2.6GHz下的5G NR覆盖能力分析

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：Adoi: 10.11959/j.issn.l 000-0801.2019181Analysis of 5G NR coverage capability at 2.6 GHzCUI Xinkai1, LI Hao2, GAO Xiangchuan2, YANG Huan11. China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China2. School of Information Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, ChinaAbstract: The current research on 5G new air interface is mainly concentrated in the middle and high frequency

bands. The low frequency band re-cultivation used by 4G is of great significance for 5G-scale contiguous networking,

but there are few studies. On the basis of discussing the factors affecting the radio transmission capability, the urban

outdoor non-line-of^sight propagation model of 3GPP TR38.901 was selected, and the current mainstream air inter­face parameters were used to simulate the multi-system main physical channel propagation capability. By comparing the coverage capabilities of the same physical channels in the 4G and 5G NR bands, the 5G NR primary channel cov・ erage capability in the 2.6 GHz band can achieve contiguous coverage on the existing 4G basis.Key words: 5G NR, 2.6 GHz, wireless link budget, coverage ability, performance evaluation1引言随着移动互联网的不断发展和工业4.0的持

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

续推进，移动通信正迈入万物互联的时代。智能业全面展开了面向2020年及未来的5G通信系统

收稿日期：2019-02-12；修回日期：2019-07-042019181-1-105 •电信科学2019年第8期的研究工作。为了最终满足国际电信联盟

(non-stand alone> NSA)组网架构的 5G 网络，

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

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

(International Telecommunication Union, ITU) 对 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 式叫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

制定，将于2019年12月完成研究工作，在2020

新的空中接口，即5GNR。年3月形成完整的5G标准o3GPP 5G标准制定进 程如图1所示。2015年 | 2016年 | 2017年〔2018年〔2019年〔2020年》RI4: *GSI別倉5鑒星》R16：完*标准〉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，

图1 3GPP 5G标准制定进程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

为规范5G频率使用，3GPP将5G频段范围 定义为FR1和FR2,并确定了 5GNR基站的最低

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。射频特性和最低性能要求[2]o FR1中NR的工作频 段见表1, FR1为中低频段，即sub-6GHz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

2研究背景2.1全球5G研究进展分配报告，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

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

段，该报告显示700 MHz、3 400-3 800 MHz和

表4 FR4中NR的工作频段NR频段号n38上行频段基站接收心E发射下行频段基站发射AJE接收双工方式2 570-2 620 MHz3 300-4 200 MHz3 300-3 800 MHz2 570-2 620 MHzTDDTDDTDDTDD

n77n783 300-4 200 MHz3 300-3 800 MHz4 400-5 000 MHzn794 400-5 000 MHz表2 FR2中NR的工作频段NR频段号n257上行频段基站接收/发射下行频段基站发射/UE接收双工方式26 500-29 500 MHz24 250-27 500 MHz37 000-40 000 MHz27 500-28 350 MHz26 500-29 500 MHz24 250-27 500 MHzTDDTDD

n258n260n26137 000-40 000 MHz27 500-28 350 MHzTDDTDD

2019181-2研究与开发• 106 •24-29.5 GHz为目前5G频谱相关活动的热点频段叫

播距离d增加时，自由空间的传播损耗就越 2.2我国5G进展大同，导致接收端收到的信号功率非常小。2018年12月6日，工业与信息化部向3家运

但现实环境并不满足电磁波自由空间传播的

营商正式发放5G中低段试验频率使用许可证，其

条件，在实际环境中，影响系统覆盖能力地因素 中，中国电信和中国联通获得3 500 MHz频段 除路径损耗外，还有穿透损耗、人体损耗等。因 试验频率使用许可，中国移动获得2 600 MHz

此为评估5GNR的覆盖能力，首先需要建立合适

和4 900 MHz频段试验频率使用许可⑷，标志着 的传播模型。我国正式进入5G部署阶段。由于4G移动通信系统使用3GPP TR36.873 而3.5 GHz和5 GHz频段相比国内运营商已 的传播模型针对的是2~6 GHz,而5G移动通信系

商用的移动通信频率而言，无线传播能力明显不

统使用3GPP TR38.901的传播模型针对的是

足，根据业界市区环境通用的COST.231-Hata无 0.5-100 GHz,均与传统的COST231-Hata传播模

线传播模型计算，3.5 GHz与1.8 GHz在链路预算

型在系统适用频段存在较大差异，且传播模型不 上相差近10 dB,即在现有的站址规模下无法连片 同。对比分析3种传播模型的路径损耗可评估系

覆盖。因此对4G己使用频率2.6 GHz频段重耕可 统传播能力。弥补中高频率无线覆盖能力不足的劣势，达到使

据统计，当前4G业务中超过70%的业务发

用现有站址资源即可达到连片组网的目的。生在城区室内场景，但室外宏基站是5G初期组网 3 5G覆盖能力分析的重点对象，因此对比3种模型在非视距(non-line

of sight, NLOS)下的传播能力意义更强。仿真对

为全面评估5G覆盖能力，首先从传播能力、 比3种模型在2.6 GHz频段下的路径损耗，结果 关键技术、终端能力3个方面分析影响5G覆盖能 如图2所示，3个场景的路径损耗基本一致⑺。力的因素，从而得到覆盖性能评估模型。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⑶:图2 2.6 GHz下3种传播模型路径损耗对比其中，d为传播距离，单位为km； 2为工作波长; 由于3GPP TR38.901协议中各种场景均在

/为电磁波频率，单位为GHz, c为自由空间穿的

0.5-100 GHz频率范围内，因此分析5GNR传播

光速，单位是m/s。模型选取的是3GPP TR38.901协议中的

转化为以频率为参数的dB形式，即：UMa-NLOS,即城区宏基站模型同：L(sdB = 92.65+ 201grf +20 lg/

(2)PLjjMa-NLos = 13.54 + 39.08 lg +

(彳)由式(2)可看出，当电磁波频率/增大或传

20 lg人-0.6(/^-1.5)2019181-3• 107 •电信科学2019年第8期图3下行控制信道波束扫描方式其中，AbS = 25 m , fc 为工 作频率，单位为GHz； d为距离，单位为km。阴影衰落(shadow fading)是指通信过程中

Gaud =PA + 101gNpA +Ghp +Gpp ⑷其中，N»a代表垂直PA个数，Ghp代表天线水平

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

成形增益，Gdp代表天线双极化增益。由于5G NR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，

能力的重要因素之一。当前5GNR链路预算中阴 影衰落余量为9dB,较4G系统高ldB。并釆用不同的权值对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

(2) massive MIMO 天线技术5G 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

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 的改善作用明显。因此5GNR链路预算中上下行

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。干扰余量较当前的4G系统低2 dB«在5G NR与4G天线存在很大差异的情况下，

(3)终端能力由于载波带宽与天线尺寸成反比，5G NR带

以64T64R天线为例，每个X标识一对釆用交叉 极化方式安装的阵子，如图4所示，每个框代表

宽在100 MHz情况下，基站侧和终端侧天线尺寸

多个阵子链接一个功放(power amplifier, PA)。

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，

在双极化因素下，64T64R天线包含64个PA,每 个PA连接3个阵子。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。3.2 5G覆盖性能评估经过分析影响5G覆盖的3方面因素，结合

5G NR链路预算，可得到覆盖距离模型，即5G

覆盖性能评估模型为：PL=TxPower +

v

由此得到天线增益计算式为:- Loss - (SNR + N)PL-13.54-201g心 〃 =10—39.08

(5)2019181-4if 研究与开发• 108 ・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,5G NR系统中2.6 GHz和4.9 GHz 受限站间距分别为924 m和344 m； 2.6 GHz下的

其中，Loss损耗包括穿透损耗、人体损耗、阴影

衰落等，N表示噪声功能。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

5G 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 NR 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［9'101o4G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/so5G NR系统上 行业务信道覆盖能力仿真如图6所示，2.6 GHz

4仿真结果与分析基于第3.2节中得到的5G NR覆盖能力评估

下的5G NR在SA条件下的上行业务信道覆盖能

力优于1 800 MHz和1.9 GHz频率下的4G系统；

模型，利用表3中的主流空口和天线参数进行覆 300 m站间距下2.6 GHz 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

盖能力仿真。5G NR 主要采用 64TR 的 massive MIMO 技

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

23 dBm+lT4R,其上行边缘速率降低到1.9 GHz 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1.8 GHz LTE FDD天线增益/dB1.9 GHz LTE TDD2.6 GHz NR 128TRx152.6 GHz NR 192TRx3.5 GHz NR 192TRx164.9 GHz NR 192TRx17816810/51688/31698/3阴影衰落/dB干扰余量/dB898/310/5138/316穿透损耗/dB131664T64R1964T64R

22系统天线系统功率/W4T4R408T8R401T2R64T64R20064T64R2002T4R262002T4R2002T4R终端天线终端功率/dBm噪声系数/dB1T2R237/3.52T4R2623267/4.5267/47/47/47/5图5 5G NR仿真覆盖站间距对比结果2019181-5・109・电信科学2019年第8期3.02.5=2.0S 1.5報1.010.51L Lil 1 J300 m2.2800.3340.1070■ 1 800 MHz FDD350 m400 m0.7120.1070.0350.1140.2720.3491.2560.1870.0590.1940.4770.5920.1820.5920.182■ 1.9 GHz TD-LTE■ 2.6 GHz TD-LTE■ 2.6GHz3D-MIMO0.360■2.6 GHzSA・128 阵子■2.6 GHz SA・192 阵子0.8611.0910.349■ 2.6 GHzNSA-NR■ 3.5 GHz NR■ 4.9 GHz NR0.1020.3490.1021.0910.349图6 5GNR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

2.6 GHz下的5G NR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70080604020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

■ 1 800 MHz FDD■ 1.9 GHz TD-LTE■ 2.6 GHz TD-LTE■ 2.6 GHz 3D-MIMO282011168158411285664641615939393■2.6 GHz SAJ 28 阵子■2.6GHzSA・192 阵子

■ 2.6 GHzNSA-NR■ 3.5 GHz NR■ 4.9 GHz NR6470702536000图7 5GNR系统下行业务信道覆盖能力仿真2019181-6瓷戈入研究与开发• 110 ・ceedings of the IRE, 1946, 34(5): 254-256.[6] 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.到93 Mbit/s和70 Mbit/s。2.6 GHz的覆盖能力较

强，且带宽充足，5GNR可使用2.6 GHz进行室 外基础覆盖。WA.NG X. Several problems of radio wave propagation in 5G

5结束语本文讨论了影响5G覆盖能力的因素,在对比

terrestrial mobile communication system[D]. Xi'an: Xidian University, 2015.[7] 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.YANG G, CHEN J H. Research on propagation model of 5G

T 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

mobile communication system[J]. Mobile Communications, 201&42(10): 32-37.[8] 3GPP. Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100

GHz: TR38.9O1[S].2O17.[9] 杜淳，朱浩，杨红梅，等.5G移动通信技术标准综述[J].电信

科学,201 & 34(8): 1-9.多系统主要信道覆盖能力，旨在为即将到来的5G 网络建设提供网络规划的理论论证，评估2.6 GHz

DU Y, ZHU H, YANG H M, et al. Review of 5G mobile com­munication technology standard]J]. Telecommunications Sci­

在5G NR系统中的作用。根据仿真结果，2.6 GHz

ence, 2018, 34(8): 1-9.频段下的5G NR在控制信道方面，覆盖能力达到

924 m,站间距可达948 m,在现有站址规模情况

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2.6 GHz能够解

[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.ZHU H, XIANG F. Architecture design and standardization

progress of 5G network[J]. Telecommunications Science, 2016, 32(4): 126-132.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

[作者简介]中高频段在5G网络中的建设方式以及与2.6 GHz

崔新凯(1985-),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

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。方向为无线通信技术和物联网应用。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-),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。YOU X H, PAN Z W, GAO X Q, et al. 5G mobile communica­

tion development trend and several key technologies[J].

Scientia Sinica (Informations), 2014(5): 551-563.[2] 3GPP. Base station (BS) radio transmission and reception: TR3&

104[S]. 2018.[3] 李清莲.全球5G频谱许可进展[J].广东通信技术，201&

38(10):41-44.LI Q L. Global 5G spectrum licensing progress[J]. Guangdong

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

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

5G系统试验频率使用许可[EB]. 2018.系统的新理论及技术、可见光无线通信理论及定位技术、人

Ministry of Industry and Information Technology. Ministry of Industry and Information Technology issues 5G system test

frequency license to basic telecommunications operators[EB].

工智能(机器视觉、机器人和医学图像处理与分析)技术。201&[5] FRISS H T. A note on a simple transmission fbrmula[J]. Pro­

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。2019181-7