摘 要
简要先容5G系统的频段,概括分析大规模阵列天线的信道及增益模型,在先容信道RB分配和MCS调制与频谱效率的基础上,具体阐述了5G上下行链路的覆盖能力。通过分别对业务信道和控制信道的链路预算展开分析,对其上下行覆盖瓶颈作出了详致的归纳和总结。另外,结合不同频段以及不同通道数的MIMO条件下5G的覆盖能力,对即将到来的5G的组网及优化给出了相关引导意见。
关键词
5G;链路预算;控制信道;业务信道;大规模阵列天线
0 引言
随着移动互联网与物联网呈指数级发展、新业务层出不穷,4G已经逐渐无法满足用户越来越高的体验要求。在此情形下,5G[1]应运而生,它将更加智能化与自动化,能够支撑更多样化的场景,融合更多种无线接入方式[2]。但相对4G网络而言,5G应用技术到目前为止仍然欠完善,产业链仍然欠成熟。因此,需要投入更多的精力去研究如何根据差异化的场景去布署5G网络并如何优化[3]。
本文主要致力对运营商应用最广的5G增强移动宽(eMBB)系统覆盖能力进行研究。截至目前,尚没有足够的文献能够系统地对5G系统的链路预算及其覆盖能力进行研究。究其原因,可能是5G系统采取了比4G更灵活复杂的多流MIMO[4],且5G的频段分布更为宽泛。早在去年初,笔者就详细分析了5G在国内频段的分配情况[5],由于全球在分配5G频谱的节奏不统一,带宽也不一致,这也会导致5G在不同国家或区域呈现出协同定位、兼容性的问题,这也需要后期加以关注并跟踪。
江巧捷等人[6]重点剖析了5G传播模型,这对于测算5G的覆盖半径大有裨益。王凤明等人[7]简单地叙述了5G的链路预算与站址规划,任何内容。陈杨等人[8]在此基础上相对深入地分析了5G系统的覆盖能力,但对于链路预算与MIMO流、系统频段的关系则只字未提。
1 系统频段与Massive MIMO
根据笔者在文献[5]中的观点,5G系统将来主要使用小于6GHz的低频段和大于24GHz的高频段。考虑到产业链的成熟度问题,在5G部署的前夕,将更可能先运用低频段,一方面覆盖能力更强,有助于节省运营商的投资,另一方面也容易与3G/4G网络的融合。在小于6GHz的低频段中,3300 ~3400 MHz已经基本明确运用于室内分布中,3400~3600MHz(称之为3.5GHz)产业链最成熟,应用将最广。而4800~4900MHz的低频段(称之为5GHz)也可能是一个运用较多的频段。因此,本文主要针对3.5GHz与5GHz这2个频段进行分析。在区域类型方面,诸如密集市区、一般市区、郊区和农村等4个最为典型的区域,限于篇幅,本文选择区域覆盖最广泛的一般市区的覆盖对象进行分析。
5G系统已经明确采取大规模天线Massive MIMO,能够实现在三维空间产生灵活指向用户的窄波束,通过精确的信道相关性估计、干扰抑制等,能够实现多流复用,从而极大提升频谱效率。对于Massive MIMO的性能,本文不展开研究,只分析与5G覆盖能力相关的天线增益。
假设Massive MIMO由于M个阵列组成,每个阵列由N个阵元构成,每个阵元又包含T个双极化阵子,总体相当于2*M*N个通道的MIMO天线。该MIMO天线的增益计算如下:
(1) 式中:
在下文的链路预算中,将把天线的增益统一纳入到中,不再细分天线增益。以目前应用最广泛的64通道 MIMO为例,M=8,N=4,T=3,则其下行信道总体增益:
28dB,而对于上行控制信道,由于缺少
,其总体信道增益为25dB。类似地,如果是256通道的MIMO,其上、下行信道增益分别是31dB、34dB。
2 RB分配与MCS
5G系统由于使用了OFDM/NOMA调制,用户的数据速率由为其分配的PRB(Physical ResourceBlock)个数及选择的MCS等级所决定。而RB分配也与MCS相关,MCS取决于SINR值,RB分配量会影响SINR值,所以MCS、分配RB量、SINR值和用户速率四者之间会相互影响,这也是导致5G调度算法比较复杂的原因。5G控制信道与业务信道采取不同的编码方式,前者采用Polar极化码,后者采取准循环LDPC码,不同信道不同的编码方式也导致了在不同的调制方式下,即使在同样的BLER目标下,所需要的SNR也不同,比较而言高阶调制方式对SNR值要求更高。图1给出了业务信道LDPC码在MCS0~MCS13的SNR仿真结果,其它的类推。
图1 LDPC码MCS0~13的SNR仿真
不同的MCS对应不同的频谱效率,如表1所示。
表1 MCS与频谱效率
RB分配量测算方式如下式:
(2) 式中:
需要说明的是,表示1个RB占用的12个连续子载波,而与LTE不同的是,子载波带宽可在15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz中任意选取,一般选择常用的30kHz。链路开销区分上、下行链路。上行链路包括PUCCH、PRACH等,下行链路包括PDCCH、PBCH等,不同信道在不同的子载波带宽条件下开销是不同的,具体可参见文献[9],本文不再赘述,只给出结果:上行链路在30kHz子载波带宽下的合计链路开销约为25%,下行链路则约为29%。
3 5G上下行链路预算
5G链路预算的测算机理与流程与LTE类似,只是上述关键参数取数存在差异而已。 3.1 上行5G链路预算上行链路预算又可分为控制信道和业务信道的链路预算,两者均适用于:
(3)
式中: PL_UL——上行链路最大传播损耗(dB) Pout_UE——终端最大发射功率(dBm) Lfhm ——人体损耗(dB) S_NR ——基站接收灵敏度(dBm) Ga_MIMO ——MIMO天线增益(dBi) Lkj——馈线和接头损耗(dB) Lp——建筑物穿透损耗(dB) Mf——阴影衰落余量(dB) Ml——干扰余量(dB) 3.1.1 业务信道在取定上文的典型参数和常规参数前提下,以10Mbit/s和20Mbit/s数据业务为例,给出5G上行链路的业务信道链路预算,如表2所示。
表2 5G上行业务信道链路预算
3.1.2 控制信道上行控制信道主要是PRACH和PUCCH,由于大部分参数与业务信道相同,在此只列出不同的部分,如表3所示。
表3 5G上行控制信道与业务信道链路预算差异
对比上行控制信道和业务信道的链路预算,可知:
3.2 下行5G链路预算
类似地,可先对下行链路进行链路预算的分析。
(4)
式中: PL_DL——上行链路最大传播损耗(dB) Pout_NR——基站最大发射功率(dBm) Lfkj——馈线和接头损耗(dB) S_UE ——终端接收灵敏度(dBm) Ga_MIMO ——MIMO天线增益(dBi) Lfhm ——身体损耗(dB) Lp——建筑物穿透损耗(dB) Mf——阴影衰落余量(dB) Ml——干扰余量(dB) 3.2.1 业务信道以20Mbit/s~50Mbit/s数据业务为例,具体链路预算参如表4所示。
表4 5G下行业务信道链路预算
3.2.2 控制信道下行控制信道包括PBCH、PDCCH等,由于大部分参数与业务信道相同,在此只列出不同的部分,如表5所示。
表5 5G下行控制信道与业务信道链路预算差异
对比下行控制信道和业务信道的链路预算,可知: 下行控制信道的覆盖能力受限于业务信道,PBCH能够达到最大覆盖。 在4G中下行信道是受限于PDCCH,但与下行业务信道能力相差不大。而5G中增加了MIIMO信道增益,同时下行的速率要求也比4G高出许多,这也是导致下行业务信道受限的原因。 下行业务信道覆盖范围随着小区边缘目标的速率增加而减少。
4 5G的覆盖能力综合分析
结合上文对5G不同业务、不同信道、不同链路的覆盖能力,以3.5GHz在64通道MIMO条件为例,5G的上下行链路预算分析如图2所示。
图2 5G的上下行链路预算分析
可知: 为了更直观地比较5G系统在不同频段,不同MIMO配置下的覆盖能力,下面分别以3.5GHz-64MIMO、3.5GHz-256MIMO和5GHz-256MIMO3种场景进行比对,如图3所示:
图3 5G不同场景下的覆盖能力对比 由此可见: 3种场景下,以3.5GHz-256MIMO的覆盖能力最强,无论是上行还是下行。其次是5GHz-256MIMO。 在3种低频段的场景下,MIMO增加通道数带来的覆盖增强效果比降频覆盖更直接,无论是控制信道还是业务信道。 即便如此,5G在低频段高通道数下的单站覆盖能力也不甚理想,一般市区内的平均站间距在200~500m左右,对于今后的无缝覆盖投资是一个需要谨慎考虑的问题。
5 结束语
5G的覆盖性能是对系统进行评估的重要指标,决定了是否可以带给用户稳定、可靠的业务感知。本文基于5G系统的一些重要技术,具体分析了在一般市区下的上下行控制及业务信道的链路预算,并且针对差异化的频段和MIMO条件分别对5G的覆盖能力进行综合对比分析,对于今后从事5G的网络规划有着鲜明地引导作用。 当然,5G的覆盖性能与RB资源块的分配算法、调度模式、信道调制方法紧密相关,所以在实际中也是千变万化的。本文也只是以典型案例进行先容,限于篇幅,对于eMBB在5G高频段、更高阶调制,以及uRLLC和mMTC其它典型场景等均未作分析。
参考文献
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编辑概况
肖清华,毕业于浙江大学,华信咨询设计研究院有限企业网研院副院长,教授级高工,博士,主要从事无线网络规划与设计相关工作。
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