基于中繼的5G無線網(wǎng)覆蓋增強方案研究

張海濤

【摘? 要】為了解決5G無線網(wǎng)覆蓋能力較弱的問題，根據(jù)電磁輻射防護限值，研究了Massive MIMO空分多流復(fù)用對下行功率分配的影響，分析了目前覆蓋增強方案SUL可能存在的問題，給出了基于中繼的5G無線網(wǎng)大區(qū)域覆蓋增強方案。

【摘? 要】5G;分布式中繼;SUL;電磁輻射防護

1? ?引言

5G的工作頻段較高，空間傳播損耗和建筑物穿透損耗也都比較高，因此5G的覆蓋面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。盡管有Massive MIMO的波束賦形增益和分集增益來增強系統(tǒng)覆蓋能力，但在4G站址基礎(chǔ)上建設(shè)一張連續(xù)覆蓋的5G網(wǎng)絡(luò)仍存在一定的困難。尤其是5G系統(tǒng)的上行覆蓋，被認為是5G覆蓋的短板，因此也出現(xiàn)了很多5G上行覆蓋增強技術(shù)，比較典型的就是上下行解耦（Supplementary Uplink，SUL）技術(shù)。

SUL的原理：在上下行鏈路覆蓋良好區(qū)域，上下行均工作在高頻。在高頻上行覆蓋能力不足的區(qū)域，上行鏈路切換到低頻，依靠低頻的良好覆蓋能力提升5G上行覆蓋水平。

SUL主要是為了解決5G上下行覆蓋不平衡的問題，通過提高5G上行覆蓋能力擴大5G的有效覆蓋范圍。圖1為SUL的示意圖。

（1）SUL改變了高頻上行覆蓋弱場區(qū)域提供上下行服務(wù)的基站，由此增加了5G系統(tǒng)信號處理方面的信令開銷，如信令同步、資源調(diào)度等。

（2）SUL使用的高低頻工作帶寬不同，在覆蓋良好區(qū)域和高頻上行覆蓋弱場區(qū)域，用戶上行業(yè)務(wù)體驗差異較大。

（3）SUL是基于5G業(yè)務(wù)上下行不平衡的假設(shè)，但在對上行業(yè)務(wù)速率需要特殊保障的場景，SUL的應(yīng)用受到限制。

（4）SUL增加了用戶接入網(wǎng)絡(luò)的頻率，在一定程度上抵消了上下行解耦帶來的節(jié)能降耗增益。

（5）SUL需要基站同時支持高低兩個頻段，需要的頻率資源較多，需要支付額外的頻率牌照使用費、設(shè)備成本和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，由此增加了網(wǎng)絡(luò)成本。

5G上行覆蓋受限的結(jié)論，其前提是下行波束能夠獲得全部下行功率。如果考慮大規(guī)模天線（Massive MIMO）的空分多流復(fù)用，則單流波束能夠獲得的下行功率必然不是基站的全部可用功率，5G下行覆蓋能力也會受到很大的影響。圖2為Massive MIMO空分多流復(fù)用示意圖：

本文分析了Massive MIMO空分多流復(fù)用對下行功率帶來的影響，在此基礎(chǔ)上研究了基于中繼（Relay）實現(xiàn)5G大范圍連續(xù)覆蓋的可行性。

2? Massive MIMO空分多流復(fù)用對下行

功率的影響分析

5G的高速率保障措施，除了高帶寬外，再就是較4G更高的頻譜效率，5G頻譜效率的提升手段除了新型編碼、新型幀結(jié)構(gòu)等外，主要就是采用Massive MIMO。Massive MIMO能夠?qū)崿F(xiàn)空分多流復(fù)用，能夠成倍地提升5G的頻譜效率。

以64T64R Massive MIMO為例，能夠?qū)崿F(xiàn)16流空分復(fù)用，如果每流波束獲得的功率平均分配，若基站全部可用功率為P，則單流波束能夠獲得的功率為（P-12 dB）。即使為了提高基站能量效率采用了優(yōu)化的功率分配算法，為了保證每個波束的覆蓋范圍沒有較明顯的呼吸效應(yīng)，每個波束能夠獲得的最大功率也應(yīng)該有所約束，不能獲得基站全部可用功率。

除了能量效率外，電磁輻射防護要求也是約束單流波束能夠獲得最大下行功率的影響因素之一。

根據(jù)GB8702-2014《電磁環(huán)境控制限制》和YD 5039-2009《通信工程建設(shè)環(huán)境保護技術(shù)暫行規(guī)定》要求，同時基于以下假設(shè)：

（1）基站最大發(fā)射功率：200 W;

（2）Massive MIMO天線增益：24 dBi;

（3）基站饋線接頭損耗：1 dB;

（4）上下行時隙占比：1：4。

若單流波束能夠獲得基站全部功率，則滿足基站環(huán)境評價的天線軸向安全距離為178 m（2 600 MHz）、165 m（3 500 MHz）、139 m（4 900 MHz）。

可以看出，單流波束獲得基站全部功率時，則環(huán)境評價的安全距離與小區(qū)覆蓋半徑基本相當，因此不可接受。

考慮5G與4G基站共址建設(shè)，5G基站與4G基站環(huán)境評價的天線軸向安全距離應(yīng)該基本相同，則單流波束能夠獲得的功率是平均下行功率的2～3倍，即P-7 dB～P-9 dB左右。

如果在鏈路預(yù)算中考慮空分多流復(fù)用對下行功率的影響因子7 dB～9 dB，則下行覆蓋相較上行覆蓋也不再具備明顯的優(yōu)勢，上下行覆蓋能力應(yīng)該在一個基本相當?shù)乃健?/p>

若是基于這個前提，上下行解耦方案不再適合，為了增強5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，還需要采用其他的方案，比如SDL（Supplementary Downlink），但會進一步增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

3? ?基于中繼（Relay）的覆蓋增強方案

3GPP LTE R10在E-UTRAN中引入了一個新的邏輯節(jié)點——中繼節(jié)點（Relay Node，RN）。它通過在宿主基站（Donor eNodeB，DeNB）覆蓋區(qū)內(nèi)引入可“解碼和轉(zhuǎn)發(fā)”的新型邏輯節(jié)點RN，構(gòu)成從終端到RN再到宿主基站的兩跳或多跳接力傳輸。

在5G系統(tǒng)中仍然可以沿用中繼技術(shù)，通過在系統(tǒng)架構(gòu)中引入中繼節(jié)點RN實現(xiàn)終端—RN—DeNB的接力傳輸，從而擴大5G的有效覆蓋范圍。

同時，采用中繼擴大5G上行覆蓋能力，可以克服SUL的一些不足：

（1）中繼可以利用5G高頻的高帶寬優(yōu)勢，保證用戶的上行業(yè)務(wù)體驗。

（2）中繼能夠滿足對上行業(yè)務(wù)需要特殊保障場景的需求。

（3）中繼對網(wǎng)絡(luò)配套的要求較低，易于安裝，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本較低。

在3GPP中，中繼作為LTE-A系統(tǒng)中的一種增強型技術(shù)，目的是局部區(qū)域的覆蓋性能增強，并不是針對大區(qū)域連續(xù)組網(wǎng)的場景。因為4G網(wǎng)絡(luò)宏站覆蓋能力較強，可以實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，因此中繼只是局部應(yīng)用。但5G系統(tǒng)工作頻率較高，覆蓋能力較弱，在現(xiàn)網(wǎng)4G基站站址基礎(chǔ)上同址建設(shè)5G不能實現(xiàn)5G連續(xù)覆蓋。而在目前新建基站日益困難的情況下，大規(guī)模新建基站已經(jīng)不現(xiàn)實，因此，可以考慮利用基站+中繼來實現(xiàn)5G大區(qū)域連續(xù)覆蓋。

移動通信網(wǎng)連續(xù)覆蓋采用正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，因此宏基站+中繼實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，其覆蓋邊緣的包絡(luò)也應(yīng)該是正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)。

宏基站的覆蓋是一個正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，如果擴大覆蓋，需要中繼在其邊緣擴大覆蓋范圍，使其成為一個半徑更大的正六邊形蜂窩。因此中繼的設(shè)置位置和覆蓋半徑非常重要。中繼的覆蓋范圍越小，則宏基站+中繼的覆蓋邊緣越接近正六邊形，但需要的中繼數(shù)量越多，宏基站覆蓋范圍擴展得越有限。中繼的覆蓋范圍越大，則宏基站+中繼的覆蓋邊緣與正六邊形差異越大，但對宏基站覆蓋范圍擴展得越多。因此需要在中繼的覆蓋范圍和覆蓋邊緣與正六邊形的擬合度方面取得一個折中。

蜂窩的正六邊形結(jié)構(gòu)決定了覆蓋區(qū)域的變化并不是各向相同的。假設(shè)宏基站的覆蓋半徑為r，宏基站+中繼的覆蓋半徑為R，小區(qū)覆蓋擴展示意圖如圖3所示：

在選擇中繼時，宏基站主瓣區(qū)域和旁瓣區(qū)域的中繼覆蓋范圍不應(yīng)該一致，且最好主瓣區(qū)域中繼的覆蓋半徑是旁瓣區(qū)域中繼覆蓋半徑的2倍。

為了使得中繼的覆蓋范圍與宏基站的覆蓋范圍盡可能無縫鑲嵌，宏基站覆蓋半徑必須是中繼覆蓋半徑的整數(shù)倍。綜合考慮覆蓋擴展效果和使用的中繼數(shù)量，覆蓋范圍擴展50%是一個比較好的選擇。以5G NR（3.5 GHz）為例，密集市區(qū)5G的站間距在200 m～300 m，如果依托現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，很難實現(xiàn)連續(xù)覆蓋。如果覆蓋半徑增加50%，則5G的站間距為300 m～450 m，這是現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)在密集市區(qū)的典型站間距，使依托4G網(wǎng)絡(luò)站址實現(xiàn)5G連續(xù)覆蓋成為可能。圖4為宏基站+中繼實現(xiàn)連續(xù)覆蓋示意圖：

如圖4所示，r為宏基站覆蓋半徑，r1為主瓣區(qū)域中繼覆蓋半徑，r2為旁瓣區(qū)域中繼覆蓋半徑。其中，r=2×r1，r1=2×r2。在圖4中，紅色區(qū)域為可能的覆蓋弱場。

此時覆蓋弱場的面積約占小區(qū)宏基站+中繼覆蓋面積的10%左右。采用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化手段，在確定小區(qū)覆蓋區(qū)域時，使覆蓋弱場盡可能處于沒有用戶活動的區(qū)域，小區(qū)有效覆蓋率能夠達到90%以上。

此時7個中繼的布置方式如表1所示：

為了保證用戶的有效切換，小區(qū)間有部分重疊區(qū)域，此部分重疊區(qū)域可以縮小覆蓋弱場的面積。

在圖5中，黃色區(qū)域為原來的弱場區(qū)域轉(zhuǎn)變而成的有覆蓋區(qū)域。弱場覆蓋區(qū)域縮小為原來的一半，即通過小區(qū)重疊覆蓋，也能有效減少覆蓋弱場，達到95%以上的區(qū)域覆蓋率。

根據(jù)以上分析，一個小區(qū)需要7個中繼來實現(xiàn)5G的覆蓋擴展，如果每個中繼都需要一個站址，這并不具備工程可實施性。為了解決這個問題，可以采用分布式中繼（Distributed Relay）來解決站址選擇問題。

以5G NR（3.5 GHz）為例，在密集市區(qū)，5G的上行覆蓋半徑在120 m～200 m。中繼站址1帶2個遠端單元，2個遠端單元與站址的距離在30 m～50 m，可以通過CAT5E/CAT6等標準的電纜進行連接，如圖6所示：

如果中繼站址2和中繼站址3也采用遠端單元，中繼站址1帶6個遠端單元，遠端單元與站址的最遠距離在80 m～150 m，可以通過CAT5E/CAT6等標準的電纜或者光纖進行連接，如圖7所示。

每個小區(qū)需要的中繼站址為1～3個，在工程建設(shè)上具備可實施性。

由于現(xiàn)網(wǎng)站址分布的不規(guī)則性，因此在實際建網(wǎng)時，可以根據(jù)覆蓋情況選擇性設(shè)置中繼。具體步驟如圖8所示：

4? ?結(jié)束語

5G一直被認為是上行覆蓋受限系統(tǒng)，這一結(jié)論并沒有考慮Massive MIMO空分多流復(fù)用對下行功率分配的影響。本文從電磁輻射防護的角度，分析了5G單流波束能夠分配的最大下行功率為P-9 dB～P-7 dB，由此得出結(jié)論，5G下行覆蓋較上行覆蓋并不具備優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，本文提出了基于中繼（Realy）的大區(qū)域覆蓋增強方案，不但解決了5G覆蓋能力較弱的問題，而且克服了現(xiàn)有上行覆蓋增強方案SUL的一些固有缺陷。

需要說明的是，本文的部分結(jié)論主要基于理論分析，后續(xù)需要在現(xiàn)網(wǎng)中進行實際測試，以進一步驗證Massive MIMO空分多流復(fù)用對下行功率分配的影響和基于中繼的覆蓋增強方案工程措施的可行性和有效性。

參考文獻：

[1] 3GPP TS 38.213-1 V15.5.0. Physical layer procedures for control （Release 15）[S]. 2019.

[2] 3GPP TS 36.216 V15.0.0. Physical layer for relaying operation （Release 15） [S]. 2018.

[3] GB 8702-2014. 電磁環(huán)境控制限值[S]. 2014.

[4] YD 5039-2009. 通信工程建設(shè)環(huán)境保護技術(shù)暫行規(guī)定[S]. 2009.

[5] GB 9175-88. 環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準[S]. 1988.

[6] 吳偉陵. 移動通信原理[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2005.

[7] 曾媛，徐景，楊馨. LTE-Advanced系統(tǒng)中繼技術(shù)進展[J]. 中興通訊技術(shù)， 2011（5）： 15-19.