈路預算條件,對比各系統各頻段PDSCH業務信道覆蓋半徑和邊緣速率,具體如表5所示:

                        表5    下行PDSCH業務信道鏈路預算

                        根據表5,盡管5G NR系統操作在更高的頻率上對覆蓋不利,但大規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  上行業務信道覆蓋

                        采用下表鏈路預算條件,對比各系統各頻段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系統和2.6 GHz 4G LTE系統上行業務信道覆蓋半徑(Uma Distance)接近。

                        為了增強5G NR系統的上行,目前業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方案的優勢在于下行速率略高于SUL方案,但下行CA涉及到多頻段聯合調度,操作較復雜,上行SUL相對實現較容易。后續有待在大規模組網環境下繼續對比兩者實際效果。

                        4   結束語

                        本文分析了4G/5G覆蓋差異的各項影響因素,對比了5G NR系統相對于4G LTE的覆蓋能力。5G NR系統采用了大規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。經鏈路預算分析,在室外覆蓋室內淺層場景下, 3.5 GHz 5G NR系統控制信道方面可達到與2.6 GHz 4G TD-LTE系統相近的覆蓋能力;下行業務信道覆蓋方面,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、解調門限、干擾余量等,目前主要通過理論和仿真分析獲得,后續將根據試驗情況進行驗證和修正。

                        參考文獻:

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                        作者:周嬌 李新 劉磊   來源:《移動通信》

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