打开文本图片集

摘要：合理的频段选择对5G通信系统性能的影响极为重要，本文在5G的网络规划要求下选择合适的传播模型。在明确传播模型前提下得到不同传输频段满足业务速率的覆盖半径。建立仿真5G传播模型，在城市宏基站，城市微基站，农村广范围和室内热点这些不同场景下分别讨论5G通信系统的性能，通过网络需求分析，得到5G系统参数，参数包括发射机功率，接收机灵敏度，解调门限阈值，天线增益，电缆和馈线损耗，衰落余量，建筑物穿透损耗和干扰余量等，从而计算最大允许路径损耗，小区覆盖半径，比较不同频段的覆盖能力并提出合理的组网方案。选取不同传输频段（700MHz、2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz）的5G移动系统，研究5G覆盖能力，并讨论密集市区覆盖场景、一般市区覆盖场景、农村及郊区覆盖场景下的5G频段性能。其中以密集城区5G无线通信系统为例进行链路预算，根据手机业务特性，确定该小区要求的边缘覆盖率，根据区域内的地形地貌选用合适的阴影衰落值以及根据区域内建筑物的实际情况选取合适的建筑物穿透损耗值，用对应的链路预算模型，进行链路预算，并从小区容量和小区覆盖半径两个方面进行讨论，第一方面，通过计算最大链路损耗得到不同频段的覆盖半径；第二方面，考虑了不同频段对小区容量的影响。结合上述两方面的内容得到合理的组网方案，以及组网成本，为运营商的组网建设提出覆盖半径大，覆盖用户多，成本较低廉的建议。

关键词： 5G通信；不同频段；链路损耗；覆盖半径

0  引言

随着5G商用进程的加快，5G系统提供了更广的覆盖率和更高的传输容量，并在移动数据业务和多媒体应用等方面的性能和灵活性得到明显改善。随着移动智能终端的大规模流行和移动互联网业务的强劲推动，加之物联网应用需求的激增，以“高速率、低时延、海量连接”为标志的需求与日剧增。关于5G愿景，ITU在2015年6月发布了5G运用标准。确立了5G关键能力和主要应用场景，5G概念和技术路线也渐渐清晰。提出了5G发展愿景，传输关键技术指标，运用场景，传输系统候选频段和候选技术。5G这个移动通信系统，采用毫米波通信，并同时采用了新型调制编码、Massive MIMO、新型多址、同时同频全双工通信等一系列技术。非常适合非对称数据业务信道具频谱利用率高、不需要成对频带、灵活性强、系统设备成本低这些优点。

对移动运营商来说，建网初期运营商非常关心的覆盖问题是：系统所能提供的服务容量和服务速度，其中对于系统质量来说，系统的覆盖范围是体现服务质量的重要方面。通常在建网初期，为了实现快速部署网络，扩大覆盖范围，提供广覆盖移动网络解决方案网络覆盖问题，因为覆盖范围作为衡量网络质量的重要指标，所以需要比较不同传输频段的覆盖半径，选出合理的组网频段，对5G通信覆盖性能的讨论极为重要。

1  5G通信系统概述

1965年春，第一颗商用卫星“晨鸟”进入静止轨道，成为第一代“国际通信卫星”，简称IS-I。目前已经历八代。从卫星通信系统技术体制方面来看，经历了从初期的模拟（调频）通信到数字通信的过程；支持的业务也从初期的窄带语音、电视转播，到目前的“直接到户”DTH（Direct To Home，用于电视、数据广播接收）、直接个人系统Direct PC（提供Internet业务）、移动通信业务（如由66颗低轨卫星的“Iridium”（铱）系统支持的手持机）和宽带综合业务；频段方面已从最初的C波段发展到Ku、Ka波段。除INTELSAT，国际海事卫星通信组织（INMARSAT：INternational MARitime SATellite Organization。已更名为国际移动卫星通信组织INMARSAT：International Maritime Satellite Organization），美国的泛美卫星（PanAmSat ）等全球通信系统外，还有如欧洲、北美（美国、加拿大）、南美（巴西）、中国、印度尼西亚、澳洲、中东和日本等许多地区或国家拥有的区域性卫星通信系统。

1.1  5G系统特点

为了满足通信设备数的增加，通信系统从1G到4G演变，满足了当时的通信需要，但随着万物互联概念的提出，人手一部智能手机的现象已成生活常态，使得通信业务量成倍增加，业务和数据量的井喷，移动互联网也在悄然发生变化，“人与人，人与物，物与物”之间互联互通对通信系统的承载量发起冲击，根据ITU-2020《5G需求与愿景白皮书》的内容，5G在2020年开始了商用进程，全球通信业迅速掀起了5G研究热，包括标准化组织，各国政府，通信产业公司，高校都把5G作为研究方向。5G的构建将会给我们带来一个万物互联的平台，搭建全方位的信息圈，完成“信息随心至，万物触手及”的规划构想。5G主要有以下三个特点：1.高速率。移动通信技术在社会发展的方方面面起着重要的作用，无线数据的爆炸式增长，导致数据速率指标很重要，5G的系统容量相对于4G系统要提高1000倍，边缘用户的速率达到每秒百兆比特，用户的峰值速率甚至达到了每秒千兆比特。这么快的速率可以提升网络的质量，高效率的利用网络资源，满足人们视频在线通话，高清视频播放，虚拟现实这些高数据流量。2.低时延。为了满足工业物联网的要求，系统通信时延必须进一步降低。相对于4G传输系统，时延将缩短5-10倍，已提供真正的端到端的可靠连接[2]。5G系统低延时的特性将很好的在工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训、远程手术等方面体现通信的实时性。3.海量连接。对于个人而言，手机将可以完成支付，购物，学习，办公，休闲，娱乐，银行，医院，出行，养老等生活中的方方面面，手机与现代人的生活息息相关，这使得单位覆盖面积内支持的器件数目极大增长， 5G连接器件数目达到每平方千米100万个。搭建起大量的通信网络连接场景，如新零售、自动驾驶、智慧城市等，带来安全、连接和拓展性方面的机遇。

1.2  5G性能指标

现在，5G已经商用，为了达到5G的规划要求，网络部署和运营效率需要大幅度增加，相关要求如表1所示，性能指标包括0.1～1Gbit/s的用户体验速率，接入网移动设备数达到每平方千米100万，1ms的空口时延，10Gbit/s以上的峰值速率，每小时500千米的移动范围。既包含新的无线接入技术，又是在传统无线技术的基础上进行增强的技术。

IUT-R划分5Ｇ运用场景为三个类如表2所示。

其中中第一类是运用于移动互联网的增强移动带宽场景，简写是：eMBB，第二类是运用于物联网中海量机器连接场景，简写是：mMTC，第三类是要求超低时延的可靠连接场景，简写是：uRLLC。其中第一类eMBB又可以划分为局域热点覆盖和广域连续覆盖两种运用场景。局部热点覆盖场景主要面向局部热点区域覆盖，具有极高的流量密度，极高的数据速率，广域连续覆盖场景的目标是保证业务的互通和移动用户的互联，是移动通信最基本的运用场景，大容量物联网场景（mMTC）中，终端分布范围广泛，数量众多，要求网络有支持千亿连接的能力，满足每平方千米百万的连接数密度，最后一类，高性能物联网场景（mMTC），主要用于工业制造业和智能车联网方面，这些运用场景对端到端的时延和可靠性有着很高的要求。

2.0  不同频段数据链路预算及其覆盖半径

为了比较不同频段的覆盖能力，需要通过网络需求分析，得到5Ｇ系统参数，包括发射功率，接收灵敏度，解调门限，天线增益，电缆损耗，衰落余量，穿透损耗和干扰余量等，计算得出了数据链路。

2.1  频段划分

3GPP定义了FR1和FR2两个频段，FR1对应的频段为450MHz～6GHz，FR2对应的频段为24.25 GHz～52.6 GHz，我国工信部在2018年12月发布三大运营商的全国范围5G中低频段实验频率，如下表3。

2.2  网络需求分析

不同业务的所需边缘速率要求不同，根据前面介绍的ITU-R划分的三个场景，根据场景特点列出场景业务，传输场景如图1所示。

2.2.1  密集人员流动区

密集住宅区5G业务包括视频会话，4K高清视频播放，8K高清视频播放，在线游戏，虚拟现实，云储存和消息业务等，具体要求如表4。

按照现行城市规划法规的规定，密集住宅区人口密度=1平方千米550平方千米/人1平方千米=10万人/平方千米。按照5G终端激活率为30%，5G终端密度=10万人/平方千米1.2个/人0.3=3.6万个/平方千米。

2.2.2  室内热点模型

室内热点场景5G业务包括视频会话，云桌面，数据下载，云存储，消息业务等。具体要求如表5。

2.2.3  广域覆盖

广域覆盖场景中5G业务包括视频会话，视频播放，增强现实，视频监控以及消息等。具体要求如表6。广域覆盖场景人口密度为1万人/平方千米。按照5G终端激活率为30%，5G终端密度=10万人/平方千米1.2个/人0.3=3600个/平方千米。

2.3  解调门限与RB分配

解调门限是指信号与干扰加信号比门限，简称为：SINR为有用信号相对于噪声的比值，计算接收机灵明度时需要用的 SINR，SINR与MIMO方式，MSC，系统信道类型，多址方式，频段，移动速度，误块率（BLER）等因素有关，数据传输速度加快时，系统对SINR的要求越来越高，SINR不满足调制要求时，会导致数据业务的总体速率变低，会导致系统解调过程中误码率变高[7]。所以需要确定系统条件和配置时，获得对应的信道SINR。当系统采用100M带宽，30千赫兹的子载波间隔时，系统RB数为273，全频段发送91728000个符号数，采用2.5MS双周期的帧结构后，下行符号数占比为64.29%，此时可用于承载业务的符号数58971932，系统的下行边缘速率为100Mbit/s时，满足下行边缘速率的的符号效率为1%10^8/58971932=1.6954。其他速率的符号速率和SINR如下表7所示。

MSC决定了SINR，决定了高阶调制过程中的门限值，而MSC等级还与RB有关，在OFDM/NOMA调制方式下，分配的RB个数测算方式为：

其中，V是业务速率，FMSC是采用特定的MSC信道所对应的频谱效率，SMSC是RB子载波带宽，是当子载波为15、30、60、120、240千赫兹时，一个RB所占用的12个连续子载波的宽度，PC是链路开销。

2.4  发射功率

业务传输方向不同，分为从移动台到基站的上行信道以及从基站到移动台到下行信道，所以发射功率要考虑基站到发射功率和移动台的发射功率，两者是不一样的，基站发射功率按照部署场景不用，需要选择不同的功率，选择中低频段进行传输频段，对应的发射功率要大于或等于表中的功率值，对于5G系统，基站发射功率取值为43dB。3GPP定义的发射功率动态范围如表8所示。

同理移动台的发射功率在不同频率范围有所不同，选取中低频段时，移动台终端使用全向天线，有天线连接端口，3ＧPP规定了不同频段的功率等级。见附录一。其中，功率等级3是默认功率等级，即终端最大发射功率为200mw（23dB）。

2.5  接收机灵敏度

业务接收机灵敏度是在输入端无外界噪声或信号干扰时，在所分配到的资源带宽内，理论上，满足业务质量要求时的能接受的信号的最小接收信号功率值。接收机灵敏度=背景噪声功率谱密度+10%log10（子载波间隔）+10%log10（需要的子载波数）+噪声系数+解调门限。背景噪声功率谱密度就是噪声密度，在电磁波大气传输信道中，等于玻尔兹曼常数K与温度Ｔ的乘积，为-174dBm/Hz。子载波间隔为30千赫兹时，基站噪声系数为2.3dB，移动台噪声系数为7dB。

2.6  天线增益

与传统双通道天线和8通道天线相比，5Ｇ基站的大规模MIMO天线具有使用频段高，天线矩阵体积小，并且天线矩阵数量更多，天线综合增益更高，从而实现效率最大化。常见频段5Ｇ大规模MIMO天线增益如下表9所示。

2.7  发射功率

5Ｇ最大链路损耗的计算可根据路径的不同分为上行最大路径损耗和下行最大路径损耗，计算上行最大路径损耗时，所用传输信道是指用户端到基站的部分，计算下行最大路径损耗时，所用传输信道是指基站到用户端的部分。上行最大路径损耗和下行最大路径损耗的计算与发射机功率，接收机灵敏度，解调门限阈值，天线增益，电缆和馈线损耗，衰落余量，建筑物穿透损耗和干扰余量等这些量有关，得到5G传输过程中的发射机功率，接收机灵敏度，解调门限阈值，天线增益，电缆和馈线损耗，衰落余量，建筑物穿透损耗和干扰余量这些值以后带入计算式，就可以计算得出上行最大路径损耗，带入计算式，可以计算得出下行最大路径损耗。只有计算出最大路径损耗，才能计算小区覆盖半径，具体过程为：第一步，得出最大路径损耗；第二步，根据信号传输场景，选择合适的路径损耗模型；第三步，带入表10得出不同传输频段的覆盖半径，从而比较出不同频段的覆盖能力。

在表10中，信号传输为非视距传输是在计算5G信号传输路径损耗时，不同场景可以分为直射视距路径（LOS）传输和非直射视距路径（NLOS）传输两种情况。

其中常用的传输场景包括：1.Umi LOS，Umi LOS是指在城市场景中基站分布采用微基站的方式，信号传输为视距传输；2.Umi NLOS，Umi NLOS是指在城市场景中基站分布采用微基站的方式，信号传输为非视距传输；3.Uma LOS， Uma LOS是指在城市场景中基站分布采用宏基站的方式，信号传输为视距传输；4.Uma NLOS， Uma NLOS是指在城市场景中基站分布采用宏基站的方式，信号传输为非视距传输；5. LOS是室内热点传输场景，信号传输为视距传输；6.  NLOS是室内热点传输场景，信号传输为非视距传输；7.RMa LOS是指在城市郊区和农村等地形开阔场景中的大范围连续覆盖场景， 信号传输为视距传输。

在Umi，Uma情况下MATLAB仿真路径损耗随距离的变化如图2所示

2.8  上行链路的预算

5G上行链路的损耗计算式：

PL-UL=PUE-LM-SNR-GMIMO-LKJ-LP-MF-MI

其中PL-UL是上行最大路径损耗，PUE是手机的最大的发射信号功率，LM是人体损耗，SNR是基站接收机灵敏度，GMIMO是MIMO天线增益，LKJ是馈线和接头损耗，LP是建筑物穿透损耗，MF是阴影衰落余量，MI是干扰余量。

在取定上文的典型参数和常规参数前提下，传输频段选取为3.5G，并将传输场景设置为密集市区，以10，20Mbit/s数据业务为例， 5Ｇ上行链路的业务信道链路预算如表11。

根据表计算上行速率下的覆盖小区半径时，当上行速率选择10，20Mbit/s（满足高清视频业务需求）等几个典型速率条件下，分析选取一般城区，密集城区，郊区或农村几个典型场景进行覆盖半径的计算，覆盖半径如下表12所示。

2.8  上行链路的预算

在取定上文的典型参数和常规参数前提下，传输频段选取为3.5G，传输场景选择密集市区传输情况，以10，20，30，50，100Mbit/s数据业务为例，给出5Ｇ下行链路的业务信道链路预算。

5G下行链路的损耗计算式：

PL-DL=Pout-LM-SNR-GMIMO-LKJ-LP-MF-MI

其中PL-DL是下行最大路径损耗，是基站最大的发射功率，LM是人体损耗，SNR是基站接收机灵敏度，是MIMO天线增益，LKJ是馈线和接头损耗，LP是建筑物穿透损耗，MF是阴影衰落余量，MI是干扰余量，如表13所示。

同理计算下行速率下的覆盖小区半径时，当下行速率选择10 Mbit/s，20 Mbit/s，30 Mbit/s，50 Mbit/s，100Mbit/s 等几个典型速率条件下，分析选取一般城区，密集城区，郊区或农村几个典型场景进行覆盖半径的计算如表14所示。

如图3在上行信道传输场景中，覆盖能力最强的是郊区及农村传输场景，传输速率为10 Mbit/s，20 Mbit/s（满足视频通话要求）时覆盖半径可达727.780m，660.693m。最小的是密集城区场景，在相同传输速率情况下覆盖半径分别为433.511m，393.550m。同时，边缘速率要求低时比边缘速率要求高时覆盖半径更大。

在下行信道传输场景中，覆盖能力最强的是郊区及农村传输场景，如图4是不同传输速率，不同场景的覆盖半径情况，传输速率为10Mbit/s，20Mbit/s，30 Mbit/s，50Mbit/s，100Mbit/s（满足高清视频播放要求）时覆盖半径分别为948.418m，860.994m，779.830m，696.627m，538.270m。最小的是密集城区场景，传输速率为10Mbit/s，20Mbit/s，30Mbit/s，50Mbit/s，100Mbit/s（满足高清视频播放要求）时覆盖半径为564.937m，512.861m，464.515m，414.954m，320.627m。同时，边缘速率要求低时比边缘速率要求高时覆盖半径更大。

3  结语

在建网初期，为了快速部署网络，扩大覆盖范围，需要提供广覆盖移动网络解决方案网络覆盖问题，覆盖范围作为衡量网络质量的重要指标，所以本文比较不同传输频段的覆盖半径，从而选出合理的组网频段，给出组网建议。对于5G传输系统，主要从两个方面展开研究，第一个方面是5G的使用场景，第二个方面是传输场景中系统特性，并对传播场景中的参数，包括天线增益，接收机灵敏度等定义进行阐述。在这个过程中经过对传输参数的确定，设计了5G传输场景3D仿真，并在完成覆盖能力计算后，进一步将5Ｇ覆盖方案输入5G规划仿真软件Xlabs进行覆盖及容量仿真分析。其中仿真分析流程包括5G规划数据导入、覆盖半径预测、小区基本参数规划、DU+CU业务设置、网络配置与开通几个步骤，得到并分析仿真输出结果，得到关于手机的上行传输容量和下行传输容量直观得到基站端和移动台不同天线配置对手机传输速率的影响。

最后为比较不同频段覆盖能力，得出不同频段的适用范围，计算了不同频段的覆盖半径，计算不同频段的覆盖半径的过程中，运用不同场景的传播模型，根据最大链路预算的计算方法计算最大链路预算，具体过程为：第一步，确定满足业务需求的网络参数，包括发射功率，接收灵敏度，解调门限，天线增益，电缆损耗，衰落余量，穿透损耗和干扰余量；第二步，进行上行链路损耗，下行链路损耗的计算；第三步，计算得出小区覆盖半径，最后，比较不同频段覆盖参数提出组网方案。计算出最大链路预算后，最后比较了不同频段的覆盖能力，提供了能够节省建设成本的组网方案。在选择传输频段时700MHz适合作为广域覆盖频段，但是容量不大，在大容量场景下成本会大幅度增加；高速率，高密度业务应该选择中频段2.6GHz，3.5GHz，4.9GHz作为传输频段。

参 考 文 献

[1]朱智俊，徐杰. 5G时代需探索新的频谱管理模式[J].Technology技术.2019.03.019：19-23

[2]3GPP TS38.211 V15.1.0 Release15.Physical channels and modulation[S].2018.3.

[3]ITU-2020（5G）推进组《5G愿景与需求》白皮书[S].2014，05.

[4]周娇， 李新， 刘磊.5G无线技术. 5G NR覆盖能力研究[J].2018，08：178-181.

[5]陈杨，杨芙蓉，余扬尧.5G 覆盖能力研究[J]. 通信技术，2018，51（12）：2866-2873.

作者简介：赵琳娜（1998—），女，通信作者，主要研究方向：应急卫星通信系统运用.

刘杰（1964—），男，工程师，主要研究方向：电力外送系统研究.