问题：﻿5G 基站的覆盖半径是否真的可以做到和 4G 基站一样？ 刚看到一份分析报告，说采用了Massive MIMO和波束赋形技术的5G基站可以做到和4G基站一样的覆盖半径，这，，，是真的吗？ [图片] [图片]…
话题：﻿移动通信、科技、通信、5G、数字信号处理
回答：﻿在通信设计中，确定新建基站覆盖半径是我们要做的一个主要工作。在确定覆盖半径时，我们主要考虑基站发射功率、基站话务量和周围建筑物的高度三个因素。一般来说，发射功率越高、话务量越低、周围建筑越低基站的覆盖半径越大。例如GSM900，在密集市区由于话务量过大，基站的覆盖半径可能只有500m，但是在郊区，覆盖半径可能会有1km，到了广阔的农村区域GSM基站的覆盖半径达到2~5Km也是有可能的。既然基站半径跟人口密度是成反比关系的，那么如果在广漠的草原呢？基站的半径是不是会变得无限大？其实关于这个问题，大家心里都有底，基站的覆盖半径不可能是无限大的，首先基站的发射功率就限制了它的覆盖范围，因为基站的发射功率不可能是无限大的。既然这样，是不是说基站的发射功率足够大，它的覆盖半径范围就可以随之增大？基站的覆盖半径会不会达到100Km甚至1000Km？显然不会，我是没见过覆盖半径有100Km的基站的，不知道你们见过了没有？既然人口密度和发射功率都不是限制基站极限覆盖半径的决定性因素，那么限制基站覆盖半径的关键因素到底是什么？基站半径的理论极限值到底在哪里？GSM最大理论覆盖半径电磁波的速度虽然快如闪电，但是无线信号在空气中传播还是需要时间的，对于咱们来讲可能几百微秒或者几毫秒就是一瞬间的事情，但是对于精密的无线传播系统来说，几毫秒可以意味着很多。为了这几毫秒的时间差，TD-SCDMA和CDMA2000在系统内部无法保证定时问题的时候甚至给自己戴了个叫GPS的蘑菇头。既然无线系统内的时间同步如此重要，那么无线信号在传播过程中产生的时间迟滞自然也就不能忽视了，为了弥补无线信号在空气中传播产生的时间迟滞，GSM系统里面设置了一个叫做时间提前量（TA：TimeAdvanced）的参数（在TD-SCDMA和TDD-LTE里面叫做主保护间隔GP）。这个时间提前量是怎么起作用的呢？假如用户距离基站3Km，基站信号从基站出发，到达用户那里再反馈给基站，这样一个过程就完成了信号的一次传播。在这次信号传播过程中，信号的时延应该是3X1000X2300000000=20us，此外手机接收到基站信号再作出反应也需要一定的时间停滞，在这里假设为10us。为了弥补信号在这个过程中传播时延，GSM系统基站需要通知用户手机终端把TA设置为30us，也就是说手机信号应该在传输时隙中的位置应该比正常情况下提前30us，这样才能保证信号“准时”到达基站，避免码间干扰等现象的产生。时间提前量TA的作用原理如下所示：注：GSM规定手机终端收与发信号之间相差3个时隙。时间提前量TA工作原理图在GSM里面TA被设计在一个叫做RACH的突发脉冲里面，对于突发脉冲的概念在这里就不解释了，大家只需要知道这是一段用来携带GSM系统信息的数据流就行了。RACH突发脉冲的结构图如下所示：接入突发脉冲序列数据结构图RACH突发脉冲（AB）由同步序列（41bit）、加密信息（36bit）、尾位TB（8+3bit，后面的3bit尾位可以作为TA使用）和保护时间GP（68.25bit）构成，保护时间GP里面必须要留出8.25bit的保护带（所以在保护时间GP里面只有68.25-8.25=60比特可用于时间提前量TA）不能占用。综上所述，TA的长度应该是是3+68.25-8.25=63bit。由于一个bit时间长度为3.69us，所以我们可以计算得到在这种情况下TA=633.69=232.47us。假设时间是电磁波从基站到手机要经过的时间，通过上面的TA工作原理图我们知道TA=2，所以=TA/2=116.235us，最后计算电磁波在时间内走过的距离r=（光速）=116.235usm/s=34.87km。由于是无线系统允许信号在空气中传播的最大时延，求得了信号在时间内走过的最大距离就相当于求出了系统允许手机终端距离基站的最大距离。所以根据理论计算GSM的最大覆盖半径应该是34.87km。在某些情况下，当我们需要比34.87km更大的覆盖半径时，可以把每载频所容纳的信道数减半，再设置扩展时隙。这时基站会用两个时隙来处理一个用户的数据，把第二个时隙作为扩展信道来使用。这样子就相当于把两个时隙作为一个时隙来用了，它仅使用偶数时隙的信道（因为时隙0必须用做BCCH），空出奇数的时隙来获得较大的保持时间。这个技术被称为扩展小区技术。通过这种方法将会增大一个突发脉冲的时长，此时基站的最大覆盖半径为：3.69us×(63+156.25)×3×m/s÷2=121.38km所以大家别小看GSM基站，虽然平时在城区的覆盖半径只有几百米，但是真正要广覆盖的时候，它也是能提供宽大一百多千米覆盖半径的。TD-SCDMA理论最大覆盖半径跟GSM一样，TD-SCDMA也在自己的帧结构里面设置了一个跟TA功能相似的特殊子帧——主保护间隔（GP）。主保护间隔（GP）的作用是隔离特殊子帧UpPTS和DwPTS，避免它们相互干扰。TD-SCDMA系统在规定的时间里接收并解码特殊时隙DwPTS里面的符号，获取下行信道的相关信息；然后经过GP这段时间以后，系统接着接收并解码特殊子帧UpPTS，获取上行信道的信息。这个GP就是楚河汉界，让上行信息和下行信息互不干扰。我们知道TDS载波带宽为1.28Mchips，帧长是10ms，每个帧被分为两个5ms长的子帧，每个子帧由7个常规子帧和3个特殊子帧组成，其中一个特殊子帧就是长为96chips的GP。如下图所示：TD-SCDMA帧结构由于GP的长度已知，那么可以根据这个长度计算GP持续的时间，继而求出TD-SCDMA的最大覆盖半径了，计算过程如下式：TD-SCDMA最大覆盖半径R=GP时间长度C2=96chips1.28Mchips32=11.25km所以一般情况下TD-SCDMA的理论最大覆盖半径为11.25Km。此外，如果允许DwPTS对UpPTS的施加影响，那么TD-SCDMA系统能够接受的2τ可以达到（96+96）chip，基站最大覆盖半径从11.25km扩展到22.5km。进一步地，TD-SCDMA基站覆盖半径还可以继续扩大，通过DCA（DynamicChannelAllocation）来锁住第一个上行时隙，能够接受的GP时间长度2τ可以达到（96+864）chip，这种情况下最大支持的覆盖半径将达到112.5km。注：上面的计算是没有把系统的反应时间考虑在内的，系统在接收到信息以后做出反应，然后再回复信息，这个上下行的转换过程也需要时间，通常是10us到40us。如果把这部分时间计算在内的话以上的公式应该为R=（GP时间长度-系统上下行转换时间）C2。所以实际TD-SCDMA基站的覆盖半径要比上面理论计算值要少一些。WCDMA和CDMA最大覆盖半径由于WCDMA和CDMA这两种制式属于自干扰系统，也就是说系统的容量和半径都受制于自身已有用户所带来的干扰，所以WCDMA和CDMA对于理论覆盖半径没有严格的规定，一般都是取经验值为准。一般来说，由于WCDMA的快速功控每时隙1次，为了保证功率控制的准确性，所以空口的总时延应尽量控制在2560chip内。每chip的时长为1/3.84Mcps=0.26us，所以小区半径应小于2560*78/2=100公里。但是，目前很多厂家通过增强的rake接收技术已经可以实现半径为200公里的超远覆盖技术，现网测试的WCDMA超远覆盖距离基站已经有110公里覆盖半径的成功案例。一般来说，WCDMA在密集城区覆盖半径为400m左右，在一般城区覆盖范围为1-2km，边远郊区可达数十公里，最大可达44.5km（爱立信设备默认值）。CDMA在网络规划时一般密集城区的覆盖半径在200-500米左右，一般城区在500-800米左右，郊区和县城在800米到1500米左右。农村、开阔地、山区、公路等要根据具体情况规划设计，一般在1.5到10公里左右。如果想要覆盖几十公里，那需要非常干净无干扰的无线环境才行。TDD-LTE最大覆盖半径GSM和TD-SCDMA都是由一个参数来决定覆盖半径的，但是TDD-LTE不一样，它的小区半径由三个参数共同决定的。第一个参数是上下行转换间保护时隙GP，第二个是随机接入突发信号的保护时间（GT），第三个是循环前缀CP。要想知道TDD-LTE的理论最大覆盖半径，就需要对三个参数都分析一遍，然后根据实际情况选取才行。1.根据上下行转换间保护时隙GP计算覆盖半径在计算之前先来回忆一下TDD-LTE的帧结构，如下所示：TDD-LTE无线帧为10ms，每个无线帧由两个半帧构成，每个半帧长度为5ms。每一个半帧由8个常规时隙和DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙构成，DwPTS和UpPTS的长度可配置，DwPTS、GP以及UpPTS的总长度为1ms。TDD-LTE时隙结构上图中Ts=1/(15000x2048)s=1/30720000s注：15000表示每个子载波是15KHz带宽，而2048则表示的是每个子载波抽样2048次。帧的长度：Tf=307200xTs=10ms子帧的长度：Tsubframe=30720xTs=1ms时隙的长度：Tslot=15360xTs=0.5ms根据前面TD-SCDMA的计算经验，我们知道小区半径计算公式应该是：R=GP时间长度C2所以计算的关键就是看GP时间长度了，根据协议规定，我们知道在0~8这九种时隙配比中的DwPTS：GP：UpPTS的比值如下表所示。而且我们知道DwPTS+GP+UpPTS=1ms，那么GP的时间长度也就不难算出来了，可别告诉我连这么简单的计算你都忘记怎么算了。时隙长度的配置选项计算结果如下所示：根据GP计算小区半径表2.根据随机接入突发信号的保护时间（GT）计算覆盖半径关于接入突发信号，估计大家不会太陌生，因为在GSM的覆盖半径中它才刚露了个面。接入突发序列里携带了接入用户的相关信息，不同的前导序列是为不同用户服务的，所以为了避免距离基站远近不同的用户对基站的干扰，必须要预留足够的保护时间（GT）给基站。在TS36.211中定义了五种随机接入突发信号格式，目前TDD-LTE支持格式0、1和格式4。随机接入突发信号由CP、前导序列和保护时间GT三部分组成，如下图所示：随机接入突发信号而根据TS36.211定义，随机接入前导参数如下所示：随机接入前导参数在上面的前导参数表里，突发信号时间总长度、和都已经给出来，那么根据这些信息我们可以计算出相应的格式下保护时间GT的时间长度，以及计算最后的覆盖半径了。注：30720*Ts=1ms，覆盖半径计算公式为R=*C/2TDD-LTE根据保护时间计算最大覆盖半径3.根据循环前缀CP计算覆盖半径在TDD-LTE中一共有三种CP，如下如所示：三种循环前缀格式正常CP：常规CP有7个OFDM符号，第1个OFDM符号的CP长度是5.21us．第2到第7个OFDM符号的CP长度是4.6875us。，由于CP只是在单向上进行传送，所以通过CP来计算覆盖半径时，公式应该是R=CP*c（光速），经计算可得正常CP的覆盖范围是1.40625Km，所以CP可以在1.40625km的时延扩展范围内提供抗多径保护能力。常规CP适合于市区、郊区、农村以及小区半径低于5km的山区环境．扩展CP：扩展CP有6个OFDM符号．每个OFDM符号的CP长度均是16.67us，经计算可得正常CP的覆盖半径是5Km。扩展CP可以在5km的时延扩展范围内提供抗多径保护能力，扩展CP适台干覆盖距离小于5km的山区环境以及需要超远距离覆盖的海面和沙漠等环境。超长扩展CP：超长扩展CP用于独立载波MBMS系统，长度为33.33us，经计算可得超长扩展CP覆盖半径是10Km。结论：根据以上的讨论过程可以知道，如果想要同时拥有良好的通信质量和广阔的覆盖半径，我们就必须要对GP、GT和CP这三个参数进行合理的比较选取。不过就目前的使用场景来看，TDD-LTE的覆盖半径在一般城区内的覆盖半径都在2km以内，这个结果是综合了链路损耗预算和容量规划等方面考虑后得到的。而且对于咱们设计人员来说，那些设计设备硬件系统配置的参数基本不为设计人员所知的，所以我们很多时候只需要运营商给出的建议结合当地环境把LTE的覆盖半径的值定在一个相对合理的范围内就行。接下来从基站功率损耗的角度来阐述这个问题。假如我们经过损耗计算得知一个扇区发射功率为40W基站的覆盖半径是1000m，从另一个角度来看，我们也可以认为3束40W的扇形电磁波能量可以覆盖一个半径为1000m的正六边形的面积（每个基站3个小区，覆盖的地理区域等效认为是正六边形蜂窝网）。假设覆盖某个区域需要100个基站，那么算下来就需要100*3*40=12000W的无线电磁波能量才能完成对这个区域的覆盖。这也就是说，在这片区域上它每时每刻都在消耗着12000W的电磁波能量，这些电磁波能量都跑哪里去了？都损耗在空气和一些遮挡物当中了。电磁波在空气中传播跟声音在空气中的传播是相类似的，声音只能在空气中停留很短的时间，飘过去就没了，我们以听到的声音强度（也就是分贝）来衡量声音大小。声音越大，分贝越高。而在电磁学上，我们会以接收到的信号强度来衡量电磁波的强弱，电磁波受到的损耗越大，那么最后到达接收端的信号功率就会越弱。电磁波信号受到的损耗跟什么因素有关呢？链路预算链路预算就是通过计算无线信号在从产生到被接收处理过程中所受到的损耗和增益，得到无线信号在空气中传播的路径损耗值的过程。所谓路径损耗值，指的是无线信号在空气环境中传播时允许的最大损耗值，路径损耗主要包括以下三类损耗：首先信号在机器中产生的内部损耗。无线电磁波信号是从基站设备RRU中产生的，在发射端电磁信号从RRU中出来的时候需要经过一些元器件和馈线，而在接收端同样也要经过一些元器件才能进入处理器进行处理，电磁信号经过所有这些无线器件都会造成信号损耗。其次当电磁波在空气中传播时产生的空间损耗和遮挡损耗，电磁波在空间传播距离越远，空间损耗越大，而且损耗的大小是与距离成对数关系。，电磁波的损耗还跟传播环境相关，例如在传播过程中遇到的空气尘埃、建筑物或者车辆等等阻挡物都会对电磁波的传播产生遮挡损耗最后是外部干扰信号的干扰损耗，包括人类活动产生的干扰信号和自然中存在的干扰信号都会对信号的质量造成影响。计算这些损耗值有什么作用呢？我们知道，无线设备的发射功率和接收灵敏度都是设定了的，只要我们知道无线信号在设备中的损耗和增益，那么就可以计算无线信号在空气环境中传播时允许的路径损耗值了。路径损耗值越大意味着此时无线信号传播的距离越远，基站无线信号在空气中传播的距离就是无线基站的覆盖半径，所以求路径损耗值的最终目的是求解无线基站的覆盖半径。无线信号的传播分上行链路和下行链路两个方向，上行链路指的是从手机终端发送信号给基站，而下行链路则是从基站发送信号给手机终端。既然无线链路分上行和下行两种，那么在计算路径损耗的时候也需要分为上行链路损耗和下行链路损耗来考虑才行。如果计算得到下行允许的路径损耗比上行的路径损耗大，那么下行方向的覆盖半径就会比上行覆盖半径大，反之也是同样的道理。所以在进行设计的时候一般都要做到上下行的功率达到基本平衡，这样才能让无线系统发挥最大的效用。而我们在做链路预算的时候如果碰到上下行功率不平衡的情况，常常在二者中取较小值为准。下面我们通过一个图来看看无线基站上行链路和下行链路的信号发射和接收的过程，如下图所示：无线信号发射和接收过程模型在下行信号链路中，是基站发射机前端输出功率，是馈线接头等损耗，是基站天线增益，是下行传输路径损耗，是手机终端天线增益，是手机终端接收电平，是损耗冗余（用以合算外部干扰和零散损耗等无法精确计算的损耗）。注：上图提到的天线增益、接收机、发送机等概念在本书第六章和第七章有所讲述，需要了解的朋友可以找该章节内容来看。根据上图我们可以得到以下等式：那么经过简单转换可以得到下行路径损耗公式为在这里已经有天线增益，为什么还要加上分集增益呢？因为分集增益是多天线接收信号的结果，例如有两个天线同时接收信号，那必定比单独一个天线接收到的信号效果要好，那么对于双接收天线来说自然也有增益了，多个接收天线带来的增益称为分集增益。注：在一些资料当中，为了省却计算馈线、设备接头损耗和天线增益等步骤，会用一个叫做天线口有效辐射功率的参数来表示无线信号从天线发射口出来的功率值。有效辐射功率的意思就是说不管信号在发射端的发射功率是多少，不管在基站设备内部有多大的损耗，也不管天线的增益有多大，我们只需要在天线口这里测试最终发射出来的功率，然后就可以把这个功率值作为基站天线最后对外的发射功率参考值了。对于定向天线我们用EIRP来表示天线口有效辐射功率，而对于全向天线则用ERP来表示。EIRP和ERP之间的关系用下式来表示：EIRP=ERP+2.15。不过这种方法有一个非常大的弊端，因为每个基站每一副天线的馈线长度都是不同的，而且在采用不同型号发射天线的情况下天线带来的天线增益也是不同的，这也就意味着如果有一百副天线，那么就有可能要进行一百次天线口功率测量，所以使用有效辐射功率在实际工程中应用会存在一定的偏差。天线口有效辐射功率根据下行/上行路径损耗公式可以计算得到上下行方向的最大路径损耗值，但是只有最大允许路径损耗值并不足以精确的计算出基站的覆盖半径，我们还需要知道无线信号在传播时空间损耗与传播距离的数学关系，这就需要借助无线信号的传播模型了。无线传播模型无线传播模型指描述无线信号在空间传播过程中所呈现无线特性的数学公式，大家看好了，是数学公式，而不是像建筑行业那样搞一个木制的缩小版房子模型出来。现在使用的无线传播模型基本都是在自由传播模型基础上重新建模的，在通信领域我们把无线传播模型分为确定性模型和经验模型两类。所谓确定性模型是根据电磁波的特性经过理论计算得出的传播模型，例如我们看到的自由传播模型和一些比较少见的射线跟踪模型等，确定性模型一般用于室内分布或者微小区这些天线口发射功率比较小的站点分布预测。至于经验模型就容易理解了，无非就是前人根据大量统计数据计算和修正过的统计模型，比较具有代表性的有Okumura模型、Hata模型和Egli模型等。由于经验模型切合实际，而且实用性很强，所以受到了设备商和运营商的一致欢迎。下面来看看使用比较频繁的几种经验模型是长什么样子的。1.自由传播模型适用条件：实验室理想环境自由传播模型是无线传播模型的鼻祖，它从本质上描述了无线电波的传播损耗跟电磁波的频率以及传播距离之间的关系，后面几种经验模型都是从自由传播模型衍生而来的。从上面的公式可以看到，不考虑外在因素的影响情况下，电磁波的频率越高、传输距离越远，路径损耗就越大。这个公式涉及到了对数函数，可能有些人没什么印象了，没印象没关系，先看看对数函数的图像长什么样，如下图所示：对数函数图无线信号传输距离损耗表从这个图表可以看得出来，在前一千米的距离里，信号的损耗变化是很快的，距离大于一千米以后，信号损耗就增长的就慢得多了。看完基本的自由传播模型，还有几种常用的经验模型。2.Okumura-Hata模型Okumura-Hata模型适用条件：Cost231-Hata模型标准模型SPM最后我们来看看每一个规划仿真软件都必定会有的传播模型：标准模型SPM。在这里要注意所谓标准模型不过是相对于其他名字各异的传播模型而言的。在这里大家要注意不同的仿真软件中标准模型SPM的格式是不一样的。例如AIRCOM公司规划软件的通用传播模型是这样的：Pathloss=K1+K2log（d）+K3+K4log（)+K5log(Heff)+K6log(Heff)log(d)+K7（DiffractionLoss）+而Fork的商用软件通用传播模型是长这个样子的:还有就是大唐移动网规软件通用传播模型又是另一番模样：PL=K1+K2*logd+K3*logHeff+k4*logHms+K5*Diff+K6*logHeff*logd+Clutterfactor虽然这几种规划软件给出的SPM格式各异，但是内在的本质都是差不多的，我们只需要摸透了一种SPM，其它的模型也都举一反三，可以依样画葫芦举了。模型校正虽然我们已经给出了通用模型SPM中待可变常量K的参考值，但是原则上那七个K参数是会随着环境变化而变化的。我们怎么知道在某个城市特定环境下的K参数取值多少才合适呢？要想确定具体K参数值，就需要进行模型校正这一步骤了。模型校正，就是通过对实际环境中的信号传播进行测试得到数据，然后根据所测得数据对现有的传播模型中的某些参数进行修正的过程。模型校正最常用的测试方法是CW测试。在模型校正之前，我们需要先考察一下这7个K参数里面哪些参数是需要进行校正的。从对模型的分析可知，k1、Kclutter是常量，与传播距离、天线高度等因素无关；K3，K4为移动台的高度修正因子，由于移动台的高度变化不大（可定为1.5米左右），因此K3、K4最终可以在最后阶段做微量调整甚至不需要调整，取默认值就行；K5是与天线高度相关的因子，天线高度在测量的过程中一般保持不变，所以也可以采用默认值；综上所述，如果用AIRCOM自带的模型进行校正，一般只要校正K2，K6，K7，clutterloss这五个参数值。当然了，如果你拿到的规划工具不是AIRCOM公司的，而是其他公司规划工具的话SPM的格式会不同，模型校正的具体参数会有所区别。虽然不同公司的SPM格式千变万化，它们的原理基本是相同的，都必须要有移动台高度因子，天线高度因子，衍射因子等等，大家找到具体对应的参数就可以了。确定了要进行模型校正的K参数，接下来可以使用CW测试法来进行模型校正了。所谓CW测试即连续波测试，其最主要的工作就是在保证避免快衰落的前提下采集足够多的样本数据，然后使用采集到的样本数据结合数字地图对已有的传播模型进行调整和校正，最后得到最适合当地环境的传播模型校正值。鉴于模型校正操作过程的繁琐流程，在这里只是简单提及一下模型校正相关的内容，如果要了解模型校正的具体流程和需要注意的事项可以参照人民邮电出版社出版的《4G丛书：TD-LTE无线网络规划与设计》，在这里不详述了。最大允许路径损耗在链路预算这一节中已经计算得到，而传播模型也在无线传播模型这一节中选好了，接下来是不是就可以把最大允许损耗代入传播模型中计算了？是的，计算出来的结果就是我们梦寐以求的基站覆盖半径d。从以上内容可见，覆盖半径跟基站使用的频率，基站的发射功率，馈线损耗等等都有关系。倒不是说基站加大发射功率就能提升覆盖半径的，还得考虑手机的发射功率，也就是上行覆盖半径，如果手机发的信号基站收不到，单独加大基站的下行发射功率是不起作用的。