浅论5G NR覆盖性能及其基站部署规划

浅论 5G NR覆盖性能及其基站部署规划

梁培票

广西华南通信股份有限公司 广西南宁

[摘要]随着移动互联网的不断发展，智能终端设备接入数量迅猛增长，用户所需要的低时延、高容量、大连接，对现有的无线通信技术形成了巨大挑战。5G网络的诞生，很好地满足了移动用户在速率、时延、连接能力等的需求。3GPP组织对5G网络在峰值速率、用户体验速率等方面的标准化指标，确定了5G使用新的空中接口，即5G NR。本文着重探讨5G NR覆盖性能及其基站部署规划，以供大家参考。

[关键词]5G；NR；覆盖；部署；

引言

从5G网络诞生开始，5G网络发展和建设一直备受关注。5G NR是基于OFDM的全新空口设计的全球性5G标准，也是下一代非常重要的蜂窝移动技术基础。与4G相比，5G的工作频段更高，但也意味着5G频段的传播损耗和室内穿透损耗更高，覆盖面临挑战。为了弥补频段带来的覆盖劣势，5G NR引入了多项多天线增强技术，大幅提高了频谱效率、小区覆盖和系统灵活性。

一、5G NR概述

NR，其全称为New Radio，也被称为新空口。基站和手机之间通过电磁波在空气中传播，手机和基站之间是有接口的。一部手机通常拥有两路空口连接，跟4G基站之间的链路就是“旧空口”，跟5G基站之间的连接就是所谓的“新空口”，5G 网络在空口上引入了新的频率资源、新波形、新编码、灵活的帧结构、灵活双工、MIMO等多项技术。5G新空口是基于4G旧空口技术设计的，也使用了OFDM的调制方式，在帧结构上修正了4G的一些不合理之处，增加了对大连接和低时延的支持，因此部署更加灵活，频谱效率也更高了。

5G NR频谱范围可达100GHz，为规范5G频率使用，3GPP组织将5G频段范围定议为FR1和FR2，并确定了5G NR基站的最低射频特性和最低性能要求[1]。FR1是我们通常讲的6GHz以下频段,频率范围在450MHz-6.0GHz,属于中低频段，FR1频段NR支持100 MHz带宽，是4G网络的5倍。FR1主要特点是传播损耗小，穿透能力越好，覆盖距离较远，但是可用带宽较小，主要用于实现连续广覆盖、高速移动性场景下的用户体验和海量设备连接。当前，C-band 频段(3.4-3.8GMHZ)中的3.5GHz NR是5G网络应用的主流，也是本文主要探讨的频段。FR2是毫米波频段,频率范围在24.25GHz-52.6GHz, 属于高频段，FR2频段NR最大支持1GHz带宽，是4G网络的50倍。其主要特点是可用带宽大，但是传播损耗大，穿透能力较弱，覆盖距离近，用于满足城市热点、郊区热点与室内场景等极高的用户体验速率和峰值容量需求。5G NR包含了部分LTE频段，也新增了一些频段。5G NR支持NSA（非独立组网）和SA（独立组网）两种组网模式，不同组网模式所支持的业务能力不同。其中，NSA主要是通过利用现有的LTE网络改造、升级和增加NR设备，使得网络速率增强。SA则是新建一张NR网络，包括全新的基站、回程链路以及核心网。

二、5G网络C-band频段中的3.5GHz NR覆盖性能

1、室外覆盖性能

5G网络主流应用的3.5GHz NR与1.8GHz、900MHz LTE室外覆盖效果，可以通过对南宁市江南区人民医院拉远覆盖测试，NR在200W窄波束(所指均为4+3窄波束配置)、200W宽波束下的覆盖情况。NR下行中心载频3450MHz，带宽100MHz，发射天线配置为64T64R，终端支持2T4R；LTE配置RS功率15.2dBm，p-a取值为-3dB，p-b的取值为1，下行中心载频分别为1832.5MHz和957.5MHz，带宽5MHz，终端支持1T2R。通过测试得出结论：(1)5G NR与LTE在连续覆盖性能对比。在室外单站覆盖条件下，3.5GHz NR与1.8GHz、900 MHz LTE在NR分别配置为窄波束和宽波束下的覆盖情况得知，得益于波束赋形和MIMO等天线技术的应用，5G NR窄波束的覆盖均明显优于宽波束。在视距范围内，3.5GHz NR的覆盖效果优于1.8GHz LTE，与900MHz LTE大致持平[2]。覆盖效果总结为：900 MHz LTE≈NR窄波束>1.8 GHz LTE≫NR 宽波束(视距范围内)；(2)5G NR与LTE定点覆盖性能对比。在室外单站覆盖条件下，选取定点进行测试，比较5G NR窄波束在不同锚点站下近点（200m）、中点(1000M)、远点(1800M)信号覆盖情况。在锚点站为1.8GHz LTE和900MHz LTE条件下，5G NR侧和LTE侧的信号情况得知，5G NR小区在近点以及中点的覆盖效果优于1.8GHz LTE，与900MHz LTE大致持平，在远处覆盖开始弱于LTE。因此，为了保障5G室外连续覆盖，在网络规划初期，在LTE站点较为密集的城区内，建议5G NR和1.8GHz LTE按照1:3配比建网，后期按需逐步加密；在LTE站点较为稀疏的郊区，建议5G NR与1.8GHz LTE或900MHz LTE按照1:1配比加站点。(3)3.5GHz NR空口吐量性能。在室外条件下，通过拉远距离下测试，分析5G NR空口吞吐率性能，以及5G边缘速率对终端接收信号的需求。当5G NR要满足下行边缘速率为100Mbit/s时，NR参考信号接收功率不要低于-110dBm。同理，要满足上行边缘速率超过10Mbit/s时，NR参考信号接收功率要超过-106dBm，即5G终端接收电平在-106dBm左右才能满足下行100Mbit/s、上行10Mbit/s的边缘速率要求。而下行PDCP吞吐量则随NR信号与干扰加噪声比的增加而增加，且当NR信号与干扰加噪声比≥6dB时，5G NR才满足下行边缘速率要求。如果NR拉远距离在2.7km以内满足边缘速率对参考信号接收功率的要求，拉远距离在2.4km以内则满足边缘速率对信号与干扰加噪声比的要求。综上所述，NR覆盖距离在2.4km以内NR满足参考信号接收功率≥-106dBm，信号与干扰加噪声比≥6dB的边缘速率质量要求。

2、室内深度覆盖性能

为了验证3.5GHz NR与1.8GHz LTE、900MHz LTE室外宏站覆盖室内效果，可选择NSA试验网区域内某大厦，选择低层(3层)、中层(7层)、高层(12层)等3种场景分别进行室内覆盖测试。测试NR在200W窄波束、宽波束下的覆盖情况。NR下行中心载频3450MHz，带宽100MHz，发射天线配置为64T64R，终端支持2T4R；LTE配置RS功率15.2dBm，p-a取值为-3dB，p-b的取值为1，下行中心载频分别为1832.5MHz和957.5MHz，带宽5MHz，终端支持1T2R。通过测试得出测试结论:(1)5G NR宽窄波束对各楼层的覆盖情况。宽窄波束在大厦不同楼层的覆盖情况是，在楼宇覆盖中，窄波束对中、低层覆盖相当，对高层覆盖稍弱于中、低层；宽波束对中、低层覆盖相当，但对高层覆盖明显弱于中、低层。宽窄波束对相同楼层的覆盖情况是，5G NR窄波束在高、中、低层楼宇的覆盖效果均明显优于宽波束，对楼宇的立体覆盖相比宽波束优势明显；(2)5G NR与LTE深度覆盖对比。5G NR与1.8GHz LTE和900MHz LTE对不同楼层深度覆盖和穿墙损耗情况对比，LTE在高、中、低层的深度覆盖情况均优于5GNR。随着楼层升高，LTE信号衰减开始加重，得益于波束赋形的增益，NR在高层的信号衰减较为平缓。从测试结果看，5G NR室内外平均损耗比LTE大10dB左右。

综上所述，在5G网络规划部署工作中，对于室外覆盖场景，为了保障5G连续覆盖，在网络规划初期，在LTE站点较为密集的城区内，建议5G NR和1.8GHz LTE按照1:3配比建网，后期按需逐步加密；在LTE站点较为稀疏的郊区，建议5G NR与1.8GHz LTE或900MHz LTE按照1:1配比加站。对于室内深度覆盖场景，在低层进行深度覆盖时，建议部署宏站覆盖室内为主。针对高层深度覆盖，则建议部署室内分布来提升覆盖效果。

三、5G NR基站架构

到了5G时代，随着应用场景的细分，传统的BBU+RRU基站模式已无法满足多种场景的需求。因此，5G基站架构将BBU进行了拆分和重构。也就是将BBU重构为集中单元CU和分布单元DU两个功能实体，CU设备负责非实时的无线高层协议栈功能，同时支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署，DU设备负责处理物理层功能和实时性需求的功能，一个CU可以携带多个DU。

四、5G NR基站部署方式

根据DU前置或集中部署，CU前置或集中部署、云化，5G NR基站部署方式可组合为以下4种。

1、传统基站部署

与传统的3G/4G基站类似，RRU与天线合设为AAU，DU/CU同址安装于本站机房，RRU 与DU通过光纤直连。

2、DU前置CU集中部署

这种部署方式RRU与天线合设为 AAU，DU同址安装于本站机房，RRU与DU通过光纤直连，CU集中安装于中心机房，CU与DU通过传输网络连接。

3、DU/CU集中部署

这种部署方法RRU与天线合设为AAU，DU/CU集中安装于中心机房，RRU与DU通过传输网络连接。

4、DU集中部署，CU云化

这种部署方法RRU与天线合设为AAU，DU集中安装于中心机房，RRU与DU通过传输网络连接，CU云化，并通过传输网络与DU连接。

五、5G NR基站部署所需配套资源要求

在考虑5G NR基站部署时，不仅要考虑机房、传输等资源需求，也要考虑各种部署方式对整网的安全影响和后期运维的便利性。CU/DU集中度越高，集中站点的安全性就显得更加重要，在规划集中部署站点时，需要综合考察集中机房的交通便利、机房防火防灾响应能力、传输网络情况、电源配套容量等问题，现对机房资源和传输资源所需配套资源进行分析。

1、机房资源

不同的CU/DU部署方式，对机房资源资源的需求是不同的。(1)传统基站部署方式。CU/DU 均部署在站点机房或室外机柜，但CU可扩展性小,不便于统一管理，故传统部署方式更适合部分对时延要求及其敏感的业务；(2)DU前置CU集中部署方式。DU部署在站点机房或室外机柜，CU部署中心机房，传输资源需求小。CU统一部署，便于管理维护，适合于小规模集中部署；(3)DU/CU集中部署方式。DU可集中部署于站点机房或中心机房，CU部署于中心机房，单一DU可管理多站点RRU，由于采用了前传，传输资源需求较大，但DU/CU集中部署，管理和维护较为便利，适合于中、大规模集中部署。当选择站点机房作为DU集中部署点时，需关注机房传输资源是否丰富，是否具备可扩容能力，站点可靠性是否高等问题，当选择在中心机房部署 CU/DU时，需关注中心机房空间是否满足；(4)DU集中部署及CU云化方式。DU可集中部署于站点机房或中心机房，CU云化后，MEC等应用下沉到中心机房，与CU共享硬件，逻辑独立，有利于提升用户体验。CU云化可实现统一的多连接锚点，位置较高，减少传输反传，减少不必要的切换，集中的控制面可以实现资源的合理调度，享受统计复用增益，但同时也存在着一定的弊端，首先是管理复杂度提高，安全性和可靠性要求提高，由于CU 层级提高，信令时延也相应增加，在考虑CU云化部署的时候，需要综合考虑以上因素。

2、传输光纤资源

在5G建网初期，按每站3扇区考虑，RRU与DU之间需要6根光纤(单芯单向)或3根光纤(单芯双向)，而随着5G网络建设不断进行，高低频混合组网，光纤资源需求成倍增加，传输网络的压力也会不断增高。针对传统基站部署和DU前置CU集中部署，由于DU和 RRU 在同一站点，不需要通过传输网络，故RRU和DU之间可通过光纤直连。针对DU/CU集中部署和DU集中部署、CU云化，由于DU和RRU之间需要经过传输网络，光纤直连方式将导致传输网络光纤容量无法承受，需要引入WDM 技术以节约光纤资源。

六、不同应用情景下5G NR部署

根据3GPP组织定义，5G时代主要有三大应用场景，分别是增强移动宽带(eMBB)、大连接物联网(mMTC）、超高可靠超低时延通信(URLLC)。不同的要求，CU/DU的部署方式也各有不同。对于时延敏感业务：如AR/VR、自动驾驶等URLLC业务，可采用传统基站部署方式或DU前置，CU集中的小集中部署方式，将CU、DU尽量靠近RRU，同时将应用网关下移，降低传输时延。对于时延不敏感的业务：如智能抄表、智能灌溉等mMTC业务，可采用DU/CU集中部署方式或DU集中、CU云化等大集中部署方式，从优化网络运维角度出发，降低运维成本。

七、结语

总之，随着5G应用场景更加细化，5G网络部署个性化需求也会越来越多，如何合理地部署5G NR基站是一个必须关注的问题。5G基站部署规划是一个技术门槛较高的专业性工作，只有熟练掌握5G NR相关专业知识，才能很好地利用技术平台进行高质量部署规划。

[参考文献]

[1]崔新凯 李豪、杨欢. 2.6 GHz下的5G NR覆盖能力分析[J]电信科学.2019（08）

[2]张成.关于5G无线网络覆盖问题及优化方案探讨[J]数字化用户.2018（32）

[3]作者简介：梁培票，男，1984-11，大学本科学历，工程师，技术方案解决专家，专业能力特别突出。2020年1月疫情期间，曾率队到南宁市第四人民医院抗击疫情前线解决通信紧急保障。专注研究通信工程勘察及规划设计、项目牵头主持、工程造价预算、技术方案审核把关、员工技能提高培训等，均精通有线传输和无线项目总体方案审核、技术支撑。