基于中继的5G无线网覆盖增强方案研究

张海涛

【摘  要】为了解决5G无线网覆盖能力较弱的问题，根据电磁辐射防护限值，研究了Massive MIMO空分多流复用对下行功率分配的影响，分析了目前覆盖增强方案SUL可能存在的问题，给出了基于中继的5G无线网大区域覆盖增强方案。

【摘  要】5G;分布式中继;SUL;电磁辐射防护

1   引言

5G的工作频段较高，空间传播损耗和建筑物穿透损耗也都比较高，因此5G的覆盖面临严峻的挑战。尽管有Massive MIMO的波束赋形增益和分集增益来增强系统覆盖能力，但在4G站址基础上建设一张连续覆盖的5G网络仍存在一定的困难。尤其是5G系统的上行覆盖，被认为是5G覆盖的短板，因此也出现了很多5G上行覆盖增强技术，比较典型的就是上下行解耦（Supplementary Uplink，SUL）技术。

SUL的原理：在上下行链路覆盖良好区域，上下行均工作在高频。在高频上行覆盖能力不足的区域，上行链路切换到低频，依靠低频的良好覆盖能力提升5G上行覆盖水平。

SUL主要是为了解决5G上下行覆盖不平衡的问题，通过提高5G上行覆盖能力扩大5G的有效覆盖范围。图1为SUL的示意图。

（1）SUL改变了高频上行覆盖弱场区域提供上下行服务的基站，由此增加了5G系统信号处理方面的信令开销，如信令同步、资源调度等。

（2）SUL使用的高低频工作带宽不同，在覆盖良好区域和高频上行覆盖弱场区域，用户上行业务体验差异较大。

（3）SUL是基于5G业务上下行不平衡的假设，但在对上行业务速率需要特殊保障的场景，SUL的应用受到限制。

（4）SUL增加了用户接入网络的频率，在一定程度上抵消了上下行解耦带来的节能降耗增益。

（5）SUL需要基站同时支持高低两个频段，需要的频率资源较多，需要支付额外的频率牌照使用费、设备成本和网络建设成本，由此增加了网络成本。

5G上行覆盖受限的结论，其前提是下行波束能够获得全部下行功率。如果考虑大规模天线（Massive MIMO）的空分多流复用，则单流波束能够获得的下行功率必然不是基站的全部可用功率，5G下行覆盖能力也会受到很大的影响。图2为Massive MIMO空分多流复用示意图：

本文分析了Massive MIMO空分多流复用对下行功率带来的影响，在此基础上研究了基于中继（Relay）实现5G大范围连续覆盖的可行性。

2  Massive MIMO空分多流复用对下行

功率的影响分析

5G的高速率保障措施，除了高带宽外，再就是较4G更高的频谱效率，5G频谱效率的提升手段除了新型编码、新型帧结构等外，主要就是采用Massive MIMO。Massive MIMO能够实现空分多流复用，能够成倍地提升5G的频谱效率。

以64T64R Massive MIMO为例，能够实现16流空分复用，如果每流波束获得的功率平均分配，若基站全部可用功率为P，则单流波束能够获得的功率为（P-12 dB）。即使为了提高基站能量效率采用了优化的功率分配算法，为了保证每个波束的覆盖范围没有较明显的呼吸效应，每个波束能够获得的最大功率也应该有所约束，不能获得基站全部可用功率。

除了能量效率外，电磁辐射防护要求也是约束单流波束能够获得最大下行功率的影响因素之一。

根据GB8702-2014《电磁环境控制限制》和YD 5039-2009《通信工程建设环境保护技术暂行规定》要求，同时基于以下假设：

（1）基站最大发射功率：200 W;

（2）Massive MIMO天线增益：24 dBi;

（3）基站馈线接头损耗：1 dB;

（4）上下行时隙占比：1：4。

若单流波束能够获得基站全部功率，则满足基站环境评价的天线轴向安全距离为178 m（2 600 MHz）、165 m（3 500 MHz）、139 m（4 900 MHz）。

可以看出，单流波束获得基站全部功率时，则环境评价的安全距离与小区覆盖半径基本相当，因此不可接受。

考虑5G与4G基站共址建设，5G基站与4G基站环境评价的天线轴向安全距离应该基本相同，则单流波束能够获得的功率是平均下行功率的2～3倍，即P-7 dB～P-9 dB左右。

如果在链路预算中考虑空分多流复用对下行功率的影响因子7 dB～9 dB，则下行覆盖相较上行覆盖也不再具备明显的优势，上下行覆盖能力应该在一个基本相当的水平。

若是基于这个前提，上下行解耦方案不再适合，为了增强5G网络覆盖能力，还需要采用其他的方案，比如SDL（Supplementary Downlink），但会进一步增加系统的复杂度和网络建设成本。

3   基于中继（Relay）的覆盖增强方案

3GPP LTE R10在E-UTRAN中引入了一个新的逻辑节点——中继节点（Relay Node，RN）。它通过在宿主基站（Donor eNodeB，DeNB）覆盖区内引入可“解码和转发”的新型逻辑节点RN，构成从终端到RN再到宿主基站的两跳或多跳接力传输。

在5G系统中仍然可以沿用中继技术，通过在系统架构中引入中继节点RN实现终端—RN—DeNB的接力传输，从而扩大5G的有效覆盖范围。

同时，采用中继扩大5G上行覆盖能力，可以克服SUL的一些不足：

（1）中继可以利用5G高频的高带宽优势，保证用户的上行业务体验。

（2）中继能够满足对上行业务需要特殊保障场景的需求。

（3）中继对网络配套的要求較低，易于安装，网络建设成本较低。

在3GPP中，中继作为LTE-A系统中的一种增强型技术，目的是局部区域的覆盖性能增强，并不是针对大区域连续组网的场景。因为4G网络宏站覆盖能力较强，可以实现连续覆盖，因此中继只是局部应用。但5G系统工作频率较高，覆盖能力较弱，在现网4G基站站址基础上同址建设5G不能实现5G连续覆盖。而在目前新建基站日益困难的情况下，大规模新建基站已经不现实，因此，可以考虑利用基站+中继来实现5G大区域连续覆盖。

移动通信网连续覆盖采用正六边形蜂窝结构，因此宏基站+中继实现连续覆盖，其覆盖边缘的包络也应该是正六边形蜂窝结构。

宏基站的覆盖是一个正六边形蜂窝结构，如果扩大覆盖，需要中继在其边缘扩大覆盖范围，使其成为一个半径更大的正六边形蜂窝。因此中继的设置位置和覆盖半径非常重要。中继的覆盖范围越小，则宏基站+中继的覆盖边缘越接近正六边形，但需要的中继数量越多，宏基站覆盖范围扩展得越有限。中继的覆盖范围越大，则宏基站+中继的覆盖边缘与正六边形差异越大，但对宏基站覆盖范围扩展得越多。因此需要在中继的覆盖范围和覆盖边缘与正六边形的拟合度方面取得一个折中。

蜂窝的正六边形结构决定了覆盖区域的变化并不是各向相同的。假设宏基站的覆盖半径为r，宏基站+中继的覆盖半径为R，小区覆盖扩展示意图如图3所示：

在选择中继时，宏基站主瓣区域和旁瓣区域的中继覆盖范围不应该一致，且最好主瓣区域中继的覆盖半径是旁瓣区域中继覆盖半径的2倍。

为了使得中继的覆盖范围与宏基站的覆盖范围尽可能无缝镶嵌，宏基站覆盖半径必须是中继覆盖半径的整数倍。综合考虑覆盖扩展效果和使用的中继数量，覆盖范围扩展50%是一个比较好的选择。以5G NR（3.5 GHz）为例，密集市区5G的站间距在200 m～300 m，如果依托现网4G网络架构，很难实现连续覆盖。如果覆盖半径增加50%，则5G的站间距为300 m～450 m，这是现网4G网络在密集市区的典型站间距，使依托4G网络站址实现5G连续覆盖成为可能。图4为宏基站+中继实现连续覆盖示意图：

如图4所示，r为宏基站覆盖半径，r1为主瓣区域中继覆盖半径，r2为旁瓣区域中继覆盖半径。其中，r=2×r1，r1=2×r2。在图4中，红色区域为可能的覆盖弱场。

此时覆盖弱场的面积约占小区宏基站+中继覆盖面积的10%左右。采用网络规划和优化手段，在确定小区覆盖区域时，使覆盖弱场尽可能处于没有用户活动的区域，小区有效覆盖率能够达到90%以上。

此时7个中继的布置方式如表1所示：

为了保证用户的有效切换，小区间有部分重叠区域，此部分重叠区域可以缩小覆盖弱场的面积。

在图5中，黄色区域为原来的弱场区域转变而成的有覆盖区域。弱场覆盖区域缩小为原来的一半，即通过小区重叠覆盖，也能有效减少覆盖弱场，达到95%以上的区域覆盖率。

根据以上分析，一个小区需要7个中继来实现5G的覆盖扩展，如果每个中继都需要一个站址，这并不具备工程可实施性。为了解决这个问题，可以采用分布式中继（Distributed Relay）来解决站址选择问题。

以5G NR（3.5 GHz）为例，在密集市区，5G的上行覆盖半径在120 m～200 m。中继站址1带2个远端单元，2个远端单元与站址的距离在30 m～50 m，可以通过CAT5E/CAT6等标准的电缆进行连接，如图6所示：

如果中继站址2和中继站址3也采用远端单元，中继站址1带6个远端单元，远端单元与站址的最远距离在80 m～150 m，可以通过CAT5E/CAT6等标准的电缆或者光纤进行连接，如图7所示。

每个小区需要的中继站址为1～3个，在工程建设上具备可实施性。

由于现网站址分布的不规则性，因此在实际建网时，可以根据覆盖情况选择性设置中继。具体步骤如图8所示：

4   结束语

5G一直被认为是上行覆盖受限系统，这一结论并没有考虑Massive MIMO空分多流复用对下行功率分配的影响。本文从电磁辐射防护的角度，分析了5G单流波束能够分配的最大下行功率为P-9 dB～P-7 dB，由此得出结论，5G下行覆盖较上行覆盖并不具备优势。在此基础上，本文提出了基于中继（Realy）的大区域覆盖增强方案，不但解决了5G覆盖能力较弱的问题，而且克服了现有上行覆盖增强方案SUL的一些固有缺陷。

需要说明的是，本文的部分结论主要基于理论分析，后续需要在现网中进行实际测试，以进一步验证Massive MIMO空分多流复用对下行功率分配的影响和基于中继的覆盖增强方案工程措施的可行性和有效性。

参考文献：

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

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