5gnr一致性测试详解（聊一下5GNR性能及如何进行链路预算）

5gnr一致性测试详解（聊一下5GNR性能及如何进行链路预算）垂直4行×2极化，相对于普通的FDD 2T2R设备（也即垂直1列×2极化），垂直方向增益为：10*log(4)=6dB；水平8列×2极化，相对于普通的FDD 2T2R设备（也即水平1列×2极化），水平方向增益为：10*log(8)=9dB；5G NR 64T64R天线阵列图64T64R垂直方向共4个通道，实现3D赋形，不需内置电下倾，每通道对应3个阵子，直接合成并输出。Massive MIMO赋形增益目前主要体现在SINR中，赋形增益可以拆分为垂直和水平两个维度，以64T64R为例：

随着5G网络建设的推动和应用场景的丰富，5G不仅需要满足人们对超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性的需求，能够为用户提供高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体现，同时还要渗透到互联网的各个领域，与工业设施、医疗仪器、交通工具等进行深度的融合，实现“万物互联”的愿景，有效地满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。通过5G NR性能的研究和链路预算的计算对后续建网的大方向提供指导性意见。

5G NR链路预算

与2/3/4G网络链路预算相同，5G链路预算的目的是进行覆盖估算，根据发射端的有效发射功率，考察接收端由特定业务决定的接收灵敏度，并综合考虑信号传播过程中的增益、损耗、余量，计算允许的最大路径损耗（MAPL），再通过传播模型计算覆盖半径。

• 基站天线配置

基站侧采用基于大规模天线阵列的Massive MIMO技术。Massive MIMO是5G NR的关键技术，目前常见的规划有64T64R、32T32R、16T16R、8T8R等几种规格。

例如64T64R的天线共计192阵子，推荐应用于密集城区、城区场景。8列×4行×2极化，每通道对应3个阵子。垂直方向单个通道的增益为11dBi，业务信道的赋形增益全部体现在解调门限中。

5G NR 64T64R天线阵列图

64T64R垂直方向共4个通道，实现3D赋形，不需内置电下倾，每通道对应3个阵子，直接合成并输出。

• Massive MIMO赋形增益

Massive MIMO赋形增益目前主要体现在SINR中，赋形增益可以拆分为垂直和水平两个维度，以64T64R为例：

水平8列×2极化，相对于普通的FDD 2T2R设备（也即水平1列×2极化），水平方向增益为：10*log(8)=9dB；

垂直4行×2极化，相对于普通的FDD 2T2R设备（也即垂直1列×2极化），垂直方向增益为：10*log(4)=6dB；

整体赋形增益为9 6=15dB，也即10*log(64/2)。

同理，32T32R产品的赋形增益为10*log(32/2)=12dB，16T16R产品的赋形增益为10*log(16/2)=9dB。

• 广播天线增益

2/3/4G中，每个小区都只有一个确定的广播波束。在5G中，引入了波束扫描（beam sweeping）的概念，小区广播覆盖由多个不同指向的子波束共同完成。

小区广播预先定义N个子波束，各子波束之间通过时分的方式依次轮循发送；UE在搜索小区时，通过测量各子波束的信号强度，选择信号最强的子波束作为自己的驻留波束。

针对不同的场景，可以配置不同的广播权值，实现最佳覆盖。目前商用前期，终端芯片最大支持4波束扫描，以典型水平4波束扫描为例，对应的广播天线增益约为：

水平四波束扫描天线合成方向图_NR 3.5GHz

• 帧结构和上下行时隙比例

典型帧结构有2ms单周期、2.5ms单周期、2.5ms双周期、5ms单周期四种。

2.5ms双周期：其中，国内3.5G频段目前统一采用2.5ms双周期的帧结构，也即DDDSU DDSUU，一个周期为5ms。其中：每个子帧为0.5ms，包含14个符号。按照上述帧结构，上下行的时隙比例约为（扣除控制信道占用）：上行30%，下行65%。

2.5ms双周期帧结构

2ms单周期：上行25%，下行70%

2ms单周期帧结构

2.5ms单周期：上行20%，下行75%

2.5ms单周期帧结构

上述三种帧结构，2.5ms双周期的上行时隙比例最大，对应的上行覆盖和容量都是最好的。5G NR覆盖主要受限于上行业务信道，采用2.5ms双周期帧结构可以改善上行覆盖。上行覆盖提升大致计算如下：相同边缘速率要求，对应的TBS随上行时隙比例的增加约等比例下降，也即需要分配的RB数约等比例下降，也即对应底噪等比例下降，最大允许路径损耗等比例提升。

对比2.5ms双周期和2.5ms单周期，覆盖提升的比例为：10*log10(30%/20%)=1.8dB。

对比三种帧结构的时延时，按照两个上行子帧之间的时间间隔来计算，2.5ms单周期和双周期是一致的，都是2ms；而2ms单周期则是1.5ms。因此2ms单周期时延性能最佳。

三种帧结构性能对比汇总如下：

不同帧结构覆盖/容量/时延对比

• SINR和RB分配

5G的RB分配与4G较为类似，按照覆盖最优原则进行RB分配，也即接收机灵敏度最低原则。对于上行，更多的RB分配虽然可以降低MCS，降低SINR；但同时因为分配带宽的增加，每个RB上的功率降低，热噪声也会对应增加。因此，上行存在最佳RB分配，也即选择某个RB分配，能够使接收机灵敏度最小。理论上我们需要根据SINR表来计算得到各种速率的最佳RB分配。上行无法通过不断增加RB分配增加覆盖半径，是链路预算中上下行RB分配的最关键差异。当前的处理是各种速率均按照MCS 4处理，根据TBS需求分配对应的PRB资源。

上行典型速率的RB分配、MCS以及SINR如下：

5G NR上行各业务RB分配、MCS以及SINR（5ms单周期 20%上行时隙比例）

5G NR上行各业务RB分配、MCS以及SINR（2.5ms双周期 30%上行时隙比例）

对于下行，理论上应当取使MCS降低为0时的RB分配，或者满RB分配(此时即使满RB分配也无法使MCS降低为0)。5G链路预算表格中，当计算最大覆盖能力时，可直接按照满RB分配处理的。原因是：

1、当RB未达到满RB分配已经满足MCS=0时，继续增加分配的RB数，同时带来了发射端EIRP的增加和热噪声增加（RB数大于等于20时，SINR保持不变），二者是相互抵消的：

发射端EIRP=Total Power 10log10(RB Assigned/RB Total)

接收机灵敏度=-174 10log10(RB Assigned*BW per RB) Noise Figure SINR

MAPL=EIRP-接收机灵敏度-余量 增益，上面两个公式相减，10log10(RB Assigned被约掉。

2、当满RB分配也不能使MCS降低为0时，为了到达覆盖最大化，只能选择满RB分配。

综上两种情况，计算最大半径时可以直接按照满RB分配来计算，并不影响计算结果。

下行典型速率的RB分配以及对应的MCS如下：

5G NR下行各业务RB分配、MCS以及SINR（75%下行时隙比例）

5G NR下行各业务RB分配、MCS以及SINR（65%下行时隙比例）

• 干扰余量

按照理论分析，5G采用Massive MIMO技术，更窄更精准的波束赋形技术可降低邻区干扰，因此5G的干扰余量小于4G LTE，参考系统仿真建议，多制式链路预算对比时，各制式的干扰余量取值建议如下：

干扰余量取值建议

• 传播模型

传播模型是链路预算最为重要的几个参数之一。2/3/4G链路预算中通常采用Okumura-hata（150MHz~1.5GHz）、Cost-231 Hata模型（适用于1.5GHz~2GHa），或者经过校正的Atoll/Aircom标准宏蜂窝传播模型。上述的传模适用的频段均为2GHz以内，严格来说并不适用于5G低频3.5GHz。目前在5G宏站低频3.5GHz的链路预算中，推荐使用3GPP UMa (Urban Macro)和RMa (Rural Macro)模型。

3GPP UMa/RMa传播模型

5G NR 协议 38.901、36.873中提到了UMi(Urban Micro ），UMa(Urban Macro)和RMa(Rural Macro) 三种无线传播模型，其中UMi适用于微站场景，宏站链路预算使用的是UMa和RMa。

模型的传播损耗表达式分为LOS和NLOS两种场景，链路预算我们主要关注NLOS场景，UMa和RMa的路损表达式均为：

其中：

Ø 为平均建筑物高度，，UMa典型取值20m，RMa典型取值5m；

Ø 为街道宽度，，典型取值20m；

Ø 为基站高度，，UMa典型取值25m，RMa典型取值35m；

Ø 为终端高度，UMa中，RMa中，典型取值1.5m。

Ø 是中心频率，单位为GHz。UMa的频率适用范围为0.5GHz~100GHz。

Ø 和的示意图如下，两者分别是直角三角形的直角边和斜边：

链路预算算得最大允许路径损耗MAPL之后，通过传模公式计算，再通过上述公式计算。在以往的2/3/4G链路预算中，传模损耗公式中的传播距离通常直接认为是基站到终端的距离，不做和的区分。

按照典型取值，UMa 25m天线挂高，一般城区Mean Urban公式简化为：

RMa 35m天线挂高，农村Rual公式简化为：

Cost231-hata与UMa的覆盖对比:

通过两个模型的传播损耗表达式，给定MAPL之后，可计算两个传模分别对应的半径。

以1.8GHz Mean Urban环境为例（Cost231-hata Kc=0dB），从下图可看到：

Ø 相同路损情况下，UMa对应的半径大于Cost231-hata；

Ø 1.8GHz频段，相同覆盖距离情况下，UMa对应的路径损耗约比Cost231-hata低3dB。

Cost231 hata与UMa覆盖半径对比-1.8GHz DU

再以3.5GHz Mean Urban环境为例（Cost231-hata Kc=0dB），从下图可看到：

Cost231 hata与UMa覆盖半径对比-3.5GHz MU

1、相同路损情况下，UMa对应的半径大于Cost231-hata；

2、3.5GHz频段，相同覆盖距离情况下，UMa对应的路径损耗约比Cost231-hata低7dB。

UMa传播模型修正:

UMa传播模型一个重大争议是公式中的频率项，也即20log10(fc)。2/3/4G常用的cost231-hata模型中，对应的频率因子是33.9。

也即，随着频率的提升，cost231-hata模型计算的路损提升更大，偏悲观；而UMa计算的路损则会偏小，偏乐观。

参考外场测试数据，目前产线基线建议将UMa频率因子修改为25，用于Dense Urban：

为了将UMa适配不同的地物环境，有两种方式：

1、与Cost231-hata类似的方式，通过K Clutter（Kc）进行调整；

当采用方式1时，建议传播模型如下，其中DU/U/SU都采用UMa，通过Kc调整，频率因子取25；RU采用RMa（因为是农村环境，频率因子不进行修正，仍使用20）。这个模型是目前产线基线。

传播模型推荐

通过UMa的参数平均建筑物高度h和平均街道宽度W来进行调整。

当采用方式2时，可结合当地实际地物情况进行调整。若需保持4/5G链路预算半径与产线基线基本持平，建议的参数取值如下：

• 穿透损耗

参考3GPP协议38.901，不同材质的穿透损耗定义如下：

3GPP材质穿透损耗模型

38.901同时定义了高损和低损两种室内穿透损耗计算模型，如下：

3GPP协议室内穿透损耗模型

据此计算的各种材质的穿透损耗、室内穿透损耗如下。

3GPP穿透损耗、室内穿透损耗计算

链路预算主要考虑高损模型，参考上述计算结果，建议各个频段的穿透损耗设置如下：

穿透损耗

• 切换增益以及阴影衰落余量

5G NR与LTE相同，均为硬切换。按照LTE的计算方法，硬切换增益相对软切换增益由于切换迟滞带来了部分损失，根据仿真结果，将软切换增益向下修正0.5dB。下表中列出了常用参数的阴影衰落余量和硬切换增益：

阴影衰落余量和硬切换增益

• 组网方式SA/NSA

5G NR的组网模式，有SA(Standalone)和NSA(Non-Standalone)两种方式。SA即为独立组网，包括Option 2/4/4a三种组网方式；而NSA则是NR以LTE eNB做为控制面锚点接入EPC，包括Option3/3a/3x/7/7a/7x。

当采用NSA组网时，PUSCH的信号仅在其中1T发射，因此，发射功率将从原来的26dBm降低为23dBm。同时，参考系统仿真建议，SINR将在SA基础上 2dB。也即，对比SA组网，NSA的MAPL要小5dB。

SA和NSA组网链路预算参数差异

而下行终端依然是4R接收，目前暂未考虑NSA对于下行链路预算的影响。实际上，因为NSA时上行SRS单发，影响赋形性能，下行也会有约10%~20%的容量损失。

5G NR性能验证

• massive MIMO权值的增益验证

5G NR支持基于Bean Sweeping的广播信道波束赋形，由多个窄波瓣波束轮发，形成宽波束覆盖效果。5G支持多种权值配置，生成不同组合的赋形波束，满足不同场景的覆盖要求。

水平四波束场景

水平四波束场景

65-6&30-6天线覆盖效果对比

65_6与30_6覆盖率对比

• 穿透路径损耗验证

选取共站址的4G与5G基站进行穿透损耗对比，配置参数对比：

室外场景测试结果：

室内场景测试结果：

室外：天线主瓣方向上，同位置LTE相比NR RSRP 高5~6dB，考虑RS功率配置差异2.6dB，实际路损差异为8~9dB；

室内：天线主瓣方向上，同位置LTE相比NR RSRP 高8~12dB，考虑RS功率配置差异2.6dB，实际路损差异为11~15dB；

参考室外路损测试结果，估算NR信号的建筑物穿透损耗比LTE大3~6dB。

• 单小区拉远覆盖验证

单小区拉远覆盖测试主要为了验证覆盖极限距离及速率的变化趋势。

室外下行速率单小区拉远测试结果：

室外上行速率单小区拉远测试结果：

选择室内进行单小区拉远对比，测试结果如下：

• 功率因素验证

AAU发射功率分别设置200W/100W，对应CSI 17.8/14.8dBm。降功率前后，RSRP值平均降低2.7dB。降功率前后，室外单站覆盖距离相当；室内覆盖距离收缩约3m，覆盖效果无明显区别。

室外单站200W和100W的RSRP CDF分布：

室外单站200W和100W的RSRP CDF分布：

• 下行加扰验证

加扰策略主要为模拟后续随着用户数增多，空口资源紧张情况下的网络性能研究。通过加扰前后对比，研究多用户下的网络性能变化趋势。

下行加扰测试结果：

上行加扰测试结果：

室内场景加扰测试结果：

从下降比例来看，远点用户受到邻区干扰影响较大，近中点相对较小，符合预期。

结束语

目前5G网络规划以eMBB场景为主，因此要以现网业务进行指引，通过对现网4G网络的梳理，结合5G网络的特性，汇总各维度数据，对5G网络进行规划和建设。5G网络的建设主要分为二阶段六环节。

预规划阶段主要包含：

Ø 4G现网评估：包含栅格级覆盖，栅格级或小区级负荷/流量/价值评估，投诉，DT评估；

Ø 5G站点规划：识别部署区域，基于MR的精准站点规划，基于投诉/DT的精准规划，规划方案拓扑评估；

Ø 5G仿真评估：规划方案优化，MM广播权值优化，3D覆盖预测，基于蒙特卡洛容量计算；

工程执行阶段主要包含：

Ø 站点工勘：站点勘查，天面整合设计，备选点建议；

Ø 5G仿真设计：精细化覆盖预测，RF参数规划，MM广播权值优化调整；

Ø 5G参数规划：邻区规划，PCI/PRACH规划，TAC规划。

5G网络部署前期，网络需求主要为整网的快速覆盖。通过5G NR链路预算及实际性能验证的结果看，在5G网络的建设前期可以采用同比例组网来完成重点区域及高价值区域的覆盖需求。