*基金项目：广州市产业技术重大攻关计划（201902010053）收稿日期：2019-07-02
4G/5G无线链路及覆盖差异探讨
*
Discussions on the Difference of 4G/5G Radio Links and Coverage
通过分析无线链路中影响覆盖的关键参数，对5G 和4G 上下行覆盖差异进行对比。5G 3.5 GHz 的下行覆盖能力占优，理论计算比4G 1.8 GHz 强5.8 dB 。3.5 GHz 上行覆盖能力存在劣势，理论计算比4G 1.8 GHz 弱10.4 dB 。5G 3.5 GHz 的上行是覆盖瓶颈，现有站址密度无法满足5G 覆盖需求，1:1共站址规划的同时，需根据网络覆盖需求引导5G 建设。
4G/5G ；无线链路；覆盖差异
This paper compares uplink and downlink coverages of 5G and the ones of 4G by analyzing the key parameters affecting the radio coverage. The downlink coverage of 3.5GHz of 5G performs better than 1.8GHz of 4 G, which is 5.8 dB stronger via theoretical calculation. The uplink coverage of 3.5 GHz is wor than 1.8GHz, which is 10.4 dB weaker via theoretical calculation. Hence, the uplink of 3.5GHz of 5G is the coverage bottleneck, while the current site density can not meet the coverage requirements o
f 5G. With 1:1 co-site planning, 5G construction should be guided according to the requirements of network coverage.4G/5G; radio link; coverage differences
（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）
(Guangzhou GCI Science & Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China)
【摘 要】【关键词】
胡丹
HU Dan
[Abstract]
[Key words]
1 引言
当前，全球已进入5G 商用部署的关键期。5G 引入了C-band （3.4 GHz —4.9 GHz ）和毫米波段，从覆盖能力和产业支持度上来看，3.5G 频段会是5G 初期建网的主力频段。5G 的频段更高，信号传
播损耗大、信道变化快、绕射能力差。相比4G ，5G 采用更宽的频谱，更加灵活高效的空中接口技术及超大规模天线，具有明
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.07.015 中图分类号：TN927文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2019)07-0086-05
引用格式：胡丹. 4G/5G无线链路及覆盖差异探讨[J]. 移动通信, 2019,43(7): 86-90.
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显的技术优势。在规划中，应充分考虑各项无线性能特点，量化4G/5G 的上下行覆盖差异，指导5G 建设。
2 5G 与4G 无线链路差异
caj转word5G 与4G 无线网络规划方法基本一致，通过链路预算对比覆盖差异。现阶段5G 链路预算多为e M B B 场景，形式上与4G 近似，相当于升级版本的Pre5G 。4G/5G 主要无线链路参数差异如表1所示。
以下对影响4G/5G 无线覆盖性能的关键项，如空中接口技术、基站主设备、天馈线、移动终端、传播
时光如
表1 4G/5G无线链路参数差异表
参数4G LTE5G NR Pre5G Massive MIMO
频段TDD：1.9 GHz/2.3 GHz/2.6 GHz/3.5 GHz
FDD：900 MHz/1.8 GHz/2.1 GHz/2.6 GHz
工资发放会计分录2.6 GHz/
3.5 GHz/
4.7 GHz
TDD：2.3 GHz/2.6 GHz/
3.5 GHz
FDD: 1.8 GHz
双工方式TDD/FDD TDD TDD/FDD 产品架构BBU+RRU CU+DU+AAU BBU+AAU
载波带宽最大20 M 3.5 GHz/4.9 GHz可达10 M；
>6 GHz的毫米波段可达400 M
10 M/15 M/20 M
子载波带宽15 k 3.5 GHz考虑15 kHz、30 kHz、60 kHz
等多种子载波
15 k
子帧结构现网5 ms转换下，
DL: UL=3: 1 静态
帧结构存在更多选项，考虑2.5双周期支
持静态、半静态和动态配置
-
基站发射功率40 W/60 W/80 W/120 W200 W TDD：40 W/80 W/120 W
FDD：80 W
终端发射功率23 dBm SA：26 dBm/NSA：23 dBm23 dBm
基站通道数FDD：2T2R/4T4R
TDD：2T2R/8T8R
16T16R/64T64R TDD: 64T64R FDD: 32T32R
基站侧天线振子数-192振子128振子
基站侧天线单振元
增益
-16T16R：15 dBi
TDD 64T64R: 9 dBi
FDD 32T32R: 12 dBi 17 dBi 64T64R：10 dBi-
广播波束增益广播波束为宽波束，MM有200+pattern组合
（pattern&下倾），15 dBi ~18 dBi
广播波束支持窄波束，MM有更多
pattern组合（pattern&数字下倾&水
平&垂直波束），20 dBi（典型）
15 dBi（典型）
终端侧天线配置1T2R2T4R1T2R
传播模型Cost231-hata UMa/Cost231-hata、3D射线跟踪模型
（Rayce)
Cost231-hata
组网方式独立组网非独立组网NSA/
独立组网SA
独立组网
模型及穿透损耗进行详细对比。
2.1 空中接口技术
5G取消了5 MHz以下的小区带宽，大带宽是5G的典型特征。5G定义小区最大带宽与频段相关，Sub 6G 小区最大小区带宽为100 MHz，毫米波最大小区带宽为400 MHz。以100 MHz小区带宽为例，是TD-LTE单小区20 MHz的5倍。
5G空口继承4G正交频分多址技术，同时引入更好的滤波技术，减少对保护带宽的要求，提升了频谱利用率。与 LTE上行仅采用 DFT-S-OFDM波形不同，NR上行同时采用CP-OFDM和DFT-S-OFDM两种波形，可根据信道状态自适应转换。CP-OFDM波形是一种多载波传输技术，在调度上更加灵活，在高信噪比环境下链路性能较好，适用于小区中心用户。
5G兼容LTE调制方式，同时引入比LTE更高阶的调制技术。R15版本最大调制效率可支持256QAM，
后续版本会支持1024QAM，进一步提升频谱效率，提供更高的吞吐量。LTE业务信道采用Turbo码、控制信道采用卷积码，5G NR则在业务信道采用LDPC码、控制信道主要采用Polar码。LDPC码可并行解码，对高速业务支持好，Polar码则对小包业务编码性能突出。
相比于LTE采用相对固定的空口参数，5G NR设
道天线增益为10 dBi，其中14 dB为BF增益。4G采用2T2R，外接独立天线，增益17 dBi。4G/5G天馈系统示意图对比如图1所示：
图1 4G/5G天馈系统示意图对比
3.5G NR天线垂直半功率角更大，因此在天线近点的场强和干扰抑制更好，特别是对于较高的站点，其覆盖特性差异更为明显。4G/5G天线参数对比如表3所示：
表3 4G/5G天线参数对比参考
网络制式工作频段/
GHz
增益/
dBi
水平半功率角/
(°)
垂直半功率角/
(°)
LTE 1.817659
5G NR 3.524（含赋
形增益）
12022
计了一套灵活的帧结构，加快上下行转换，减少等待时间。3.5G NR有0.5/1/2/2.5/5/10等多种帧长配置。子载波间隔可选择15 kHz/30 kHz/60 kHz，子载波带宽增大，最小调度资源的时长（slot）减小。对应30 kHz，slot为0.5 ms，比4G slot的1 ms减小0.5 ms。uRLLC 0.5 ms时延，30 kHz子载波间隔将
成为国内eMBB空口配置首
选。5G初期采用TDD制式，上下行配比主要由上下行业务、覆盖决定，典型的时隙配比有：
（1）2.5 ms单周期，时隙配比4:1（DDDSU）：推荐中国电信、中国联通采用；
（2）2.5m s双周期，时隙配比7:3（D D D S U+ DDSUU）：推荐中国移动采用；
（3）5 ms单周期，时隙配比8:2（DDDDDDDD SUU）：推荐中国移动采用。
2.2 无线主设备
5G RAN架构从4G的BBU和RRU两级结构演进到CU、DU和AAU三级结构。将4G的BBU基带部分拆分成CU和DU两个逻辑网元，而射频单元及部分基带物理层底层功能与天线构成AAU。5G组网方式更加灵活，满足5G需求的多样化，适合多场景组网。
5G典型基站设备发射功率如表2所示：
表2 典型5G设备发射功率
频段/GHz2839 3.5 4.5发射功率/dBm34345353
目前多厂家典型C-band设备发射功率为200 W，即53 dBm。毫米波设备发射功率仅供参考，以厂家实际产品能力为准。
2.3 天线
对比4G，5G NR采用Massive MIMO技术，天线数及端口数有大幅度增长。Massive MIMO对每个天线进行加权，控制大规模的天线阵列，通过业务信道赋形方向动态调整和广播信道场景化波束扫描来实现增强覆盖。赋形增益可以补偿无线传播损耗，用于提升小区等多场景覆盖，如广域覆盖、深度覆盖、高楼覆盖。5G射频模块与天线结合，一体化集成。3.5 GHz 64T64R
配置，单极化天线增益规格为24 dBi
，单通
（a）4G天馈系统
普
通
天
线
RRU跳线
（b）5G天馈系统
AAS
天线
笛子歌曲2.4 传播模型
搞笑头像电磁波的显著特点是频率越高，波长越短，越趋近于直线传播（绕射能力越差）。4G常用的模型是Cost-231。Cost-231模型对Okumura-Hata模型进行了频率扩展使之适用到2 GHz频段，模型公式如下：PathLoss=46.3+33.9×lg(f)-13.82×lg(h b)-a(h m)+(44.9-6.55)×lg(h b)×lg(d)+K clutter
(1)
3GPP TR 36.873定义了3D传播模型，不同场景对应不同尺度衰落模型，相比Cost-231模型，主要区别在于距离项修改为3D距离，引入街道宽度和平均建筑物高度因子，模型公式如下：
P L3D-U M a-N L O S=161.04–7.1l g(W)+7.5l g(h)–(24.37–3.7(h/h BS)2)lg(h BS)+(43.42–3.1lg(h BS))(lg(d3D)-3)+20lg(f c)–(3.2(lg(17.625))2-4.97)–0.6(h UT-1.5) (2)
TR 36.873支持频率范围从0.5 GHz到6 GHz，分为三种模型：Uma、Rma和Umi。Uma/Rma/Umi适用频段2 GH~6 GHz，TR 38.901演变后扩展到0.5 GHz~100 GHz。因此，模型均适用于5G初期频段。
2.5 穿透损耗
频率越高，在传播介质中的衰减也越大。根据3GPP对不同材质穿透损耗的理论公式，计算出1.8 G和3.5 G的损耗差异，如表4所示：
表4 3GPP对不同材质穿透损耗的理论计算材料Penetration loss/dB f=1.8 G f=3.5 G 普通玻璃L glass=2+0.2f 2.36 2.7
红外隔热玻璃L IIRglass=23+0.3f23.5424.05水泥墙L concrete=5+4f12.219
木板L wood=4.85+0.12f 5.066 5.27
可以看到，3.5GHz与1.8GHz在普通外墙材质的穿透损耗差异为6dB左右。
2.6 移动终端
与4G终端相比，面对多样化场景的需求，5G终端向形态多样化与技术性能差异化方向发展。5G初期的终端产品形态以eMBB场景为主。NSA非独立部署支持双发终端，SA独立部署支持单发或双发。
4G UE的发射功率为23 dBm，5G UE典型发射功率如表5所示：
表5 典型5G终端发射功率
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设备类型28 GHz39 GHz 3.5 GHz 4.5 GHz TUE/dBm20172626
CPE/dBm27192323
UE/dBm21212323
3 5G与4G无线覆盖差异
与4G相比，5G具有大带宽、灵活高效的空中接口技术及超大规模天线，具有明显的技术优势。但从频率上，5G引入C-band及毫米波，加大了空中传播及穿透损耗，给规划带来难度与挑战。从覆盖能力和产业支持度上来看，3.5 G频段会是5G初期建网的主力频段。下面将以5G 3.5 GHz为例，对比4G/5G上下行链路，评估无线覆盖能力。
3.1 下行覆盖能力差异
受益于5G NR的大带宽、天线技术与终端提升，3.5 GHz的下行覆盖能力优于4G 1.8 GHz，理论计算比4G 1.8 GHz强5.8 dB左右，如表6所示：
表6 下行覆盖链路差异表
链路参数 1.8 GHz 4R 3.5 GHz 64TR NR链路差异/dB 发射功率40 W（46 dBm）200 W（53 dBm）7
PRB数量100273-4.4
天线增益/dBi1710注7解调门限MCS5MCS210.9
噪声系数770
干扰余量24-2
阴影衰落余量89-1
频段传播差异 1.8G 3.5G-5.7穿透损耗1420-6
注：天线增益仅为单个TRX的天线增益，每个TRX天线增益为10 dBi，其中14 dB为BF增益，体现在解调门限里，不在天线增益里体现你好用英语怎么说
NR的3D MIMO技术相对LTE在立体覆盖上具有优势，结合波束赋形的高增益特性，在一定程度上弥补了3.5G频段传播能力不足的情况。新建5G站点时，以波束最大增益方向覆盖小区边缘，垂直面有多层波束
时，原则上以最大增益覆盖小区边缘。3.2 上行覆盖能力差异
3.5G NR 较LTE 上行传播损耗更大，到达基站接收端的可用功率更低，深度覆盖情况下上行功率只能支持较少RB ，造成NR 高带宽、高阶调制、多流等优势无法生效，且由于NR 采用TDD 方式，相对FDD 系统，上行覆盖能力存在明显劣势，理论计算比4G 1.8 GHz 弱10.4 dB 。上行覆盖能力差异如表7所示：
表7 上行覆盖链路差异表
链路参数 1.8 GHz 4R
3.5 GHz 64TR NR
链路差异/
dB
UE 发射功率/dBm 23263天线单元增益/dBi
1710-7RB 数48160-8.2解调门限MCS7MCS213.2跳线及连接损耗/dB
0.500.5噪声系数 2.3 3.5-1.2干扰余量532阴影衰落89-1频段传播差异 1.8 G 3.5 G -5.7穿透损耗
14
20
-6
因此，5G 3.5 GHz NR 覆盖瓶颈在于上行，可通过上行覆盖增强技术SUL 进行改善，如图2所示：
图2 4G/5G 上行覆盖差异及SUL 示意图
根据理论计算，采用上下行分离，将NR 上行部署在LTE 低频（1 800 MHz ）存量频段，与 L 1800动态共享，可提升上行覆盖，效果与L 1.8G 基本一致。
4 结论
5G 相比4G 具有明显的技术优势，受益于N R 的
1.8G NR 上行（SUL ）
3.5G NR 64R 上行
10.4 dB 差距L 1.8G 2R 上行
胡丹（orcid/0000-0003-1117-261X ）：通信高级工程师，硕士毕业于北京邮电大学电子与通信工程专业，现任广州杰赛科技股份有限公司运营商事业部华南地区无线总工程师，主要从事移动通信无线网络规划
婚礼酒席、设计等工作
。
作者简介
大带宽、天线技术与终端提升，5G 3.5 GHz 的下行覆盖能力优于1.8 GHz 。5G 网络初期主要频率部署在C-band 中频段，空间损耗、传播损耗较4G 频率大。5G 3.5 GHz 的覆盖瓶颈在上行，采用高功率终端、大规模天线及波束赋形、上行增强等技术可有效缓解上下行覆盖不对称。中国移动5G 网络主要采用2.6 GHz 频段，5G 覆盖能力理论与4G 网络D 频段相当，现有4G 站址密度基本满足5G 覆盖需求。中国联通和中国电信5G 网络采用3.5 GHz 频段，网络覆盖能力弱于现有4G 网络，现有站址密度无法满足5G 覆盖需求，应根据网络覆盖需
求引导5G 建设，如要实现1:1共站址规划，可使用低频资源进行上行传输，解决上行覆盖受限的问题。运营商5G 初期规划应重点关注覆盖、速率，后续还需关注其他影响业务体验的指标。
参考文献：
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