5G网络覆盖方案浅析

李美丽，于骏初

（1.国家无线电监测中心检测中心，北京 100041；2.国家无线电监测中心，北京 100037）

0 引言

5G正式商用已有两年多时间，我国5G应用正从“试水试航”走向“扬帆远航”。目前，全国5G应用创新案例覆盖22个国民经济重要行业，在工业制造、医疗等多个领域应用场景落地[1]。5G网络依靠大带宽、低时延、广连接的特性为多场景应用的实现提供了网络基础，稳定的网络覆盖则是基础中的基础。

从4G时代影像传输和实时通信应用开始已经对稳定的网络覆盖提出要求，扩大覆盖方式主要有分布系统覆盖、小基站覆盖和直放站覆盖三种方式。当5G进入毫米波时代，不止楼宇等大型建筑物，即便广告牌、树枝等较小物体也将阻挡通信链路，尤其终端在移动场景、室内场景和小区边缘时，网络稳定性均面临较大挑战。5G网络可借鉴4G网络中覆盖方案，然而高出4G网络2至3倍的能耗也是摆在行业面前不可回避的困难，设备制造商正在通过简化网络设备配置、补充清洁能源等方面降低系统能耗。3GPP技术演进和可重构智能膜表面技术的出现给网络覆盖指出了新方向。

1 传统覆盖解决方案

1.1 融合室内分布系统

5G室内融合分布系统结合了传统分布式皮基站和无缘室内分布天线系统（DAS），有如图1所示的由多个分布式皮基站分别搭载分布式天线组建小区，有图2所示的由单一基站搭载分布式天线组建小区。

图1 多基站组建小区

图2 单基站组建小区

根据不同速率需求的使用场景，可设置采用的连接方式、搭载不同类型天线，以及天线的连接方式、天线类型。对于低速文字浏览，皮基站连接4个功分器，每个功分器连接4个1T1R天线，提供单流数据传输；对于中速普通视频业务，皮基站连接4个功分器，每个2个器连接4个2T2R天线，提供双流数据传输；对于高速高清视频业务，8个4T4R天线连接皮基站，提供四流数据传输。

1.2 小基站覆盖

小基站功率在毫瓦到瓦级别，覆盖半径在十米到几十米之间，适用于室内覆盖或者室外填补宏基站网络覆盖漏洞，融合室内分布系统中的皮基站是小基站的一种。图3展示了室外填补网络覆盖漏洞的场景。

图3 小基站覆盖场景

5G网络频率高于4G网络，更容易因建筑物遮挡和路径损耗出现网络覆盖漏洞。当漏洞范围小或者在景观区、文物保护区及居民区等不能架设基站或者不易架设基站的场景下，可以选择如图3中的灯杆基站等具备伪装功能的小基站。

1.3 中继覆盖

在增加覆盖范围但不要求增加系统容量的场景下，可采用架设直放站方式扩大覆盖范围。相比较架设小基站，架设直放站的投资较小，覆盖灵活，建网迅速。图4展示了在室外环境中采用直放站扩大覆盖范围场景，图5展示了在封闭路径的室内场景中通过增加微功率直放站方式进行区域覆盖。

图4 室外光纤直放站场景

图5 室内直放站场景

1.4 GPP技术迭代上行覆盖增强

受限于5G终端设备的尺寸和电池容量，在满足足够续航能力的前提下，终端的发射功率通常较少，而基站通常有专属架设位置对尺寸要求低，并且拥有充足可不间断的供电，这就导致了基站发射功率远高于终端，因此上行覆盖范围较下行覆盖范围小，如图6所示。为了保持覆盖的连续性，在进行网络规划时通常以上行覆盖半径为基准计算站间距，这样做一方面增加了站点建设的需求数量，另一方面由于小区边缘的下行信号强度较大，导致小区间干扰严重[2]。

图6 上下行覆盖范围

从3GPP R15开始，协议中包含了多种上行增强技术，例如，双连接（EUTRA-NR Dual Connectivity,EN-DC）、载波聚合（Carrier Aggregation, CA）、上行补充载波（Supplementary Uplink, SUL）[3]。在图7所示的EN-DC架构中，终端有4G、5G两条路径到达核心网，当基站不在终端5G上行覆盖范围时，切换到4G网络保证良好的小区边缘覆盖。

图7 EN-DC架构

CA将同频段或不同频段的资源进行聚合供终端使用，可进一步分为带内和带外载波聚合，其中带内聚合同频段载波，带外聚合不同频段载波。SUL利用较低频率进行上行覆盖。在3GPP R16中引入了UL Tx Switching对EN-DC、CA、SUL进行了增强。在3GPP R17中针对上行物理共享信道（PUCCH）开展相关研究。在3GPP R18中继续针对覆盖增强技术需求，确定了工作方向。

2 可重构智能膜表面提升覆盖性能

可重构智能膜表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS），又称智能反射面或大型智能面，由一系列反射元件组成[4]。RIS旨在作为具有可重构的空间电磁波调控器，智能地重构收发机之间的无线传播环境[5]。电磁波经RIS反射或透射后在空间上叠加，干涉相消的电磁信号能量衰减，干涉相长的电磁信号能量增强。根据RIS的这种特性，可将其作为基站和用户的中间节点，代替有源中继中功放单元，因此将RIS技术应用于5G通信系统中，可大大降低5G网络能耗，实现行业的绿色发展。

可将RIS部署在基站和覆盖盲区之间，通过反射直射路径信号使位于盲区的被遮挡终端与基站建立有效连接，保证盲区用户覆盖。在如图8的室外场景中，RIS部署在基站和小区边缘之间，使得边缘终端既能收到基站直射路径信号，也能收到反射路径信号，提升边缘用户信号质量[6]。RIS部署在建筑物内部，即能反射架设在建筑物中的基站信号，也能反射架设在建筑物外的基站信号，使信号“穿透”墙面[7]。

图8 RIS室外场景

在应用方式上，RIS可以是完全无源的，RIS内置电路预设不同的波束方案，利用形状尺寸来调节入射方位，更适用于小范围补盲，技术难度和实现成本较低。当环境复杂需要对波束和信道进行实时动态调整时，RIS需要配置电路对入射信号进行解调和加调，部分情况会对终端提出要求，此种方式技术难度和实现成本较高，对网络整体业务质量提升加大。

3 结束语

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出了“构建基于5G的应用场景和产业生态”，工业和信息化部联合多部委印发5G相关工作计划，不断扩宽5G产业应用。在政策和市场环境的推动下，5G网络发展势头强劲。传统覆盖方案具备先天优势，也存在绕不开的能耗问题，而3GPP技术演进和可重构智能膜表面技术的出现能很好解决此类问题，因此，在未来的网络覆盖方案中传统结合新技术或可成为新模式。