5G新空口技術可大幅改善覆蓋性能

2017年，多家廠商發布關于5G的相關軟硬件設備，5G標準加速。隨著5G可用頻譜資源的梳理，4G與5G網絡融合的架構日漸明晰，5G網絡的測試和部署被運營商提上日程。

當我們真正開始考慮5G網絡部署的時候，5G覆蓋成為業界最為關心的一個問題。為了盡可能獲取更大的頻譜帶寬，5G網絡通常部署于更高的頻段，根據無線傳播特性，頻率越高，傳播損耗越大，基站的覆蓋能力也就越弱。

業界普遍認為，5G網絡的主流頻段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）連續發射，而5G是時分（TDD）間隙發射，這又帶來約5dB的損耗，總共損耗多達14dB。對于這14dB差距，為了支持連續覆蓋，按照以往算法，需要增加數倍的基站才能彌補。這將出現新站選址問題，并帶來高昂的網絡建設成本。

4G網絡已經部署了數百萬個基站，在密集城區，4G基站的站間距通常已經小至幾百米，如果5G網絡還需要新增數倍的站點，這對運營商而言將是一項難以完成的艱巨任務。中興通訊認為，3.5GHz的5G網絡與4G網絡共站部署完全可行。

5G網絡覆蓋可優于4G

“以往理論在評估一個系統的覆蓋時，是通過計算鏈路預算的方法。但傳統的鏈路預算計算方法在5G時代已經不合適。因為其計算過程存在三項不合理的假設，無法體現5G新技術對覆蓋所產生的收益。”中興通訊首席科學家向際鷹表示。

鏈路預算的第一個假設是：整個小區只有一個用戶。但這項假設并不合理，實際上一個小區存在多個用戶，在多用戶條件下，用戶實際體驗的覆蓋范圍遠弱于基于單用戶計算出來的鏈路預算值。而5G標準中大量使用空分復用技術，通過空分復用技術，不但可成倍提升容量，還可使得在多個用戶共存時，覆蓋不收縮或僅少量收縮。從而在以鏈路預算方法結果不如4G的情況下，實際覆蓋達到甚至超過4G網絡。

鏈路預算的第二個假設是：小區唯一的用戶位于垂直波瓣的最佳位置。同樣，這項假設也不合理。通常基站天線的半波角只有6度左右，用戶絕大多數情況下并不在最佳方向角內，用戶實際體驗覆蓋范圍弱于鏈路預算值。而5G標準由于采用多天線數字波束技術，可以動態跟蹤用戶，因此在用戶實際體驗時，覆蓋不會下降或僅少許下降。

鏈路預算的第三個假設是：整個區域只有一個小區，沒有其他小區。但實際上在城區，小區非常密集，很多用戶并非屬于覆蓋受限，而是干擾受限。這會導致實際體驗覆蓋遠弱于鏈路預算值。而5G標準的多天線空分復用技術在提升容量的同時，也抑制了相鄰小區的干擾，從而進一步改善了網絡覆蓋。

同時，鏈路預算在多數情況下以計算數據信道（PUSCH）為依據，但實際上往往是控制信道PUCCH、PDCCH或SRS受限。

在5G標準中，通過預編碼、預置波束等方法實現了控制信道的覆蓋增強，使控制信道不再成為覆蓋瓶頸。

一方面，5G新空口技術對鏈路預算有直接提升作用，例如通過基站、終端的多天線技術以及終端大功率發射，可以補回前述14dB差距；另一方面，很多5G新空口技術對容量提升有很大幫助，卻體現不到傳統的鏈路預算方法中。

“基于上述分析，中興通訊認為在采用大量新技術之后，5G網絡不但可在容量上大幅超越4G，在網絡覆蓋方面，最終也能實現不弱于4G網絡的覆蓋。如此一來，在4G網絡原有的站址基礎上部署5G網絡設備，不用新增基站，且提供5G網絡連續覆蓋就成為可能。這對于運營商而言意義重大。”向際鷹說。

圖1 2Mbps小區邊緣速率，上行覆蓋距離對比

5G與4G共站建設完全可行

通過仿真分析，我們得出在2Mbps小區邊緣保障速率條件下，密集城區3.5GHz的5G基站（上行時隙占比20%）非常接近于1.8GHz的FDD LTE（雙極化天線）覆蓋范圍，優于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，但相對于2.6GHz的FDD LTE以及1.9GHz/2.6GHz TDD LTE的優勢則更為明顯。

圖1僅體現了基于單用戶鏈路預算條件下的基站覆蓋對比，那么在多基站組網以及多用戶使用的場景下，5G網絡相對于4G網絡的性能更為優越。從圖2的系統仿真結果中不難看出，在ISD=300m，每小區20用戶的場景下，5G網絡的小區邊緣用戶上行吞吐量是1.8GHzFDD LTE網絡的3倍，是1.9GHz TDD LTE網絡的4-5倍；小區平均上行吞吐量大致是1.8GHz FDD LTE網絡的2倍，1.9GHz TDD LTE網絡的4倍左右。

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

空分復用對于提升網絡覆蓋的重要作用

被認為是5G標準中最關鍵的技術SDMA（空分復用），對于提升網絡覆蓋發揮的作用也不容小視。SDMA技術對于不同的5G頻譜可以發揮不同的作用：在6GHz以下頻段，由于頻譜資源稀缺，覆蓋相對較好，SDMA技術主要用來提升網絡容量；對于6GHz以上的高頻段，頻譜資源相對豐富，覆蓋成為短板，SDMA技術主要用于提升覆蓋。

向際鷹指出：“在6GHz以下頻段，每個運營商能獲取的頻譜帶寬資源相對于高頻段而言仍然非常有限，因此空分復用技術對采用3.5GHz低頻段建網的移動運營商而言尤其重要。”

自2013年，中興通訊開始研究SDMA技術，是最早從事SDMA技術研發的公司。中興通訊率先將5G空分復用技術的典型代表Massive MIMO應用到4G網絡中，使現有4G用戶不用更換終端就能提前享受到類5G體驗。利用在SDMA技術方面的領先優勢，中興通訊相繼發布了TDD Massive MIMO產品和FDD Massive MIMO產品，其中TDD Massive MIMO產品已在日本軟銀規模商用，使流量熱點的容量瓶頸得到了高效緩解。

中興通訊通過SDMA技術在4G商用網絡中積累的大量真實場景數據和豐富的商用經驗，為5G Massive MIMO的產品開發和商用打下堅實的基礎，加速推動了5G網絡的成熟和商用化進程。

借助對5G新空口技術的深入分析和創新，5G的覆蓋問題得到有效提升，中興通訊認為3.5GHz的5G網絡與4G網絡共站部署完全可行。5G與4G共站建設，不僅簡化了5G網絡部署的難度，而且可為運營商節約大量網絡投資，為4G向5G的演進搭建了一條平滑升級之路，加速5G商用部署的進程。endprint