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中兴通讯向际鹰:5G新空口技术可大幅改善覆盖性能

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2017年,多家厂商发布关于5G的相关软硬件设备,5G标准加速。随着5G可用频谱资源的梳理,4G与5G网络融合的架构日渐明晰,5G网络的测试和部署被运营商提上日程。

当我们真正开始考虑5G网络部署的时候,5G覆盖成为业界最为关心的一个问题。为了尽可能获取更大的频谱带宽,5G网络通常部署于更高的频段,根据无线传播特性,越高,传播损耗越大,基站的覆盖能力也就越弱。

业界普遍认为,5G网络的主流频段3.5GHz与4G的1.8GHz相比,传播损耗要多3dB,穿透损耗多6dB,再加上4G在1.8GHz是频分(FDD)连续发射,而5G是时分(TDD)间隙发射,这又带来约5dB的损耗,总共损耗多达14dB。对于这14dB差距,为了支持连续覆盖,按照以往算法,需要增加数倍的基站才能弥补。这将出现新站选址问题,并带来高昂的网络建设成本。

4G网络已经部署了数百万个基站,在密集城区,4G基站的站间距通常已经小至几百米,如果5G网络还需要新增数倍的站点,这对运营商而言将是一项难以完成的艰巨任务。中兴通讯认为,3.5GHz的5G网络与4G网络共站部署完全可行。

5G网络覆盖可优于4G

“以往理论在评估一个系统的覆盖时,是通过计算链路预算的方法。但传统的链路预算计算方法在5G时代已经不合适。因为其计算过程存在三项不合理的假设,无法体现5G新技术对覆盖所产生的收益。”中兴通讯首席科学家向际鹰表示。

链路预算的第一个假设是:整个小区只有一个用户。但这项假设并不合理,实际上一个小区存在多个用户,在多用户条件下,用户实际体验的覆盖范围远弱于基于单用户计算出来的链路预算值。而5G标准量使用空分复用技术,通过空分复用技术,不但可成倍提升容量,还可使得在多个用户共存时,覆盖不收缩或仅少量收缩。从而在以链路预算方法结果不如4G的情况下,实际覆盖达到甚至超过4G网络。

链路预算的第二个假设是:小区唯一的用户位于垂直波瓣的最佳位置。同样,这项假设也不合理。通常基站的半波角只有6度左右,用户绝大多数情况下并不在最佳方向角内,用户实际体验覆盖范围弱于链路预算值。而5G标准由于采用多天线数字波束技术,可以动态跟踪用户,因此在用户实际体验时,覆盖不会下降或仅少许下降。

链路预算的第三个假设是:整个区域只有一个小区,没有其他小区。但实际上在城区,小区非常密集,很多用户并非属于覆盖受限,而是干扰受限。这会导致实际体验覆盖远弱于链路预算值。而5G标准的多天线空分复用技术在提升容量的同时,也抑制了相邻小区的干扰,从而进一步改善了网络覆盖。

同时,链路预算在多数情况下以计算数据信道(PUSCH)为依据,但实际上往往是控制信道PUCCH、PDCCH或SRS受限。

在5G标准中,通过预编码、预置波束等方法实现了控制信道的覆盖增强,使控制信道不再成为覆盖瓶颈。

一方面,5G新空口技术对链路预算有直接提升作用,例如通过基站、终端的多天线技术以及终端大功率发射,可以补回前述14dB差距;另一方面,很多5G新空口技术对容量提升有很大帮助,却体现不到传统的链路预算方法中。

“基于上述分析,中兴通讯认为在采用大量新技术之后,5G网络不但可在容量上大幅超越4G,在网络覆盖方面,最终也能实现不弱于4G网络的覆盖。如此一来,在4G网络原有的站址基础上部署5G网络设备,不用新增基站,且提供5G网络连续覆盖就成为可能。这对于运营商而言意义重大。”向际鹰说。

中兴通讯向际鹰:5G新空口技术可大幅改善覆盖性能0

图1 2Mbps小区边缘速率,上行覆盖距离对比

5G与4G共站建设完全可行

通过仿真分析,我们得出在2Mbps小区边缘保障速率条件下,密集城区3.5GHz的5G基站(上行时隙占比20%)非常接近于1.8GHz的FDD LTE(双极化天线)覆盖范围,优于2.6GHz的FDD LTE和TDD LTE(8天线配置)覆盖范围。如果采用更高的小区边缘保障速率,则3.5GHz的5G基站覆盖范围与1.8GHz的FDD LTE依然持平,但相对于2.6GHz的FDD LTE以及1.9GHz/2.6GHz TDD LTE的优势则更为明显。

中兴通讯向际鹰:5G新空口技术可大幅改善覆盖性能1

图2  20UE时上行小区吞吐量

图1仅体现了基于单用户链路预算条件下的基站覆盖对比,那么在多基站组网以及多用户使用的场景下,5G网络相对于4G网络的性能更为优越。从图2的系统仿真结果中不难看出,在=300m,每小区20用户的场景下,5G网络的小区边缘用户上行吞吐量是1.8GHzFDD LTE网络的3倍,是1.9GHz TDD LTE网络的4-5倍;小区平均上行吞吐量大致是1.8GHz FDD LTE网络的2倍,1.9GHz TDD LTE网络的4倍左右。

“基于以上仿真分析, 5G与4G的共站建设是完全可行的,这将大大节约5G基站的选址、建设成本。”向际鹰表示。

空分复用对于提升网络覆盖的重要作用

被认为是5G标准中最关键的技术SDMA(空分复用),对于提升网络覆盖发挥的作用也不容小视。SDMA技术对于不同的5G频谱可以发挥不同的作用:在6GHz以下频段,由于频谱资源稀缺,覆盖相对较好,SDMA技术主要用来提升网络容量;对于6GHz以上的高频段,频谱资源相对丰富,覆盖成为短板,SDMA技术主要用于提升覆盖。

向际鹰指出:“在6GHz以下频段,每个运营商能获取的频谱带宽资源相对于高频段而言仍然非常有限,因此空分复用技术对采用3.5GHz低频段建网的移动运营商而言尤其重要。”

自2013年,中兴通讯开始研究SDMA技术,是最早从事SDMA技术研发的公司。中兴通讯率先将5G空分复用技术的典型代表Massive MIMO应用到4G网络中,使现有4G用户不用更换终端就能提前享受到类5G体验。利用在SDMA技术方面的领先优势,中兴通讯相继发布了TDD Massive MIMO产品和FDD Massive MIMO产品,其中TDD Massive MIMO产品已在日本软银规模商用,使流量热点的容量瓶颈得到了高效缓解。

中兴通讯通过SDMA技术在4G商用网络中积累的大量真实场景数据和丰富的商用经验,为5G Massive MIMO的产品开发和商用打下坚实的基础,加速推动了5G网络的成熟和商用化进程。

借助对5G新空口技术的深入分析和创新,5G的覆盖问题得到有效提升,中兴通讯认为3.5GHz的5G网络与4G网络共站部署完全可行。5G与4G共站建设,不仅简化了5G网络部署的难度,而且可为运营商节约大量网络投资,为4G向5G的演进搭建了一条平滑升级之路,加速5G商用部署的进程。

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