5G新空口技術(shù)可大幅改善覆蓋性能

2017年，多家廠商發(fā)布關(guān)于5G的相關(guān)軟硬件設(shè)備，5G標(biāo)準(zhǔn)加速。隨著5G可用頻譜資源的梳理，4G與5G網(wǎng)絡(luò)融合的架構(gòu)日漸明晰，5G網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試和部署被運(yùn)營商提上日程。

當(dāng)我們真正開始考慮5G網(wǎng)絡(luò)部署的時(shí)候，5G覆蓋成為業(yè)界最為關(guān)心的一個(gè)問題。為了盡可能獲取更大的頻譜帶寬，5G網(wǎng)絡(luò)通常部署于更高的頻段，根據(jù)無線傳播特性，頻率越高，傳播損耗越大，基站的覆蓋能力也就越弱。

業(yè)界普遍認(rèn)為，5G網(wǎng)絡(luò)的主流頻段3.5GHz與4G的1.8GHz相比，傳播損耗要多3dB，穿透損耗多6dB，再加上4G在1.8GHz是頻分（FDD）連續(xù)發(fā)射，而5G是時(shí)分（TDD）間隙發(fā)射，這又帶來約5dB的損耗，總共損耗多達(dá)14dB。對(duì)于這14dB差距，為了支持連續(xù)覆蓋，按照以往算法，需要增加數(shù)倍的基站才能彌補(bǔ)。這將出現(xiàn)新站選址問題，并帶來高昂的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)部署了數(shù)百萬個(gè)基站，在密集城區(qū)，4G基站的站間距通常已經(jīng)小至幾百米，如果5G網(wǎng)絡(luò)還需要新增數(shù)倍的站點(diǎn)，這對(duì)運(yùn)營商而言將是一項(xiàng)難以完成的艱巨任務(wù)。中興通訊認(rèn)為，3.5GHz的5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)共站部署完全可行。

5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋可優(yōu)于4G

“以往理論在評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)的覆蓋時(shí)，是通過計(jì)算鏈路預(yù)算的方法。但傳統(tǒng)的鏈路預(yù)算計(jì)算方法在5G時(shí)代已經(jīng)不合適。因?yàn)槠溆?jì)算過程存在三項(xiàng)不合理的假設(shè)，無法體現(xiàn)5G新技術(shù)對(duì)覆蓋所產(chǎn)生的收益?！敝信d通訊首席科學(xué)家向際鷹表示。

鏈路預(yù)算的第一個(gè)假設(shè)是：整個(gè)小區(qū)只有一個(gè)用戶。但這項(xiàng)假設(shè)并不合理，實(shí)際上一個(gè)小區(qū)存在多個(gè)用戶，在多用戶條件下，用戶實(shí)際體驗(yàn)的覆蓋范圍遠(yuǎn)弱于基于單用戶計(jì)算出來的鏈路預(yù)算值。而5G標(biāo)準(zhǔn)中大量使用空分復(fù)用技術(shù)，通過空分復(fù)用技術(shù)，不但可成倍提升容量，還可使得在多個(gè)用戶共存時(shí)，覆蓋不收縮或僅少量收縮。從而在以鏈路預(yù)算方法結(jié)果不如4G的情況下，實(shí)際覆蓋達(dá)到甚至超過4G網(wǎng)絡(luò)。

鏈路預(yù)算的第二個(gè)假設(shè)是：小區(qū)唯一的用戶位于垂直波瓣的最佳位置。同樣，這項(xiàng)假設(shè)也不合理。通常基站天線的半波角只有6度左右，用戶絕大多數(shù)情況下并不在最佳方向角內(nèi)，用戶實(shí)際體驗(yàn)覆蓋范圍弱于鏈路預(yù)算值。而5G標(biāo)準(zhǔn)由于采用多天線數(shù)字波束技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)跟蹤用戶，因此在用戶實(shí)際體驗(yàn)時(shí)，覆蓋不會(huì)下降或僅少許下降。

鏈路預(yù)算的第三個(gè)假設(shè)是：整個(gè)區(qū)域只有一個(gè)小區(qū)，沒有其他小區(qū)。但實(shí)際上在城區(qū)，小區(qū)非常密集，很多用戶并非屬于覆蓋受限，而是干擾受限。這會(huì)導(dǎo)致實(shí)際體驗(yàn)覆蓋遠(yuǎn)弱于鏈路預(yù)算值。而5G標(biāo)準(zhǔn)的多天線空分復(fù)用技術(shù)在提升容量的同時(shí)，也抑制了相鄰小區(qū)的干擾，從而進(jìn)一步改善了網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

同時(shí)，鏈路預(yù)算在多數(shù)情況下以計(jì)算數(shù)據(jù)信道（PUSCH）為依據(jù)，但實(shí)際上往往是控制信道PUCCH、PDCCH或SRS受限。

在5G標(biāo)準(zhǔn)中，通過預(yù)編碼、預(yù)置波束等方法實(shí)現(xiàn)了控制信道的覆蓋增強(qiáng)，使控制信道不再成為覆蓋瓶頸。

一方面，5G新空口技術(shù)對(duì)鏈路預(yù)算有直接提升作用，例如通過基站、終端的多天線技術(shù)以及終端大功率發(fā)射，可以補(bǔ)回前述14dB差距；另一方面，很多5G新空口技術(shù)對(duì)容量提升有很大幫助，卻體現(xiàn)不到傳統(tǒng)的鏈路預(yù)算方法中。

“基于上述分析，中興通訊認(rèn)為在采用大量新技術(shù)之后，5G網(wǎng)絡(luò)不但可在容量上大幅超越4G，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面，最終也能實(shí)現(xiàn)不弱于4G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。如此一來，在4G網(wǎng)絡(luò)原有的站址基礎(chǔ)上部署5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，不用新增基站，且提供5G網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋就成為可能。這對(duì)于運(yùn)營商而言意義重大?！毕螂H鷹說。

圖1 2Mbps小區(qū)邊緣速率，上行覆蓋距離對(duì)比

5G與4G共站建設(shè)完全可行

通過仿真分析，我們得出在2Mbps小區(qū)邊緣保障速率條件下，密集城區(qū)3.5GHz的5G基站（上行時(shí)隙占比20%）非常接近于1.8GHz的FDD LTE（雙極化天線）覆蓋范圍，優(yōu)于2.6GHz的FDD LTE和TDD LTE（8天線配置）覆蓋范圍。如果采用更高的小區(qū)邊緣保障速率，則3.5GHz的5G基站覆蓋范圍與1.8GHz的FDD LTE依然持平，但相對(duì)于2.6GHz的FDD LTE以及1.9GHz/2.6GHz TDD LTE的優(yōu)勢(shì)則更為明顯。

圖1僅體現(xiàn)了基于單用戶鏈路預(yù)算條件下的基站覆蓋對(duì)比，那么在多基站組網(wǎng)以及多用戶使用的場(chǎng)景下，5G網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)的性能更為優(yōu)越。從圖2的系統(tǒng)仿真結(jié)果中不難看出，在ISD=300m，每小區(qū)20用戶的場(chǎng)景下，5G網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)邊緣用戶上行吞吐量是1.8GHzFDD LTE網(wǎng)絡(luò)的3倍，是1.9GHz TDD LTE網(wǎng)絡(luò)的4-5倍；小區(qū)平均上行吞吐量大致是1.8GHz FDD LTE網(wǎng)絡(luò)的2倍，1.9GHz TDD LTE網(wǎng)絡(luò)的4倍左右。

“基于以上仿真分析， 5G與4G的共站建設(shè)是完全可行的，這將大大節(jié)約5G基站的選址、建設(shè)成本。”向際鷹表示。

空分復(fù)用對(duì)于提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要作用

被認(rèn)為是5G標(biāo)準(zhǔn)中最關(guān)鍵的技術(shù)SDMA（空分復(fù)用），對(duì)于提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋發(fā)揮的作用也不容小視。SDMA技術(shù)對(duì)于不同的5G頻譜可以發(fā)揮不同的作用：在6GHz以下頻段，由于頻譜資源稀缺，覆蓋相對(duì)較好，SDMA技術(shù)主要用來提升網(wǎng)絡(luò)容量；對(duì)于6GHz以上的高頻段，頻譜資源相對(duì)豐富，覆蓋成為短板，SDMA技術(shù)主要用于提升覆蓋。

向際鷹指出：“在6GHz以下頻段，每個(gè)運(yùn)營商能獲取的頻譜帶寬資源相對(duì)于高頻段而言仍然非常有限，因此空分復(fù)用技術(shù)對(duì)采用3.5GHz低頻段建網(wǎng)的移動(dòng)運(yùn)營商而言尤其重要?！?/p>

自2013年，中興通訊開始研究SDMA技術(shù)，是最早從事SDMA技術(shù)研發(fā)的公司。中興通訊率先將5G空分復(fù)用技術(shù)的典型代表Massive MIMO應(yīng)用到4G網(wǎng)絡(luò)中，使現(xiàn)有4G用戶不用更換終端就能提前享受到類5G體驗(yàn)。利用在SDMA技術(shù)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，中興通訊相繼發(fā)布了TDD Massive MIMO產(chǎn)品和FDD Massive MIMO產(chǎn)品，其中TDD Massive MIMO產(chǎn)品已在日本軟銀規(guī)模商用，使流量熱點(diǎn)的容量瓶頸得到了高效緩解。

中興通訊通過SDMA技術(shù)在4G商用網(wǎng)絡(luò)中積累的大量真實(shí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)和豐富的商用經(jīng)驗(yàn)，為5G Massive MIMO的產(chǎn)品開發(fā)和商用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，加速推動(dòng)了5G網(wǎng)絡(luò)的成熟和商用化進(jìn)程。

借助對(duì)5G新空口技術(shù)的深入分析和創(chuàng)新，5G的覆蓋問題得到有效提升，中興通訊認(rèn)為3.5GHz的5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)共站部署完全可行。5G與4G共站建設(shè)，不僅簡化了5G網(wǎng)絡(luò)部署的難度，而且可為運(yùn)營商節(jié)約大量網(wǎng)絡(luò)投資，為4G向5G的演進(jìn)搭建了一條平滑升級(jí)之路，加速5G商用部署的進(jìn)程。endprint