曾云光，黃陳橫（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510630）

0 引言

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之所以不斷升級(jí)換代、性能不斷提升，一方面是因?yàn)槿藗儗?duì)于高性能移動(dòng)通信服務(wù)的需求一直未被充分滿足；另一方面移動(dòng)通信系統(tǒng)的變遷來源于場(chǎng)景應(yīng)用對(duì)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)，工業(yè)自動(dòng)化、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、自動(dòng)駕駛等服務(wù)都對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，各行各業(yè)迥異需求迫切呼喚一種靈活、高效、可擴(kuò)展的全新網(wǎng)絡(luò)，故此5G應(yīng)運(yùn)而生。

隨著2017年底5G第1個(gè)版本的發(fā)布，如何經(jīng)濟(jì)合理地規(guī)劃5G網(wǎng)絡(luò)開始成為運(yùn)營商商用首要解決的問題。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是保障網(wǎng)絡(luò)性能和確保投資回報(bào)的關(guān)鍵，因此必須對(duì)5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行研究。5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的流程與3G、4G系統(tǒng)相似，包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需求分析、網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算、規(guī)模估算、站址選擇、覆蓋容量仿真、無線參數(shù)規(guī)劃等步驟。其中，鏈路預(yù)算能夠獲得網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，評(píng)估無線通信系統(tǒng)的覆蓋能力，是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期的重要任務(wù)。鏈路預(yù)算的結(jié)果直接影響到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)營性能，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃具有重要的指導(dǎo)作用。

本文主要針對(duì)5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的鏈路預(yù)算進(jìn)行研究，分析5G技術(shù)特征對(duì)覆蓋的影響，提出了5G鏈路預(yù)算方法，給出鏈路預(yù)算中解調(diào)門限、干擾余量等關(guān)鍵參數(shù)的獲取方法和典型取值。根據(jù)所得到的5G系統(tǒng)上下行各信道覆蓋范圍，對(duì)系統(tǒng)覆蓋特性與4G進(jìn)行對(duì)比分析，為與4G共存下的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供重要依據(jù)。

1 5G關(guān)鍵技術(shù)對(duì)覆蓋的影響

與4G系統(tǒng)相比，5G系統(tǒng)具有更高峰值吞吐率（＞10 Gbit/s/用戶）、空口時(shí)延低于0.5 ms、低功耗大連接密度（連接數(shù)密度可達(dá)1 000 k/km2）、高移動(dòng)性（可滿足500 km/h）等特點(diǎn)。5G關(guān)鍵技術(shù)［1］有：新型調(diào)制編碼技術(shù)、新波形結(jié)構(gòu)、Massive MIMO與高頻大帶寬組網(wǎng)相結(jié)合、超密集組網(wǎng)等。

1.1 新型調(diào)制編碼技術(shù)

由于移動(dòng)通信存在干擾和衰落，在信號(hào)傳輸過程中將出現(xiàn)差錯(cuò)，故對(duì)數(shù)字信號(hào)必須采用糾、檢錯(cuò)技術(shù)，即糾、檢錯(cuò)編碼技術(shù)，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)在信道中傳輸時(shí)抵御各種干擾的能力，提高系統(tǒng)的可靠性。信道編解碼是無線通信領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，其性能的改進(jìn)將直接影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力及用戶傳輸速率，5G NR網(wǎng)絡(luò)信令信道編碼采用Polar Code［2］，數(shù)據(jù)信道編碼采用LDPC Code［3］，LDPC采用優(yōu)化算法具有強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力、低編譯碼復(fù)雜度、高靈活性，Polar有著高可靠性、低編譯碼復(fù)雜度和糾錯(cuò)能力強(qiáng)，是一種能夠達(dá)到香農(nóng)定理極限的編碼方法，這些編碼技術(shù)的引入使得5G網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗(yàn)有明顯的提升，進(jìn)一步提升了5G標(biāo)準(zhǔn)的競爭力。

1.2 新波形結(jié)構(gòu)

基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入［4］是5G NR設(shè)計(jì)過程中最重要的一項(xiàng)決定，就是采用基于OFDM優(yōu)化的波形和多址接入技術(shù)，OFDM技術(shù)具有高頻譜效率和較低的數(shù)據(jù)復(fù)雜性，能夠很好地滿足5G要求，可實(shí)現(xiàn)多種增強(qiáng)功能，例如通過加窗或?yàn)V波改善頻譜泄露，在不同用戶與服務(wù)間提高多路傳輸效率，以及創(chuàng)建單載波OFDM波形等，實(shí)現(xiàn)高能效上行鏈路傳輸。

1.3 Massive MIMO與高頻、大帶寬組網(wǎng)相結(jié)合

由于引入Massive MIMO［5］技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)可支持多用戶波束智能賦型，減少用戶間干擾，結(jié)合高頻段毫米波技術(shù)，將進(jìn)一步改善無線信號(hào)覆蓋性能，提升數(shù)據(jù)速率及鏈路可靠性。多天線MIMO技術(shù)頻譜效率比普通宏基站增加3～5倍，增加了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的靈活性，運(yùn)營商可以利用Massive MIMO的水平和垂直覆蓋特性來提升不同場(chǎng)景下的覆蓋能力。

1.4 超密集異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)

隨著各種智能終端的普及，數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)井噴式的增長，這使得超密集組網(wǎng)［6］成為滿足5G時(shí)代1 000倍流量需求的主要手段之一。超密集網(wǎng)絡(luò)能有效改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并保障業(yè)務(wù)在各種接入技術(shù)和各覆蓋層次間負(fù)荷分擔(dān)，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用，提升用戶感知。當(dāng)然，愈發(fā)密集的網(wǎng)絡(luò)部署也使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜，小區(qū)間干擾已經(jīng)成為制約系統(tǒng)容量增長的主要因素，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)能效。

2 5G鏈路預(yù)算及組網(wǎng)方案

2.1 5G鏈路預(yù)算方法

鏈路預(yù)算［7］是評(píng)估無線通信系統(tǒng)覆蓋能力的主要方法，是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的一項(xiàng)重要工作，是通過對(duì)系統(tǒng)中下行（或前向）和上行（或反向）信號(hào)傳播途徑中各種影響因素進(jìn)行考察，在滿足業(yè)務(wù)質(zhì)量需求的前提下，選擇適當(dāng)傳播模型對(duì)系統(tǒng)的覆蓋能力進(jìn)行估計(jì)，獲得保持一定通信質(zhì)量下鏈路所允許的最大傳播損耗。

圖1給出了鏈路預(yù)算影響因子。

最大允許路徑損耗PLmax（dB）：

式中：

PTx——基站發(fā)射功率

Lf——饋線損耗

GTx——基站天線增益

圖1 鏈路預(yù)算影響因子

Mf——陰影衰落和快衰落余量

Ml——干擾余量

GRx——手機(jī)天線增益

Lp——建筑物穿透損耗

Lb——人體損耗

SRx——手機(jī)接收靈敏度

2.2 傳播模型

參考文獻(xiàn)［8］給出了室內(nèi)熱點(diǎn)辦公區(qū)（InH-Office）、城市微蜂窩街道（UMi-Street Canyon）、城市宏蜂窩（Uma）、農(nóng)村宏蜂窩（RMa）4種場(chǎng)景，每類場(chǎng)景又分非視距（NLOS）和視距（LOS）場(chǎng)景共8種傳播模型，本文分析Uma-NLOS場(chǎng)景下最大允許路徑損耗，Uma-NLOS傳播模型如表1所示。

表1 Uma-NLOS傳播模型

各參數(shù)定義如下：

fc——工作頻率（GHz）

hBS——基站天線有效高度（m），在本文的Uma模型中指定了基站高度為25 m

hUT——移動(dòng)臺(tái)天線有效高度（m）

d2D——基站與移動(dòng)臺(tái)水平距離（m）

d3D——基站天線與移動(dòng)臺(tái)天線直線距離（m）

2.3 5G鏈路預(yù)算參數(shù)設(shè)置

5G鏈路預(yù)算各參數(shù)設(shè)置及輸入條件如表2所示。

表2 5G NR鏈路預(yù)算參數(shù)設(shè)置

2.4 5G鏈路預(yù)算結(jié)果

表3為5G NR 3.5 GHz頻段不同信道鏈路預(yù)算結(jié)果。從表3可以看出，NR 3.5 GHz上下行差距達(dá)到13.65 dB，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍上行受限，且受限于上行PUSCH信道。

2.5 LTE 1.8 GHz與NR 3.5 GHz覆蓋對(duì)比

LTE 1.8 GHz與NR 3.5 GHz參數(shù)設(shè)置情況如表4所示。兩者均使用本文的Uma-NLOS模型。

LTE 1.8 GHz與NR 3.5 GHz覆蓋對(duì)比如表5所示。

從表5可知：在上行速率1 Mbit/s的95.4%面覆蓋率下，LTE 1.8 GHz 4R覆蓋半徑約是NR 3.5 GHz網(wǎng)絡(luò)的2倍左右，因此相同的覆蓋率下需要更多的5G基站（約為4G網(wǎng)絡(luò)基站數(shù)量的4倍），才能滿足覆蓋需求。

2.6 與4G共存下的5G覆蓋組網(wǎng)方案

從第2.5節(jié)的計(jì)算結(jié)果可以看到，3.5 GHz頻段下5G NR上行覆蓋受限，主要受終端功率受限影響，考慮到未來5G推出后的一段時(shí)間內(nèi)上下行業(yè)務(wù)速率要求仍存在不對(duì)稱的情況（下行速率要求遠(yuǎn)高于上行），為保持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變、減低建網(wǎng)成本，使得運(yùn)營商能在4G現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)上快速疊加部署5G，可采用上下行解耦（SUL）的方式解決存在上行覆蓋瓶頸的問題（見圖2），即上行利舊LTE設(shè)備，重耕1.8 GHz FDD部分帶寬為NR提升覆蓋，下行則在3.5 GHz頻段部署5G NR。

因此，不同場(chǎng)景需采用不同的5G部署策略（見圖3）。

a）密集市區(qū)、普通市區(qū)熱點(diǎn)上下行均采用3.5 GHz的5G NR。

b）市區(qū)深度覆蓋、郊區(qū)、縣城采用上下行解耦方式部署。

c）農(nóng)村采用NR與LTE雙連接（DC），部分廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)LPWA業(yè)務(wù)按需重耕部署5G NR，共享800 MHz/1.8 GHz/2.1 GHz。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合3GPP Uma-NLOS傳播模型分析了5G無線鏈路預(yù)算，給出了3.5 GHz下5G NR不同信道的MAPL，并與1.8 GHz FDD LTE進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明受限于上行終端功率，相同的邊緣速率下5G的覆蓋半徑僅為4G的一半，在維持現(xiàn)有運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)不變的前提下本文提出了上下行解耦的方式擴(kuò)大5G的上行覆蓋，給出了與4G共存下5G建網(wǎng)初期不同場(chǎng)景下的組網(wǎng)方案，為5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供重要依據(jù)。

表3 3.5 GHz 5G NR鏈路預(yù)算結(jié)果

表4 LTE 1.8 GHz與NR 3.5 GHz參數(shù)設(shè)置

表5 LTE 1.8 GHz與NR 3.5 GHz覆蓋對(duì)比

圖2 上下行解耦

圖3 5G覆蓋組網(wǎng)方案