工業園區5G低頻深度覆蓋分析

郭曉江

【摘要】 ? ?本文結合工業園區典型業務需求及建筑特點，通過對5G低頻進行鏈路預算分析，給出了通過5G低頻進行工業園區深度覆蓋的效果評估，為后續我國在工業園區的5G低頻規劃建設提供了參考。

【關鍵詞】 ? ?5G低頻 ? ?鏈路預算 ? ?工業園區

引言：

2019年6月，我國工信部向中國移動、中國聯通、中國電信和中國廣電四家運營商頒發了5G商用牌照，我國5G商用大幕正式拉開。中國移動主要集中在2.6G頻段，中國聯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700MHz 5G規模建設。截止目前我國已經部署了超過70萬個5G基站。

開發區是我國經濟發展的主要載體和重要引擎。我國國家級開發區已達552個，省級開發區1991個，各類園區超過30萬個。我國十四五規劃已將加快建設5G等新型基礎設施，開展智慧園區、智慧辦公等建設內容列入其中。根據相關研究，80%的移動業務發生在室內。因此5G將成為未來智慧城市和智慧園區建設的重要基石，做好工業園區的5G室內深度覆蓋意義重大。

本文結合工業園區業務需求和建筑特征，分析了5G低頻段在工業園區的覆蓋情況，并給出部署和產業發展建議，為后續工業園區5G低頻規劃和建設提供參考。

一、我國5G低頻段

業界通常將大于1Ghz小于6GHz的頻段統稱為中頻段，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界格外關注，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、一般市區、郊區、農村等典型室外場景。針對工業園區的5G低頻下的室內深度覆蓋研究較少[3]。

二、 工業園區特征

工業園區是劃定一定范圍的土地，并先行予以規劃，以專供工業設施設置、使用的地區。該區域內主要以工業企業為主，附以相應的配套設施。建筑形式上主要是辦公研發中心、生產和制造車間、測試車間、標準廠房及少量配套商業門店、學校等。

2.1工業園區業務需求

工業園區的5G業務需求按照功能不同分為個人基本通信服務、智慧園區管理和智慧企業辦公&生產需求三類。智慧園區中的部分業務比如網格員巡查類業務、平安園區類業務、環境監測類業務、聯網無人機類業務主要發生在室外，而本文聚焦于室內深度覆蓋，因此主要關注室內業務需求。表一為梳理出的與5G相關的室內主要業務需求[4][5]。

由表1可知，在工業園區中，個人通信服務主要以OTT類業務為主，對吞吐率要求較低。而對于涉及AR/VR的業務，對吞吐量要求較高，分別達60Mbps和240Mbps。除AR/VR業務外的其它業務，上行吞吐率在20Mbps以內，下行吞吐率在30Mbps以內。

2.2工業園區建筑典型特征

工業園區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。建筑結構種類除了鋼筋混凝土框架結構外，還有鋼結構、混合結構等形式。表二以某工業園區為例，列出了影響無線覆蓋的工業園區建筑物典型參數。

由表2可知，此工業園區的典型樓體高度為13米～24米。一般天線高度稍高于建筑物高度，因此典型天線架設高度為25米。工業園區內的建筑以鋼筋混凝土框架結構為主，也存在少量的鋼結構建筑，暫未發現采用混合結構的建筑。典型建筑物樓體辦公區進深約為15米，廠房樓體進深約為25米。在工業園區中，市政道路寬度約為15米～30米。

三、鏈路預算

鏈路預算是評估5G基站信號覆蓋效果的主要方法，其基本思路是5G無線信號從發射端出發，經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，然后計算允許的最大路徑損耗（MAPL），最終利用信道傳播模型計算出發射端與接收端的距離，即計算出了小區半徑。用公式表示為：

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

當考慮室內覆蓋時，損耗中需要考慮墻體衰減和無線信號進入室內的衰減，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為室內進深損耗，N為室內陰影衰落余量，σ為標準方差。

3.1關鍵因素分析

3.1.1 傳播模型的選擇

5G協議[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。其中室內信道模型indoor office和indoor Factory的基站天線限定在室內，不適應5G基站室外照射室內的場景。UMA模型中已經包含了室內和室外場景且室內終端占比80%。3D-UMA信道模型是UMA模型的詳細版本[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

雖然當前主流5G中高頻均采用了Massive MIMO技術，但是由于低頻波長較長，如果天線采用Massive MIMO多陣子結構，則會因為天線物理尺寸過大而難以實現，結合設備商在700MHz的支持現狀及規劃，本文基站側采用典型的4T4R射頻單元，終端側采用1T4R。因此，MIMO模式下行為4T4R MIMO，上行為1T4R MIMO。

3.1.3 小區邊緣速率

2.1節各場景下的業務需求即為小區邊緣速率。

3.1.4 接收機靈敏度

指基站或者終端設備要完成接收信號的正確解調，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。接收機靈敏度與SINR緊密相關，而SINR與吞吐率基本正相關。根據小區邊緣業務速率可求得MCS，再查表可得對應的SINR。

3.1.5 室內穿透損耗

5G無線信號從室外穿過建筑物墻體進入室內會發生信號衰減，不同材質對信號的衰減程度不同，一般頻率越高衰減越大[8]，信號進入室內后傳播也存在一定損耗，上下行損耗相等。

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

其中Lglass代表信號經過普通玻璃的衰減值，LIIR代表信號經過IIR玻璃的衰減值，Lconcrete代表信號經過混凝土墻體的衰減值，三者的計算公式如表四所示。d2D-in代表建筑物室內進深。

其中f為以GHz為單位的頻率。

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

根據2.1節，辦公室場景下室內進深約為15米，因此室內傳輸衰減為0.5* PLin =7.5dB。廠房場景下室內平均進深約為25米，因此室內傳輸衰減為0.5*PLin=12.5dB。根據表3低穿透損耗的標準方差，計算可知室內陰影余量為5.6dB。

3.2鏈路預算

綜合以上計算可得各場景業務需求下的覆蓋半徑：

由計算可知，對個人基本通信業務需求，辦公室場景下5G 700MHz下覆蓋半徑可達652米。智慧園區中的室外高清視頻安防監控，由于不涉及無線信號穿墻衰減和室內損耗，覆蓋半徑可達1255米。用于智慧園區規劃和招商引資中使用的項目地塊信息可視化，不論是室內的4K AR應用還是4K VR應用，小區半徑均約為340米左右。尤其4K AR的5G終端上行單發時，4K AR業務半徑縮小為233米，應用效果無法保障。云桌面、視頻會話、三方視頻業務等智慧辦公業務半徑可達394～439米，基本可滿足覆蓋需求。車間安全生產等高清視頻應用，由于車間建筑物進深較大，室內路徑損耗也較大，覆蓋半徑為326米。

四、結束語

1.利用5G低頻段作為工業園區室內深度覆蓋是可行的，可以快速實現5G連續覆蓋，顯著降低移動運營商部署基站數量，降低建設成本。政府應積極引導社會，共享市政配套（綠地、燈桿等）開放站址空間，同時抓緊700M上的清頻工作，促進5G低頻落地。

2.對于室內AR、VR類及車間高清監控類應用場景，智慧園區實際部署該類終端時，應盡量靠窗安裝，以降低室內衰減，提高業務性能。尤其是AR類終端，建議引導和規范終端廠商支持雙發及以上。積極引導產業支持700M 5G終端。

3.對于5G多業務并發量高的區域，采用高頻5G進一步卸載高吞吐量業務。個別超熱點辦公室內區域，通過部署室分系統來滿足高容量需求。

（作者單位：，西安 710100）

參 ?考 ?文 ?獻

[1]陳楊，楊芙蓉，余揚堯.5G覆蓋能力研究[J].通信技術，2018，51（12）：2866-2873.

[2]崔新凱，李豪，高向川，等.2.6 GHz下的5GNR覆蓋能力分析[J].電信科學，2019（8）：104-110.

[3]陳靚.中國廣電700MHz頻段5G覆蓋初步研究[J].廣播電視網絡，2020（8）：27-29.

[4]汪丁鼎，許光斌，丁巍，等.無線網絡技術與規劃設計[M].北京：人民郵電出版社，2019：73-76.

[5]《智慧園區應用與發展》編寫組.智慧園區應用于發展[M].北京：中國電力出版社，2020：95-104.

[6]3GPP TR 38.901 V16.1.0 （2019-12），3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz （Release 16） [EB/OL].（2020-01-11）[2021-04-08]. ftp：//3gpp.org/specs/archive/38_series/38.901/.

[7]3GPP TR 36.873 V12.7.0 （2017-12），3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Study on 3D channel model for LTE（Release 12） [EB/OL].（2018-01-05）[2021-04-08]. ftp：//3gpp.org/specs/archive/36_series/36.873/.

[8]郭山紅， 孫錦濤， 謝仁宏，等.電磁波穿透墻體的衰減特性[J].強激光與粒子束，2009，21（1）：113-117.