4G/5G無線鏈路及覆蓋差異探討

胡丹

摘要：通過分析無線鏈路中影響覆蓋的關鍵參數，對5G和4G上下行覆蓋差異進行對比。5G 3.5 GHz的下行覆蓋能力占優，理論計算比4G 1.8 GHz強5.8 dB。3.5 GHz上行覆蓋能力存在劣勢，理論計算比4G 1.8 GHz弱10.4 dB。5G 3.5 GHz的上行是覆蓋瓶頸，現有站址密度無法滿足5G覆蓋需求，1：1共站址規劃的同時，需根據網絡覆蓋需求引導5G建設。

關鍵詞：4G/5G;無線鏈路;覆蓋差異

1? ?引言

當前，全球已進入5G商用部署的關鍵期。5G引入了C-band（3.4 GHz—4.9 GHz）和毫米波段，從覆蓋能力和產業支持度上來看，3.5G頻段會是5G初期建網的主力頻段。5G的頻段更高，信號傳播損耗大、信道變化快、繞射能力差。相比4G，5G采用更寬的頻譜，更加靈活高效的空中接口技術及超大規模天線，具有明顯的技術優勢。在規劃中，應充分考慮各項無線性能特點，量化4G/5G的上下行覆蓋差異，指導5G建設。

2? ? 5G與4G無線鏈路差異

5G與4G無線網絡規劃方法基本一致，通過鏈路預算對比覆蓋差異?，F階段5G鏈路預算多為eMBB場景，形式上與4G近似，相當于升級版本的Pre5G。4G/5G主要無線鏈路參數差異如表1所示。

以下對影響4G/5G無線覆蓋性能的關鍵項，如空中接口技術、基站主設備、天饋線、移動終端、傳播模型及穿透損耗進行詳細對比。

2.1? 空中接口技術

5G取消了5 MHz以下的小區帶寬，大帶寬是5G的典型特征。5G定義小區最大帶寬與頻段相關，Sub 6G小區最大小區帶寬為100 MHz，毫米波最大小區帶寬為400 MHz。以100 MHz小區帶寬為例，是TD-LTE單小區20 MHz的5倍。

5G空口繼承4G正交頻分多址技術，同時引入更好的濾波技術，減少對保護帶寬的要求，提升了頻譜利用率。與 LTE上行僅采用 DFT-S-OFDM波形不同，NR上行同時采用CP-OFDM和DFT-S-OFDM兩種波形，可根據信道狀態自適應轉換。CP-OFDM波形是一種多載波傳輸技術，在調度上更加靈活，在高信噪比環境下鏈路性能較好，適用于小區中心用戶。

5G兼容LTE調制方式，同時引入比LTE更高階的調制技術。R15版本最大調制效率可支持256QAM，后續版本會支持1024QAM，進一步提升頻譜效率，提供更高的吞吐量。LTE業務信道采用Turbo碼、控制信道采用卷積碼，5G NR則在業務信道采用LDPC碼、控制信道主要采用Polar碼。LDPC碼可并行解碼，對高速業務支持好，Polar碼則對小包業務編碼性能突出。

相比于LTE采用相對固定的空口參數，5G NR設計了一套靈活的幀結構，加快上下行轉換，減少等待時間。3.5G NR有0.5/1/2/2.5/5/10等多種幀長配置。子載波間隔可選擇15 kHz/30 kHz/60 kHz，子載波帶寬增大，最小調度資源的時長（slot）減小。對應30 kHz，slot為0.5 ms，比4G slot的1 ms減小0.5 ms。uRLLC 0.5 ms時延，30 kHz子載波間隔將成為國內eMBB空口配置首選。5G初期采用TDD制式，上下行配比主要由上下行業務、覆蓋決定，典型的時隙配比有：

（1）2.5 ms單周期，時隙配比4：1（DDDSU）：推薦中國電信、中國聯通采用;

（2）2.5 ms雙周期，時隙配比7：3（DDDSU+DDSUU）：推薦中國移動采用;

（3）5 ms單周期，時隙配比8：2（DDDDDDDDSUU）：推薦中國移動采用。

2.2? 無線主設備

5G RAN架構從4G的BBU和RRU兩級結構演進到CU、DU和AAU三級結構。將4G的BBU基帶部分拆分成CU和DU兩個邏輯網元，而射頻單元及部分基帶物理層底層功能與天線構成AAU。5G組網方式更加靈活，滿足5G需求的多樣化，適合多場景組網。

目前多廠家典型C-band設備發射功率為200 W，即53 dBm。毫米波設備發射功率僅供參考，以廠家實際產品能力為準。

2.3? 天線

對比4G，5G NR采用Massive MIMO技術，天線數及端口數有大幅度增長。Massive MIMO對每個天線進行加權，控制大規模的天線陣列，通過業務信道賦形方向動態調整和廣播信道場景化波束掃描來實現增強覆蓋。賦形增益可以補償無線傳播損耗，用于提升小區等多場景覆蓋，如廣域覆蓋、深度覆蓋、高樓覆蓋。5G射頻模塊與天線結合，一體化集成。3.5 GHz 64T64R配置，單極化天線增益規格為24 dBi，單通道天線增益為10 dBi，其中14 dB為BF增益。4G采用2T2R，外接獨立天線，增益17 dBi。4G/5G天饋系統示意圖對比如圖1所示：

3.5G NR天線垂直半功率角更大，因此在天線近點的場強和干擾抑制更好，特別是對于較高的站點，其覆蓋特性差異更為明顯。4G/5G天線參數對比如表3所示：

2.4? 傳播模型

電磁波的顯著特點是頻率越高，波長越短，越趨近于直線傳播（繞射能力越差）。4G常用的模型是Cost-231。Cost-231模型對Okumura-Hata模型進行了頻率擴展使之適用到2 GHz頻段，

3GPP TR 36.873定義了3D傳播模型，不同場景對應不同尺度衰落模型，相比Cost-231模型，主要區別在于距離項修改為3D距離，引入街道寬度和平均建筑物高度因子，模型公式如下：

TR 36.873支持頻率范圍從0.5 GHz到6 GHz，分為三種模型：Uma、Rma和Umi。Uma/Rma/Umi適用頻段2 GH～6 GHz，TR 38.901演變后擴展到0.5 GHz～100 GHz。因此，模型均適用于5G初期頻段。