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2.6 GHz下的5G NR覆盖能力分析

更新时间：2019-12-08 06:03:01 大小：3M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：5G 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

当前关于5G新空口的研究主要集中在中高频段,4G使用的低频段重耕对于5G规模连片组网意义重大,但对此研究较少.在讨论影响无线电传播能力因素的基础上,选取3GPP TR38.901中城区室外非视线传播模型,使用当前主流空口参数,进行多系统主要物理信道传播能力的仿真.通过对比4G和5G NR各频段相同物理信道的覆盖能力,得到2.6 GHz频段下的5G NR主要信道覆盖能力可在现有4G基础上实现连片覆盖.

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研究与开发

2．6

GHz下的5G

R覆盖能力分析

崔新凯1，李豪2，高向川2，杨欢1

(1．中国移动通信集团设计院有限公司，北京100080；

450001)

2．郑州大学信息工程学院，河南郑,rJl

摘要：当前关于5G新空口的研究主要集中在中高频段，4G使用的低频段重耕对于5G规模连片组网意义

重大，但对此研究较少。在讨论影响无线电传播能力因素的基础上，选取3GPP TR38．901中城区室外非视线

传播模型，使用当前主流空口参数，进行多系统主要物理信道传播能力的仿真。通过对比4G和5G NR各频

段相同物理信道的覆盖能力，得到2．6 GHz频段下的5G NR主要信道覆盖能力可在现有4G基础上实现连片

覆盖。

关键词：5G NR；2．6 GHz：无线链路预算；覆盖能力；性能评估

中图分类号：TN929．5

文献标识码：A

doi：10．119590．issn．1000-0801．201918l

of5GNR_coverage

at 2．6 GHz

Analysis

capability

CUI_Xinkail，LI

Huanl

Ha02，GAOXiangchuan2，YANG

1．China Mobile

Institute

100080，China

Group Design

Co．，Ltd．，Beijing

ofInformation

2．School

450001，China

Engineering，Zhengzhou University,Zhengzhou

Abstract：The current research on 5G new air interface lS

concentrated in the middle and

for 5G—scale

mainly

high frequency

bands．The low

band re—cultivation used _by4G is of

great

contiguous

frequency

significance

networking，

urban

but there ale few studies．On the basis of

the factors

theradio transmission

discussing

affecting

capability,the

outdoor

face

model of 3GPPTR38．901 Was

the current mainstream air inter-

selected，and

channel

non-line—of-sight propagation

were used to simulate the

ofthe same

main

physical

parameters

multi-system

propagation capability．By comparing

the

channels in the 4G and 5GNR

physical

5GNR_primarychannel COV-

bands，the

coverage capabilities

in the 2．6 GHzband Can achieve

link

on the _existing4Gbasis．

contiguouscoverage

erage capability

words：5G

Key

evaluation

N氏2．6GHz，wireless

budget，coverage ability,performance

终端设备接入数量和无线数据流量均呈几何式增

长，用户所需要的低时延、高容量、大连接对现

有的无线通信技术形成巨大挑战。为此，通信行

业全面展开了面向2020年及未来的5G通信系统

引言

随着移动互联网的不断发展和工业4．0 的持

续推进，移动通信正迈入万物互联的时代。智能

收稿日期：2019-02—12；修回日期：2019-07-04

2019181-l

万方数据

电信科学2019年第8期

· 105·

(non—stand alone，NSA)组网架构的5G网络，

的研究工作。为了最终满足国际电信联盟

(International Telecommunication Union，ITU)对

2018年6月发布第二版5G标准协议支持独立

(stand alone，SA)组网架构的5G网络，并在协

5G在峰值速率、用户体验速率等方面的指标要

求，提高信号的传输带宽是最为直接和有效的方

式[1】。3GPP受国际电信联盟委托，对5G进行了

标准化制定工作，并于2018年确定了5G使用全

新的空中接口，即5GNR。

议中定义了5G新空口NR为增强移动宽带场景，

并引入众多新技术。同时启动第三阶段5G标准化

制定，将于2019年12月完成研究工作，在2020

年3月形成完整的5G标准。3GPP5G标准制定进

程如图1所示。

在5GNR可使用的频段中，低频段资源已经

分配给4G等用户，带宽资源严重受限。因此中高

频段是5GNR的主力频段，特别是毫米波频率资

源充足，是当前行业研究的热点。但毫米波频段

无线传播损耗大，连片组网所需投入资源过大，

导致短时间内不会成为5G部署的主力工作频

段。中频段频率资源相对宽裕，但运营商现有

的站址资源依然不能满足其连片组网的需求。

因此对低频段进行频率重耕，对于5G规模组网

具有重大意义。

图1 3GPP 5G标准制定进程

为规范5G频率使用，3GPP将5G频段范围

定义为FRl和FR2，并确定了5GNR基站的最低

射频特性和最低性能要求【2]。FRl中NR的工作频

段见表l，FRl为中低频段，即sub一6 GHz频段。

FR2中NR的工作频段见表2，FR2为高频段，即

毫米波频段。5G NR工作频段包括部分LTE频段，

同时新增了部分频段。根据GSA发布的最新频谱

分配报告，截至2018年7月，全球已有42个国

家或地区正式考虑为地面5G业务引入某些频

2研究背景

2．1全球5G研究进展

3GPP受ITU委托制定5G标准协议，已于

2017年年底发布第一版5G标准协议支持非独立

MHz、3 400～3

段，该报告显示700

800 MHz和

表1 FRl中NR的工作频段

万方数据

研究与开发

· 106·

24-一29．5

GHz为目前5G频谱相关活动的热点频段[3]。

播距离d增加时，自由空间的传播损耗k加就越

大【6J，导致接收端收到的信号功率非常小。

但现实环境并不满足电磁波自由空间传播的

条件，在实际环境中，影响系统覆盖能力地因素

除路径损耗外，还有穿透损耗、人体损耗等。因

此为评估5GNR的覆盖能力，首先需要建立合适

的传播模型。

2．2我国5G进展

2018年12月6日，工业与信息化部向3家运

营商正式发放5G中低段试验频率使用许可证，其

500

中，中国电信和中国联通获得3

试验频率使用许可，中国移动获得2

900

MHz频段

600 MHz

和4

MHz频段试验频率使用许可【4】，标志着

TR36．873

我国正式进入5G部署阶段。

由于4G移动通信系统使用3GPP

而3．5 GHz和5 GHz频段相比国内运营商已

商用的移动通信频率而言，无线传播能力明显不

足，根据业界市区环境通用的COST．231-Hata无

线传播模型计算，3．5 GHz与1．8 GHz在链路预算

的传播模型针对的是2～6 GHz，而5G移动通信系

统使用3GPP TR38．901的传播模型针对的是

0．5～100

GHz，均与传统的COST23l—Hata传播模

型在系统适用频段存在较大差异，且传播模型不

同。对比分析3种传播模型的路径损耗可评估系

统传播能力。

上相差近10

dB，即在现有的站址规模下无法连片

覆盖。因此对4G已使用频率2．6 GHz频段重耕可

弥补中高频率无线覆盖能力不足的劣势，达到使

用现有站址资源即可达到连片组网的目的。

据统计，当前4G业务中超过70％的业务发

生在城区室内场景，但室外宏基站是5G初期组网

的重点对象，因此对比3种模型在非视距(non．1ine

5G覆盖能力分析

ofsight，NLOS)下的传播能力意义更强。仿真对

比3种模型在2．6 GHz频段下的路径损耗，结果

为全面评估5G覆盖能力，首先从传播能力、

关键技术、终端能力3个方面分析影响5G覆盖能

力的因素，从而得到覆盖性能评估模型。

如图2所示，3个场景的路径损耗基本一到7|。

3．1

5G覆盖能力因素

(1)传播能力

对移动通信而言，对系统覆盖范围和受干扰

的影响进行分析时，电磁波传播损耗是非常关键

的因素。已知电磁波自由空间传播损耗数学模型

为[5】：

曩

委

馥

城区宏基站UMa(2 GHz)／m

图2 2．6GHz下3种传播模型路径损耗对比

氏=(等)2=(半)2

其中，d为传播距离，单位为km；兄为工作波长；

厂为电磁波频率，单位为GHz，C为自由空间穿的

光速，单位是m／s。

由于3GPP

TR38．901协议中各种场景均在

0．5～100

GHz频率范围内，因此分析5G NR传播

模型选取的是3GPP TR38．901协议中的

uMa．NLOS，即城区宏基站模型[{；]：

转化为以频率为参数的dB形式，即：

(2)

Lfs-血=92．65+2019d+2019f

P‰ 一NLos

(3)

13．54+39、· 08lgd3。+

20lg厶一o．6(byT一1．5)

由式(2)可看出，当电磁波频率厂增大或传

2019181．3

万方数据

· 107·

电信科学2019年第8期

惫

其中，ⅣPA代表垂直PA个数，GH，代表天线水平

其中，1．5m huT 22．5m，JizBs=25m，fc为工

作频率，单位为GHz；d为距离，单位为km。

(4)

Go=PA+1019NpA+GHP+GDP

阴影衰落(shadow

fading)是指通信过程中

成形增益，Gn，代表天线双极化增益。

障碍物阻挡造成的阴影效应，导致终端接收信号

强度下降，是除路径损耗外，影响通信系统覆盖

能力的重要因素之一。当前5GNR链路预算中阴

由于5GNR系统中控制信道与业务信道均采

用波束成形的方式发送，控制信道采用波束成形，

并采用不同的权值对PBCH和PDCCH进行波束

成形，使得每个波束朝向小区不同方向发射，进

行波束扫描。通过安排合理的邻小区波束扫描方

案，而达到改善干扰的目的：业务信道使用“3D”

波束成形，成形更精准，对小区内业务信道干扰

dB。

影衰落余量为9dB，较4G系统高1

(2)massiveMIMO天线技术

NR系统为提升系统因工作在高频段而带来

的高路径损耗，采用了诸如massive MIMO等技术，

通过massive MIMO技术可实现下行控制信道波束

成形和波束扫描，从而达到下行信道覆盖增强的目

的。下行控制信道波束扫描方式如图3所示。

NR链路预算中上下行

的改善作用明显。因此5G

干扰余量较当前的4G系统低2^dB。

(3)终端能力

在5GNR与4G天线存在很大差异的情况下，

以64T64R天线为例，每个x标识一对采用交叉

极化方式安装的阵子，如图4所示，每个框代表

由于载波带宽与天线尺寸成反比，5G NR带

MHz情况下，基站侧和终端侧天线尺寸

宽在100

均较小。因此5G系统终端采用不同于4G系统终

端1T2R的天线形态，而是采用2T4R的天线形态，

在每根发射天线的最大功率为23 dBm的基础上，

使得终端的最大发射功率达到46 dBm，从而很大

程度上增强了系统上行覆盖能力。

多个阵子链接一个功放(power amplifier，PA)。

在双极化因素下，64T64R天线包含64个PA，每

个PA连接3个阵子。

又

叉

爻

又

爻

蔓

爻

3．2

5G覆盖性能评估

X X

爻

经过分析影响5G覆盖的3方面因素，结合

NR链路预算，可得到覆盖距离模型，即5G

爻

区

幺

区

送

区

覆盖性能评估模型为：

图4 5GNR中64T64R天线模型

由此得到天线增益计算式为：

IPL=TxPower+6‰ 一Loss一(SNR-i-N)

54—20lgfc

(5)

39· 08

d=10

万方数据

研究与开发

· 108·

其中，Loss损耗包括穿透损耗、人体损耗、阴影

衰落等，Ⅳ表示噪声功能。

5G系统与4G系统一样均受限于上行控制信道

PRACH的传播能力。5GNR仿真覆盖站间距对比

结果如图5所示，5GNR系统中2．6GHz和4．9GHz

受限站间距分别为924m和344m；2．6GHz下的

以此模型为基础，尝试通过5G NR和4G系

统主要信道覆盖距离与站间距之间的关系以及在

特定站间距下采用64T64R的5G NR与4G各系

NR系统控制信道覆盖能力强于1．9 GHz下的

统之间的覆盖能力，评估2．6 GHz频段下5G

4G系统，可实现5GNR控制信道连续覆盖。

在独立组网(SA)条件下，2．6 GHz的上行

业务信道可实现边缘速率1 Mbit／s。5G NR系统上

的覆盖能力。为即将来临的5G实验网和5G商用

中频率使用策略提供参考[9-10]。

GHz

行业务信道覆盖能力仿真如图6所示，2．6

4仿真结果与分析

下的5G NR在SA条件下的上行业务信道覆盖能

800

基于第3．2节中得到的5G NR覆盖能力评估

模型，利用表3中的主流空口和天线参数进行覆

盖能力仿真。

力优于1

300

MHz和1．9GHz频率下的4G系统；

GHz

m站间距下2．6

SA下的5G NR系统边

缘速率达到1 Mbit／s，无需部署SU；若采用非

独立组网(NSA)方案，由于终端配置降低为

NR主要采用64TR的massive MIMO技

GHz

术，重点评估192TRx下的5GNR覆盖能力。

经过4G／5G多系统仿真，结果显示仿真中的

dBm+1T4R，其上行边缘速率降低到1．9

TD—LTE、2．6 GHz

3D—MIMO水平。建议使用SA

表3覆盖能力评估仿真参数

图5 5G NR仿真覆盖站间距对比结果

万方数据

j· u

喜2。

番15

一

瑙l。

。5

J^I

400m

蘑正

350m

I，256

一I

。

300m

■l

800～ⅡIz FDD

9GHzTD—LTE

2．280

0．334

O．712

O．187

0 107

—2．6GHzTD-LTE

059

0．035

0．114

107

3D—MIMo

■2．6 GHz

—2．6 GHz

0．360

O．194

861

0477

0．272

0．349

O，102

SA一128阵子

592

—2,6GHzSA-192阵子

■2 6GHzNSA-NR

1．091

0．349

0，182

0．592

O，182

349

102

09l

●3．5GHzNR

●4．9GHzNR

0．349

图6

NR系统上行业务信道覆盖能力仿真

进行组网以得到更好的上行业务体验。

所示，由于下行带宽优势和终端4R接收能力的提

升，2．6 GHz下的5GNR系统速率较LTE系统显

著提升，在300／350 m站间距下，边缘速率可达

2．6 GHz下的5GNR系统下行业务覆盖能力

强。5G NR系统下行业务信道覆盖能力仿真如图7

l。。

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2。

麓羹

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I～耋

300m

350m

400Ill

■1 800M№FDD

_I．9GHzTD-LTE

■2．6GHzTD—LTE

■26GHz3D—MIMO

—2．6 GHz

SA一128阵子

m2．6 GHz

SA一192阵子

■2．6 GHzNSA．NR

■3．5 GHzNR

■49GHzNR

图7

NR系统下行业务信道覆盖能力仿真

万方数据

研究与开发

· 110·

ofthe

ceedings

IRE，1946，34(5)：254-256．

到93 Mbit／s和70 Mbit／s。2．6

GHz的覆盖能力较

lnl

王璇．5G地面移动通信系统中电波传播若干问题[D]．西安：

西安电子科技大学，2015．

一

强，且带宽充足，5G NR可使用2．6 GHz进行室

WANG X．Several

of radio wave

in 5G

problems

propagation

外基础覆盖。

terrestrial mobile communication

University,2015．

system[D]．Xi’an：Xidian

5结束语

杨光，陈锦浩．5G移动通信系统的传播模型研究[J】．移动通

信，2018，42(10)：32—37．

本文讨论了影响5G覆盖能力的因素，在对比

了3种传播模型路径损耗后，选取了3GPP

TR38．901中城区室外非视线传播模型，使用当前

主流空口和天线参数进行了多系统仿真。通过对比

多系统主要信道覆盖能力，旨在为即将到来的5G

YANG

mobile communication

G CHEN J H．Research

model of 5G

propagmion

system[J]．Mobile Communications，

2018，42(10)：32-37．

on channel model for

from 0．5

to 100

[8】 3GPP．Study

frequencies

GHz：TR38．901[S]．2017．

[9]9

杜滢，朱浩，杨红梅，等．5G移动通信技术标准综述【J】电信

科学，2018，34(8)：1-9．

a1．Review of 5Gmobiletom-

Y，ZHUH，YANGHM，et

munication

technology standard[J]．Telecommunications

GHz

网络建设提供网络规划的理论论证，评估2．6

Sci—

GHz

在5GNR系统中的作用。根据仿真结果，2．6

ence，2018，34(8)：1-9．

[10】朱浩，项菲．5G网络架构设计与标准化进展[J]．电信科学，

2016，32(4)：126-132．

频段下的5GNR在控制信道方面，覆盖能力达到

924

ITI，站间距可达948 m，在现有站址规模情况

ZHU

F．Architecture

and standardization

design

H，XIANG

of 5G

progress

network[J]．Telecommunications Science，2016，

下满足连续覆盖需求，且带宽满足使用需求，可

用作5G室外覆盖的基础层。虽然2．6GHz能够解

决5G连续覆盖问题，但其建设涉及现有网络清频

和4G系统容量压缩等问题。频率资源相对宽松的

32(4)：126．132．

【作者简介]

崔新凯(1985一)，男，中国移动通信集团

设计院有限公司注册咨询工程师，主要研究

方向为无线通信技术和物联网应用。

GHz

中高频段在5G网络中的建设方式以及与2．6

互操作等问题仍是未来网络实际工作中需要面临

的课题，对5GNR的研究将持续跟进。

参考文献：

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇，等．5G移动通信发展趋势与若干

关键技术[J]中国科学：信息科学，2014(5)：551-563．

李豪(1993一)，男，郑州大学信息工程学

院硕士生，主要研究方向为可见光通信理论

技术。

a1．5Gmobile communica—

YOUXH，PANZW；GAOXQ，et

tion

trend and several

development

key technologies[J]．

Siniea(Informations)，2014(5)：551-563．

Base transmission and

Scientia

[2】3GPE

station(BS)radio

reception：TR38．

104[S]．2018．

【3]李清莲．全球5G频谱许可进展[J】广东通信技术，2018，

38(10)：41-44．

L．Global 5G

^LIQ

spectrum licensing progress[J]．Guangdong

高向川(1981->，男，博士，郑州大学信息工程学院副教

授、硕士生导师，主要研究方向为面向新一代宽带移动通信

系统的新理论及技术、可见光无线通信理论及定位技术、人

工智能(机器视觉、机器人和医学图像处理与分析)技术。

Communication

Technology,2018，38(10)：41—44．

[4】工业和信息化部．工业和信息化部向基础电信运营企业发放

5G系统试验频率使用许可[EB】．2018．

and Information

Ministry

Industry

Technology．Ministry

issues 5G

and Information

Technology

license to basic telecommunications

test

system

frequency

operators[EB]．

2018．

杨欢(1985-)，男，中国移动通信集团设计院有限公司工

程师，主要研究方向为无线通信技术和物联网应用。

T．A note on

transmission

simple

[5】FRISS

formula[j]．Pro-

2019181．7

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