5G新空口技术可大幅改善覆盖性能

中兴通讯首席科学家　向际鹰

　　2017年，多家厂商发布关于5G的相关软硬件设备，5G标准加速。随着5G可用频谱资源的梳理，4G与5G网络融合的架构日渐明晰，5G网络的测试和部署被移动运营商提上日程。

　　当我们真正开始考虑5G网络部署的时候，5G覆盖成为业界最为关心的一个问题。为了尽可能获取更大的频谱带宽，5G网络通常部署于更高的频段，根据无线传播特性，频率越高，传播损耗越大，基站的覆盖能力也就越弱。

　　业界普遍认为，5G网络的主流频段3.5GHz与4G的1.8GHz相比，传播损耗要多3dB，穿透损耗多6dB，再加上4G在1.8GHz是频分（FDD）连续发射，而5G是时分（TDD）间隙发射，这又带来约5dB的损耗，总共损耗多达14dB。对于这14dB差距，为了支持连续覆盖，按照以往算法，需要增加数倍的基站才能弥补。这将出现新站选址问题，并带来高昂的网络建设成本。4G网络已经部署了数百万个基站，在密集城区，4G基站的站间距通常已经小至几百米，如果5G网络还需要新增数倍的站点，这对运营商而言将是一项难以完成的艰巨任务。中兴通讯认为，3.5GHz的5G网络与4G网络共站部署完全可行。

　　中兴通讯认为在采用大量新技术之后，5G网络不但可在容量上大幅超越4G，在网络覆盖方面，最终也能实现不弱于4G网络的覆盖。如此一来，在4G网络原有的站址基础上部署5G网络设备，不用新增基站，且提供5G网络连续覆盖就成为可能。这对于运营商而言意义重大。

5G网络覆盖可优于4G

　　以往理论在评估一个系统的覆盖时，是通过计算链路预算的方法。但传统的链路预算计算方法在5G时代已经不合适。因为其计算过程存在三项不合理的假设，无法体现5G新技术对覆盖所产生的收益。

　　链路预算的第一个假设是：整个小区只有一个用户。但这项假设并不合理，实际上一个小区存在多个用户，在多用户条件下，用户实际体验的覆盖范围远弱于基于单用户计算出来的链路预算值。而5G标准中大量使用空分复用技术，通过空分复用技术，不但可成倍提升容量，还可使得在多个用户共存时，覆盖不收缩或仅少量收缩。从而在以链路预算方法结果不如4G的情况下，实际覆盖达到甚至超过4G网络。

　　链路预算的第二个假设是：小区唯一的用户位于垂直波瓣的最佳位置。同样，这项假设也不合理。通常基站天线的半波角只有6度左右，用户绝大多数情况下并不在最佳方向角内，用户实际体验覆盖范围弱于链路预算值。而5G标准由于采用多天线数字波束技术，可以动态跟踪用户，因此在用户实际体验时，覆盖不会下降或仅少许下降。

　　链路预算的第三个假设是：整个区域只有一个小区，没有其他小区。但实际上在城区，小区非常密集，很多用户并非属于覆盖受限，而是干扰受限。这会导致实际体验覆盖远弱于链路预算值。而5G标准的多天线空分复用技术在提升容量的同时，也抑制了相邻小区的干扰，从而进一步改善了网络覆盖。

　　同时，链路预算在多数情况下以计算数据信道（PUSCH）为依据，但实际上往往是控制信道PUCCH、PDCCH或SRS受限。在5G标准中，通过预编码、预置波束等方法实现了控制信道的覆盖增强，使控制信道不再成为覆盖瓶颈。

　　一方面，5G新空口技术对链路预算有直接提升作用，例如通过基站、终端的多天线技术以及终端大功率发射，可以补回前述14dB差距；另一方面，很多5G新空口技术对容量提升有很大帮助，却体现不到传统的链路预算方法中。

　　基于上述分析，中兴通讯认为在采用大量新技术之后，5G网络不但可在容量上大幅超越4G，在网络覆盖方面，最终也能实现不弱于4G网络的覆盖。如此一来，在4G网络原有的站址基础上部署5G网络设备，不用新增基站，且提供5G网络连续覆盖就成为可能。这对于运营商而言意义重大。
 
5G与4G共站建设完全可行

　　通过仿真分析，我们得出在2Mbps小区边缘保障速率条件下，密集城区3.5GHz的5G基站（上行时隙占比20%）非常接近于1.8GHz的FDD LTE（双极化天线）覆盖范围，优于2.6GHz的FDD LTE和TDD LTE（8天线配置）覆盖范围。如果采用更高的小区边缘保障速率，则3.5GHz的5G基站覆盖范围与1.8GHz的FDD LTE依然持平，但相对于2.6GHz的FDD LTE以及1.9GHz/2.6GHz TDD LTE的优势则更为明显。

　　图1仅体现了基于单用户链路预算条件下的基站覆盖对比，那么在多基站组网以及多用户使用的场景下，5G网络相对于4G网络的性能更为优越。从图2的系统仿真结果中不难看出，在ISD=300m，每小区20用户的场景下，5G网络的小区边缘用户上行吞吐量是1.8GHzFDD LTE网络的3倍，是1.9GHz TDD LTE网络的4~5倍；小区平均上行吞吐量大致是1.8GHz FDD LTE网络的2倍，1.9GHz TDD LTE网络的4倍左右。

　　基于以上仿真分析，中兴通讯认为，5G与4G的共站建设是完全可行的，这将大大节约5G基站的选址、建设成本。

空分复用对于提升网络覆盖的重要作用

　　被认为是5G标准中最关键的技术SDMA（空分复用），对于提升网络覆盖发挥的作用也不容小视。SDMA技术对于不同的5G频谱可以发挥不同的作用：在6GHz以下频段，由于频谱资源稀缺，覆盖相对较好，SDMA技术主要用来提升网络容量；对于6GHz以上的高频段，频谱资源相对丰富，覆盖成为短板，SDMA技术主要用于提升覆盖。

　　在6GHz以下频段，每个运营商能获取的频谱带宽资源相对于高频段而言仍然非常有限，因此空分复用技术对采用3.5GHz低频段建网的移动运营商而言尤其重要。

　　自2013年，中兴通讯开始研究SDMA技术，是最早从事SDMA技术研发的公司。中兴通讯率先将5G空分复用技术的典型代表Massive MIMO应用到4G网络中，使现有4G用户不用更换终端就能提前享受到类5G体验。利用在SDMA技术方面的领先优势,中兴通讯相继发布了TDD Massive MIMO产品和FDD Massive MIMO产品，其中TDD Massive MIMO产品已在日本软银规模商用，使流量热点的容量瓶颈得到了高效缓解。中兴通讯通过SDMA技术在4G商用网络中积累的大量真实场景数据和丰富的商用经验，为5G Massive MIMO的产品开发和商用打下坚实的基础，加速推动了5G网络的成熟和商用化进程。

　　借助对5G新空口技术的深入的分析和创新，5G的覆盖问题得到有效的提升，中兴通讯认为3.5GHz的5G网络与4G网络共站部署完全可行。5G与4G共站建设，不仅简化了5G网络部署的难度，而且可为运营商节约大量网络投资，为4G向5G的演进搭建了一条平滑升级之路，加速5G商用部署的进程。