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广覆盖需求的实现 | 带你读《5G 空口设计与实践进阶 》之三

简介: 覆盖是 NR 实现高速率、低时延、大连接等其他性能指标的基础。为满足连续广覆盖的需求,NR 在覆盖方面进行了全方位的增强设计。
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NR 演进之路

| 1.2 解码 NR 设计 |

1.2.2 广覆盖需求的实现

覆盖是 NR 实现高速率、低时延、大连接等其他性能指标的基础。为满足连续广覆盖的需求,NR 在覆盖方面进行了全方位的增强设计。
1.广覆盖的基本约束
在无线随参信道环境下,信号在传输过程中通常会产生各种失真,包括线性失真、非线性失真、时间延迟以及衰减等。这些失真可能随时间随机变化,只能用随机过程来表述。因此,在讨论某个移动通信系统的覆盖能力时,将进行简化处理,只关注系统自身的传输特性。
对于 NR 而言,决定其覆盖能力的基本约束主要有传输机制、工作频段和发射功率。传输机制主要反映在底层的设计,如 RB、CP、GT 和 GP 的配置等。
以 LTE 的随机接入突发信号为例。随机接入突发信号由 CP(循环前缀)、随机接入前导码(Preamble)和保护时间(GT)3 个部分组成。预留 GT 是为了在上行同步尚未建立时,保证随机接入前导码的发送不受到干扰,因而 GT 的长度就决定了 LTE 的最大覆盖距离,即有

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其中,c0 为光速。式(1-12)表明,GT 长度越大,则 LTE 覆盖距离也越大。同理,NR 的覆盖能力也将受制于其自身的传输机制,尤其是底层参数的配置。
工作频段对 NR 覆盖能力的影响较为明显。由自由空间传播模型可知,载波频率越高,传播损耗就越大。因此,NR 工作在 mmWave 时的覆盖能力将远低于工作在 Sub 6G 时。
发射功率对 NR 覆盖能力的影响可以结合上下行链路来看。由于终端发射功率远低于基站侧发射功率,发射功率的差异导致了上行链路的覆盖距离低于下行链路的覆盖距离,即上下行不平衡现象,也称上行受限。可以预见,NR的覆盖能力也决定于上行覆盖能力,如图 1-7 所示。

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2.广覆盖的实现思路
根据对广覆盖基本约束的讨论,对应来看,NR 在传输机制,尤其是信道覆盖方面进行了全方位的增强设计。在工作频段方面,尽管向高频拓展是必然趋势,但 NR 也通过共享的方式对低频资源进行再利用。此外,为了弥补上行覆盖能力,NR 也在特定频段允许终端提升 3 dB 的发射功率。
(1)信道覆盖增强。
以 LTE 为例,PRACH 随机接入突发信号格式是制约 LTE 最大覆盖距离的重要因素之一。随机接入突发信号由循环前缀(CP)、前导序列(Sequence)和保护时间(GT)3 个部分组成。预留 GT,是因为在前导序列传输时,上行同步尚未建立,需要通过 GT 的配置来对抗多径时延。因此,PRACH 随机接入突发信号格式与小区覆盖范围存在约束关系,即小区边缘用户的传输时延 TRTT需要小于保护时间 TGT,才能保证 PRACH 能被正常接收且不干扰其他子帧。由于 TRTT 表征往返时延,故有

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由式(1-13)可进一步推导出小区最大覆盖距离,即有

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LTE 定义了 5 种 PRACH 前导格式,根据式(1-13)可计算出 LTE 小区最大覆盖距离为 107.34 km(Format 3)。
NR 的 PRACH 前导格式沿用了 LTE 的设计方案,但对 CP 的时长、前导序列的时长和重复次数、GT 的时长有不同的配置。例如 NR PRACH 的 Format 2,前导序列重复 4 次,能够有效对抗上行干扰,提高接收信号的解调性能。同时,在 Format 2 下,根据 GT 换算出的小区覆盖距离可达 142.99 km,相对 LTE 所支持的最大距离有较大幅度的提升。
除了随机接入信道的覆盖增强,NR 也对同步/广播信道、上/下行控制信道均进行了增强设计,具体的细节将在后续章节介绍。
(2)辅助上行。
针对上行受限问题,NR 提出了辅助上行(SUL,Supplementary Uplink)的可选方案。SUL 允许 UE 除了配置成对(FDD)或非成对(TDD)的上下行链路外,还可以附加配置辅助的上行链路,如图 1-8 所示。

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考虑 NR 在不同工作频段 f1(如 1.8 GHz、20 MHz 带宽)和 f2(3.5 GHz、100 MHz 带宽)条件下的上行覆盖能力。由于上行数据传输受限于 UE 最大发射功率而非上行信道带宽,尽管在 f2 频段下为用户分配的 PRB 更多,但每 PRB的功率密度远小于 f1 频段下的功率密度,因此,NR f1 的上行覆盖优于 NR f2。此外,由于 f2 频段高于 f1,其上行方向的路径损耗也更大,同理也印证了上述结论。因此,为了增强 NR 上行能力,可以为 NR UL 引入辅助链路,NR 与 LTE通过 TDM 或 FDM 的方式共用 LTE 载波频率(其频率通常低于 NR 的主力频段)。
通过辅助上行,NR 的覆盖范围将被适当拓展。以图 1-9 所示的场景为例,当 UE 处于 3.5 GHz 覆盖能力范围内,上行基于 3.5 GHz 进行数据传输;当 UE移动到 3.5 GHz 覆盖边缘,则上行调度至 1.8 GHz 传输,这就间接拓展了 NR上行的覆盖能力。

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值得注意的是,LTE 载波可用于 NR 上行共享的基本判断是,当前 LTE 承载的多为上下行不对称业务,尤其是 FDD 模式下,上行存在空闲频率资源。但SUL 会造成 LTE 性能的下降,尤其是当 LTE 使用高阶调制时,性能下降得更为明显。根据实验数据,当且仅当设置一个 PRB 的频率保护并且无功率偏置时,SUL 对 LTE 的影响才可忽略。
此外,还需特别指出,配置 SUL 的 UE,仅能在任一上行链路上进行调度传输,而不支持同时在两个上行链路上传送数据。这也是 SUL 和载波聚合(CA)的本质区别。
(3)终端增强。
在不考虑功放器件受限以及电磁辐射的前提下,提高终端功率实际上才是解决 NR上行覆盖能力不足问题的最为行之有效的方案。综合考虑功率补偿的作用以及运营需求等多种因素,R15 允许在n41/n77/n78/n79 特定频段上支持发射功率为 26 dBm 的高功率终端,即 HPUE(High Power UE)。HPUE 的 RFFE 架构设计用例如图 1-10 所示。

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此外,增加 UE 收发天线的数目也是有效的可选方案。支持 2×2UL-MIMO将是 NR 终端配置的普遍要求。

1.2.3 高移动性需求的实现

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