工業(yè)園區(qū)5G低頻深度覆蓋分析

郭曉江

【摘要】 ? ?本文結(jié)合工業(yè)園區(qū)典型業(yè)務(wù)需求及建筑特點(diǎn)，通過對5G低頻進(jìn)行鏈路預(yù)算分析，給出了通過5G低頻進(jìn)行工業(yè)園區(qū)深度覆蓋的效果評估，為后續(xù)我國在工業(yè)園區(qū)的5G低頻規(guī)劃建設(shè)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】 ? ?5G低頻 ? ?鏈路預(yù)算 ? ?工業(yè)園區(qū)

引言：

2019年6月，我國工信部向中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國電信和中國廣電四家運(yùn)營商頒發(fā)了5G商用牌照，我國5G商用大幕正式拉開。中國移動(dòng)主要集中在2.6G頻段，中國聯(lián)通和中國電信集中在3.5G頻段，中國廣電表示將在2021年啟動(dòng)700MHz 5G規(guī)模建設(shè)。截止目前我國已經(jīng)部署了超過70萬個(gè)5G基站。

開發(fā)區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要載體和重要引擎。我國國家級開發(fā)區(qū)已達(dá)552個(gè)，省級開發(fā)區(qū)1991個(gè)，各類園區(qū)超過30萬個(gè)。我國十四五規(guī)劃已將加快建設(shè)5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施，開展智慧園區(qū)、智慧辦公等建設(shè)內(nèi)容列入其中。根據(jù)相關(guān)研究，80%的移動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)。因此5G將成為未來智慧城市和智慧園區(qū)建設(shè)的重要基石，做好工業(yè)園區(qū)的5G室內(nèi)深度覆蓋意義重大。

本文結(jié)合工業(yè)園區(qū)業(yè)務(wù)需求和建筑特征，分析了5G低頻段在工業(yè)園區(qū)的覆蓋情況，并給出部署和產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議，為后續(xù)工業(yè)園區(qū)5G低頻規(guī)劃和建設(shè)提供參考。

一、我國5G低頻段

業(yè)界通常將大于1Ghz小于6GHz的頻段統(tǒng)稱為中頻段，低于1Ghz的頻段稱為低頻段。低頻由于良好的穿透和覆蓋性能受到業(yè)界格外關(guān)注，被稱為黃金頻段。

目前我國劃分的低頻5G頻段只有700MHz（703～733 MHz//758～788 MHz），全部分配給中國廣電使用，因此本文的5G低頻將以700MHz為例，其他低頻原理類似。

當(dāng)前對5G覆蓋分析大多集中在3.5GHz[1]頻段和2.6G頻段[2]，主要是密集城區(qū)、一般市區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村等典型室外場景。針對工業(yè)園區(qū)的5G低頻下的室內(nèi)深度覆蓋研究較少[3]。

二、 工業(yè)園區(qū)特征

工業(yè)園區(qū)是劃定一定范圍的土地，并先行予以規(guī)劃，以專供工業(yè)設(shè)施設(shè)置、使用的地區(qū)。該區(qū)域內(nèi)主要以工業(yè)企業(yè)為主，附以相應(yīng)的配套設(shè)施。建筑形式上主要是辦公研發(fā)中心、生產(chǎn)和制造車間、測試車間、標(biāo)準(zhǔn)廠房及少量配套商業(yè)門店、學(xué)校等。

2.1工業(yè)園區(qū)業(yè)務(wù)需求

工業(yè)園區(qū)的5G業(yè)務(wù)需求按照功能不同分為個(gè)人基本通信服務(wù)、智慧園區(qū)管理和智慧企業(yè)辦公&生產(chǎn)需求三類。智慧園區(qū)中的部分業(yè)務(wù)比如網(wǎng)格員巡查類業(yè)務(wù)、平安園區(qū)類業(yè)務(wù)、環(huán)境監(jiān)測類業(yè)務(wù)、聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)類業(yè)務(wù)主要發(fā)生在室外，而本文聚焦于室內(nèi)深度覆蓋，因此主要關(guān)注室內(nèi)業(yè)務(wù)需求。表一為梳理出的與5G相關(guān)的室內(nèi)主要業(yè)務(wù)需求[4][5]。

由表1可知，在工業(yè)園區(qū)中，個(gè)人通信服務(wù)主要以O(shè)TT類業(yè)務(wù)為主，對吞吐率要求較低。而對于涉及AR/VR的業(yè)務(wù)，對吞吐量要求較高，分別達(dá)60Mbps和240Mbps。除AR/VR業(yè)務(wù)外的其它業(yè)務(wù)，上行吞吐率在20Mbps以內(nèi)，下行吞吐率在30Mbps以內(nèi)。

2.2工業(yè)園區(qū)建筑典型特征

工業(yè)園區(qū)的建筑大多以低矮建筑為主，布局方正簡單，但是寬度較大，層高也一般要求比較高。建筑結(jié)構(gòu)種類除了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)外，還有鋼結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)等形式。表二以某工業(yè)園區(qū)為例，列出了影響無線覆蓋的工業(yè)園區(qū)建筑物典型參數(shù)。

由表2可知，此工業(yè)園區(qū)的典型樓體高度為13米～24米。一般天線高度稍高于建筑物高度，因此典型天線架設(shè)高度為25米。工業(yè)園區(qū)內(nèi)的建筑以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為主，也存在少量的鋼結(jié)構(gòu)建筑，暫未發(fā)現(xiàn)采用混合結(jié)構(gòu)的建筑。典型建筑物樓體辦公區(qū)進(jìn)深約為15米，廠房樓體進(jìn)深約為25米。在工業(yè)園區(qū)中，市政道路寬度約為15米～30米。

三、鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算是評估5G基站信號覆蓋效果的主要方法，其基本思路是5G無線信號從發(fā)射端出發(fā)，經(jīng)過各種因素對信號增益和衰減后，最終能正確地被接收端解調(diào)，然后計(jì)算允許的最大路徑損耗（MAPL），最終利用信道傳播模型計(jì)算出發(fā)射端與接收端的距離，即計(jì)算出了小區(qū)半徑。用公式表示為：

MAPL（dB） =發(fā)射功率 （dBm）-發(fā)射端天饋損耗 （dB） – 10*log10（ 子載波數(shù) ） + 發(fā)射端天線增益 （dBi） – 其他余量（dB）-其他損耗（dB） - 接收端天饋損耗 （dB）+ 接收機(jī)靈敏度

當(dāng)考慮室內(nèi)覆蓋時(shí)，損耗中需要考慮墻體衰減和無線信號進(jìn)入室內(nèi)的衰減，也即：

MAPL（dB） = PLb+PLtw+PLin+N（0，σp2）

其中PLb為基本路徑損耗，PLtw為穿墻損耗，PLin為室內(nèi)進(jìn)深損耗，N為室內(nèi)陰影衰落余量，σ為標(biāo)準(zhǔn)方差。

3.1關(guān)鍵因素分析

3.1.1 傳播模型的選擇

5G協(xié)議[6]中分別提供了UMI，UMA，RMA，indoor office，indoor Factory五種場景下的信號傳播模型。其中室內(nèi)信道模型indoor office和indoor Factory的基站天線限定在室內(nèi)，不適應(yīng)5G基站室外照射室內(nèi)的場景。UMA模型中已經(jīng)包含了室內(nèi)和室外場景且室內(nèi)終端占比80%。3D-UMA信道模型是UMA模型的詳細(xì)版本[6][7]，因此采用3D-UMA-NLOS模型，公式如下：

PL3D-UMa-NLOS = 161.04 – 7.1 log10 （W） + 7.5 log10 （h） – （24.37 – 3.7（h/hBS）2） log10 （hBS） + （43.42 – 3.1 log10 （hBS）） （log10 （d3D） - 3） + 20 log10（fc） – （3.2 （log10 （17.625）） 2 - 4.97） – 0.6（hUT - 1.5）

d3D表示天線到終端之間的距離（含室內(nèi)距離），h表示平均建筑物高度，W表示街道寬度。

3.1.2 MIMO模式

雖然當(dāng)前主流5G中高頻均采用了Massive MIMO技術(shù)，但是由于低頻波長較長，如果天線采用Massive MIMO多陣子結(jié)構(gòu)，則會(huì)因?yàn)樘炀€物理尺寸過大而難以實(shí)現(xiàn)，結(jié)合設(shè)備商在700MHz的支持現(xiàn)狀及規(guī)劃，本文基站側(cè)采用典型的4T4R射頻單元，終端側(cè)采用1T4R。因此，MIMO模式下行為4T4R MIMO，上行為1T4R MIMO。

3.1.3 小區(qū)邊緣速率

2.1節(jié)各場景下的業(yè)務(wù)需求即為小區(qū)邊緣速率。

3.1.4 接收機(jī)靈敏度

指基站或者終端設(shè)備要完成接收信號的正確解調(diào)，需要能接收在一定信噪比條件下信號與噪聲之和的總功率。接收機(jī)靈敏度與SINR緊密相關(guān)，而SINR與吞吐率基本正相關(guān)。根據(jù)小區(qū)邊緣業(yè)務(wù)速率可求得MCS，再查表可得對應(yīng)的SINR。

3.1.5 室內(nèi)穿透損耗

5G無線信號從室外穿過建筑物墻體進(jìn)入室內(nèi)會(huì)發(fā)生信號衰減，不同材質(zhì)對信號的衰減程度不同，一般頻率越高衰減越大[8]，信號進(jìn)入室內(nèi)后傳播也存在一定損耗，上下行損耗相等。

文獻(xiàn)[6]定義了兩種室外室內(nèi)穿透損耗模型：低穿透損耗模型和高穿透損耗模型，如表3所示：

其中Lglass代表信號經(jīng)過普通玻璃的衰減值，LIIR代表信號經(jīng)過IIR玻璃的衰減值，Lconcrete代表信號經(jīng)過混凝土墻體的衰減值，三者的計(jì)算公式如表四所示。d2D-in代表建筑物室內(nèi)進(jìn)深。

其中f為以GHz為單位的頻率。

根據(jù)2.1節(jié)，工業(yè)園區(qū)建筑物的墻體以鋼筋混凝土為主，以及少量的鋼結(jié)構(gòu)，因此采用低穿透損耗模型。按照表3，700M頻段下工業(yè)園區(qū)建筑墻體的穿透損耗約為10.31dB。

根據(jù)2.1節(jié)，辦公室場景下室內(nèi)進(jìn)深約為15米，因此室內(nèi)傳輸衰減為0.5* PLin =7.5dB。廠房場景下室內(nèi)平均進(jìn)深約為25米，因此室內(nèi)傳輸衰減為0.5*PLin=12.5dB。根據(jù)表3低穿透損耗的標(biāo)準(zhǔn)方差，計(jì)算可知室內(nèi)陰影余量為5.6dB。

3.2鏈路預(yù)算

綜合以上計(jì)算可得各場景業(yè)務(wù)需求下的覆蓋半徑：

由計(jì)算可知，對個(gè)人基本通信業(yè)務(wù)需求，辦公室場景下5G 700MHz下覆蓋半徑可達(dá)652米。智慧園區(qū)中的室外高清視頻安防監(jiān)控，由于不涉及無線信號穿墻衰減和室內(nèi)損耗，覆蓋半徑可達(dá)1255米。用于智慧園區(qū)規(guī)劃和招商引資中使用的項(xiàng)目地塊信息可視化，不論是室內(nèi)的4K AR應(yīng)用還是4K VR應(yīng)用，小區(qū)半徑均約為340米左右。尤其4K AR的5G終端上行單發(fā)時(shí)，4K AR業(yè)務(wù)半徑縮小為233米，應(yīng)用效果無法保障。云桌面、視頻會(huì)話、三方視頻業(yè)務(wù)等智慧辦公業(yè)務(wù)半徑可達(dá)394～439米，基本可滿足覆蓋需求。車間安全生產(chǎn)等高清視頻應(yīng)用，由于車間建筑物進(jìn)深較大，室內(nèi)路徑損耗也較大，覆蓋半徑為326米。

四、結(jié)束語

1.利用5G低頻段作為工業(yè)園區(qū)室內(nèi)深度覆蓋是可行的，可以快速實(shí)現(xiàn)5G連續(xù)覆蓋，顯著降低移動(dòng)運(yùn)營商部署基站數(shù)量，降低建設(shè)成本。政府應(yīng)積極引導(dǎo)社會(huì)，共享市政配套（綠地、燈桿等）開放站址空間，同時(shí)抓緊700M上的清頻工作，促進(jìn)5G低頻落地。

2.對于室內(nèi)AR、VR類及車間高清監(jiān)控類應(yīng)用場景，智慧園區(qū)實(shí)際部署該類終端時(shí)，應(yīng)盡量靠窗安裝，以降低室內(nèi)衰減，提高業(yè)務(wù)性能。尤其是AR類終端，建議引導(dǎo)和規(guī)范終端廠商支持雙發(fā)及以上。積極引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)支持700M 5G終端。

3.對于5G多業(yè)務(wù)并發(fā)量高的區(qū)域，采用高頻5G進(jìn)一步卸載高吞吐量業(yè)務(wù)。個(gè)別超熱點(diǎn)辦公室內(nèi)區(qū)域，通過部署室分系統(tǒng)來滿足高容量需求。

（作者單位：，西安 710100）

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

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