5G網絡覆蓋方案淺析

李美麗，于駿初

（1.國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041；2.國家無線電監測中心，北京 100037）

0 引言

5G正式商用已有兩年多時間，我國5G應用正從“試水試航”走向“揚帆遠航”。目前，全國5G應用創新案例覆蓋22個國民經濟重要行業，在工業制造、醫療等多個領域應用場景落地[1]。5G網絡依靠大帶寬、低時延、廣連接的特性為多場景應用的實現提供了網絡基礎，穩定的網絡覆蓋則是基礎中的基礎。

從4G時代影像傳輸和實時通信應用開始已經對穩定的網絡覆蓋提出要求，擴大覆蓋方式主要有分布系統覆蓋、小基站覆蓋和直放站覆蓋三種方式。當5G進入毫米波時代，不止樓宇等大型建筑物，即便廣告牌、樹枝等較小物體也將阻擋通信鏈路，尤其終端在移動場景、室內場景和小區邊緣時，網絡穩定性均面臨較大挑戰。5G網絡可借鑒4G網絡中覆蓋方案，然而高出4G網絡2至3倍的能耗也是擺在行業面前不可回避的困難，設備制造商正在通過簡化網絡設備配置、補充清潔能源等方面降低系統能耗。3GPP技術演進和可重構智能膜表面技術的出現給網絡覆蓋指出了新方向。

1 傳統覆蓋解決方案

1.1 融合室內分布系統

5G室內融合分布系統結合了傳統分布式皮基站和無緣室內分布天線系統（DAS），有如圖1所示的由多個分布式皮基站分別搭載分布式天線組建小區，有圖2所示的由單一基站搭載分布式天線組建小區。

圖1 多基站組建小區

圖2 單基站組建小區

根據不同速率需求的使用場景，可設置采用的連接方式、搭載不同類型天線，以及天線的連接方式、天線類型。對于低速文字瀏覽，皮基站連接4個功分器，每個功分器連接4個1T1R天線，提供單流數據傳輸；對于中速普通視頻業務，皮基站連接4個功分器，每個2個器連接4個2T2R天線，提供雙流數據傳輸；對于高速高清視頻業務，8個4T4R天線連接皮基站，提供四流數據傳輸。

1.2 小基站覆蓋

小基站功率在毫瓦到瓦級別，覆蓋半徑在十米到幾十米之間，適用于室內覆蓋或者室外填補宏基站網絡覆蓋漏洞，融合室內分布系統中的皮基站是小基站的一種。圖3展示了室外填補網絡覆蓋漏洞的場景。

圖3 小基站覆蓋場景

5G網絡頻率高于4G網絡，更容易因建筑物遮擋和路徑損耗出現網絡覆蓋漏洞。當漏洞范圍小或者在景觀區、文物保護區及居民區等不能架設基站或者不易架設基站的場景下，可以選擇如圖3中的燈桿基站等具備偽裝功能的小基站。

1.3 中繼覆蓋

在增加覆蓋范圍但不要求增加系統容量的場景下，可采用架設直放站方式擴大覆蓋范圍。相比較架設小基站，架設直放站的投資較小，覆蓋靈活，建網迅速。圖4展示了在室外環境中采用直放站擴大覆蓋范圍場景，圖5展示了在封閉路徑的室內場景中通過增加微功率直放站方式進行區域覆蓋。

圖4 室外光纖直放站場景

圖5 室內直放站場景

1.4 GPP技術迭代上行覆蓋增強

受限于5G終端設備的尺寸和電池容量，在滿足足夠續航能力的前提下，終端的發射功率通常較少，而基站通常有專屬架設位置對尺寸要求低，并且擁有充足可不間斷的供電，這就導致了基站發射功率遠高于終端，因此上行覆蓋范圍較下行覆蓋范圍小，如圖6所示。為了保持覆蓋的連續性，在進行網絡規劃時通常以上行覆蓋半徑為基準計算站間距，這樣做一方面增加了站點建設的需求數量，另一方面由于小區邊緣的下行信號強度較大，導致小區間干擾嚴重[2]。

圖6 上下行覆蓋范圍

從3GPP R15開始，協議中包含了多種上行增強技術，例如，雙連接（EUTRA-NR Dual Connectivity,EN-DC）、載波聚合（Carrier Aggregation, CA）、上行補充載波（Supplementary Uplink, SUL）[3]。在圖7所示的EN-DC架構中，終端有4G、5G兩條路徑到達核心網，當基站不在終端5G上行覆蓋范圍時，切換到4G網絡保證良好的小區邊緣覆蓋。

圖7 EN-DC架構

CA將同頻段或不同頻段的資源進行聚合供終端使用，可進一步分為帶內和帶外載波聚合，其中帶內聚合同頻段載波，帶外聚合不同頻段載波。SUL利用較低頻率進行上行覆蓋。在3GPP R16中引入了UL Tx Switching對EN-DC、CA、SUL進行了增強。在3GPP R17中針對上行物理共享信道（PUCCH）開展相關研究。在3GPP R18中繼續針對覆蓋增強技術需求，確定了工作方向。

2 可重構智能膜表面提升覆蓋性能

可重構智能膜表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS），又稱智能反射面或大型智能面，由一系列反射元件組成[4]。RIS旨在作為具有可重構的空間電磁波調控器，智能地重構收發機之間的無線傳播環境[5]。電磁波經RIS反射或透射后在空間上疊加，干涉相消的電磁信號能量衰減，干涉相長的電磁信號能量增強。根據RIS的這種特性，可將其作為基站和用戶的中間節點，代替有源中繼中功放單元，因此將RIS技術應用于5G通信系統中，可大大降低5G網絡能耗，實現行業的綠色發展。

可將RIS部署在基站和覆蓋盲區之間，通過反射直射路徑信號使位于盲區的被遮擋終端與基站建立有效連接，保證盲區用戶覆蓋。在如圖8的室外場景中，RIS部署在基站和小區邊緣之間，使得邊緣終端既能收到基站直射路徑信號，也能收到反射路徑信號，提升邊緣用戶信號質量[6]。RIS部署在建筑物內部，即能反射架設在建筑物中的基站信號，也能反射架設在建筑物外的基站信號，使信號“穿透”墻面[7]。

圖8 RIS室外場景

在應用方式上，RIS可以是完全無源的，RIS內置電路預設不同的波束方案，利用形狀尺寸來調節入射方位，更適用于小范圍補盲，技術難度和實現成本較低。當環境復雜需要對波束和信道進行實時動態調整時，RIS需要配置電路對入射信號進行解調和加調，部分情況會對終端提出要求，此種方式技術難度和實現成本較高，對網絡整體業務質量提升加大。

3 結束語

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出了“構建基于5G的應用場景和產業生態”，工業和信息化部聯合多部委印發5G相關工作計劃，不斷擴寬5G產業應用。在政策和市場環境的推動下，5G網絡發展勢頭強勁。傳統覆蓋方案具備先天優勢，也存在繞不開的能耗問題，而3GPP技術演進和可重構智能膜表面技術的出現能很好解決此類問題，因此，在未來的網絡覆蓋方案中傳統結合新技術或可成為新模式。