郭晓江
【摘要】 本文結合工业园区典型业务需求及建筑特点，通过对5G低频进行链路预算分析，给出了通过5G低频进行工业园区深度覆盖的效果评估，为后续我国在工业园区的5G低频规划建设提供了参考。
【关键词】 5G低频 链路预算 工业园区
引言：
2019年6月，我国工信部向中国移动、中国联通、中国电信和中国广电四家运营商颁发了5G商用牌照，我国5G商用大幕正式拉开。中国移动主要集中在2.6G频段，中国联通和中国电信集中在3.5G频段，中国广电表示将在2021年启动700MHz 5G规模建设。截止目前我国已经部署了超过70万个5G基站。
开发区是我国经济发展的主要载体和重要引擎。我国国家级开发区已达552个，省级开发区1991个，各类园区超过30万个。我国十四五规划已将加快建设5G等新型基础设施，开展智慧园区、智慧办公等建设内容列入其中。根据相关研究，80%的移动业务发生在室内。因此5G将成为未来智慧城市和智慧园区建设的重要基石，做好工业园区的5G室内深度覆盖意义重大。
本文结合工业园区业务需求和建筑特征，分析了5G低频段在工业园区的覆盖情况，并给出部署和产业发展建议，为后续工业园区5G低频规划和建设提供参考。
一、我国5G低频段
业界通常将大于1Ghz小于6GHz的频段统称为中频段，低于1Ghz的频段称为低频段。低频由于良好的穿透和覆盖性能受到业界格外关注，被称为黄金频段。
目前我国划分的低频5G频段只有700MHz（703～733 MHz//758～788 MHz），全部分配给中国广电使用，因此本文的5G低频将以700MHz为例，其他低频原理类似。
当前对5G覆盖分析大多集中在3.5GHz[1]频段和2.6G频段[2]，主要是密集城区、一般市区、郊区、农村等典型室外场景。针对工业园区的5G低频下的室内深度覆盖研究较少[3]。
二、 工业园区特征
工业园区是划定一定范围的土地，并先行予以规划，以专供工业设施设置、使用的地区。该区域内主要以工业企业为主，附以相应的配套设施。建筑形式上主要是办公研发中心、生产和制造车间、测试车间、标准厂房及少量配套商业门店、学校等。
2.1工业园区业务需求
工业园区的5G业务需求按照功能不同分为个人基本通信服务、智慧园区管理和智慧企业办公&生产需求三类。智慧园区中的部分业务比如网格员巡查类业务、平安园区类业务、环境监测类业务、联网无人机类业务主要发生在室外，而本文聚焦于室内深度覆盖，因此主要关注室内业务需求。表一为梳理出的与5G相关的室内主要业务需求[4][5]。
由表1可知，在工业园区中，个人通信服务主要以OTT类业务为主，对吞吐率要求较低。而对于涉及AR/VR的业务，对吞吐量要求较高，分别达60Mbps和240Mbps。除AR/VR业务外的其它业务，上行吞吐率在20Mbps以内，下行吞吐率在30Mbps以内。
2.2工业园区建筑典型特征
工业园区的建筑大多以低矮建筑为主，布局方正简单，但是宽度较大，层高也一般要求比较高。建筑结构种类除了钢筋混凝土框架结构外，还有钢结构、混合结构等形式。表二以某工业园区为例，列出了影响无线覆盖的工业园区建筑物典型参数。
由表2可知，此工业园区的典型楼体高度为13米～24米。一般天线高度稍高于建筑物高度，因此典型天线架设高度为25米。工业园区内的建筑以钢筋混凝土框架结构为主，也存在少量的钢结构建筑，暂未发现采用混合结构的建筑。典型建筑物楼体办公区进深约为15米，厂房楼体进深约为25米。在工业园区中，市政道路宽度约为15米～30米。
三、链路预算
链路预算是评估5G基站信号覆盖效果的主要方法，其基本思路是5G无线信号从发射端出发，经过各种因素对信号增益和衰减后，最终能正确地被接收端解调，然后计算允许的最大路径损耗（MAPL），最终利用信道传播模型计算出发射端与接收端的距离，即计算出了小区半径。用公式表示为：
MAPL（dB） =发射功率 （dBm）-发射端天馈损耗 （dB） – 10*log10（ 子载波数 ） + 发射端天线增益 （dBi） – 其他余量（dB）-其他损耗（dB） - 接收端天馈损耗 （dB）+ 接收机灵敏度
当考虑室内覆盖时，损耗中需要考虑墙体衰减和无线信号进入室内的衰减，也即：
MAPL（dB） = PLb+PLtw+PLin+N（0，σp2）
其中PLb为基本路径损耗，PLtw为穿墙损耗，PLin为室内进深损耗，N为室内阴影衰落余量，σ为标准方差。
3.1关键因素分析
3.1.1 传播模型的选择
5G协议[6]中分别提供了UMI，UMA，RMA，indoor office，indoor Factory五种场景下的信号传播模型。其中室内信道模型indoor office和indoor Factory的基站天线限定在室内，不适应5G基站室外照射室内的场景。UMA模型中已经包含了室内和室外场景且室内终端占比80%。3D-UMA信道模型是UMA模型的详细版本[6][7]，因此采用3D-UMA-NLOS模型，公式如下：
PL3D-UMa-NLOS = 161.04 – 7.1 log10 （W） + 7.5 log10 （h） – （24.37 – 3.7（h/hBS）2） log10 （hBS） + （43.42 – 3.1 log10 （hBS）） （log10 （d3D） - 3） + 20 log10（fc） – （3.2 （log10 （17.625）） 2 - 4.97） – 0.6（hUT - 1.5）
d3D表示天线到终端之间的距离（含室内距离），h表示平均建筑物高度，W表示街道宽度。
3.1.2 MIMO模式
虽然当前主流5G中高频均采用了Massive MIMO技术，但是由于低频波长较长，如果天线采用Massive MIMO多阵子结构，则会因为天线物理尺寸过大而难以实现，结合设备商在700MHz的支持现状及规划，本文基站侧采用典型的4T4R射频单元，终端侧采用1T4R。因此，MIMO模式下行为4T4R MIMO，上行为1T4R MIMO。
3.1.3 小区边缘速率
2.1节各场景下的业务需求即为小区边缘速率。
3.1.4 接收机灵敏度
指基站或者终端设备要完成接收信号的正确解调，需要能接收在一定信噪比条件下信号与噪声之和的总功率。接收机灵敏度与SINR紧密相关，而SINR与吞吐率基本正相关。根据小区边缘业务速率可求得MCS，再查表可得对应的SINR。
3.1.5 室内穿透损耗
5G无线信号从室外穿过建筑物墙体进入室内会发生信号衰减，不同材质对信号的衰减程度不同，一般频率越高衰减越大[8]，信号进入室内后传播也存在一定损耗，上下行损耗相等。
文献[6]定义了两种室外室内穿透损耗模型：低穿透损耗模型和高穿透损耗模型，如表3所示：
其中Lglass代表信号经过普通玻璃的衰减值，LIIR代表信号经过IIR玻璃的衰减值，Lconcrete代表信号经过混凝土墙体的衰减值，三者的计算公式如表四所示。d2D-in代表建筑物室内进深。
其中f为以GHz为单位的频率。
根据2.1节，工业园区建筑物的墙体以钢筋混凝土为主，以及少量的钢结构，因此采用低穿透损耗模型。按照表3，700M频段下工業园区建筑墙体的穿透损耗约为10.31dB。
根据2.1节，办公室场景下室内进深约为15米，因此室内传输衰减为0.5* PLin =7.5dB。厂房场景下室内平均进深约为25米，因此室内传输衰减为0.5*PLin=12.5dB。根据表3低穿透损耗的标准方差，计算可知室内阴影余量为5.6dB。
3.2链路预算
综合以上计算可得各场景业务需求下的覆盖半径：
由计算可知，对个人基本通信业务需求，办公室场景下5G 700MHz下覆盖半径可达652米。智慧园区中的室外高清视频安防监控，由于不涉及无线信号穿墙衰减和室内损耗，覆盖半径可达1255米。用于智慧园区规划和招商引资中使用的项目地块信息可视化，不论是室内的4K AR应用还是4K VR应用，小区半径均约为340米左右。尤其4K AR的5G终端上行单发时，4K AR业务半径缩小为233米，应用效果无法保障。云桌面、视频会话、三方视频业务等智慧办公业务半径可达394～439米，基本可满足覆盖需求。车间安全生产等高清视频应用，由于车间建筑物进深较大，室内路径损耗也较大，覆盖半径为326米。
四、结束语
1.利用5G低频段作为工业园区室内深度覆盖是可行的，可以快速实现5G连续覆盖，显著降低移动运营商部署基站数量，降低建设成本。政府应积极引导社会，共享市政配套（绿地、灯杆等）开放站址空间，同时抓紧700M上的清频工作，促进5G低频落地。
2.对于室内AR、VR类及车间高清监控类应用场景，智慧园区实际部署该类终端时，应尽量靠窗安装，以降低室内衰减，提高业务性能。尤其是AR类终端，建议引导和规范终端厂商支持双发及以上。积极引导产业支持700M 5G终端。
3.对于5G多业务并发量高的区域，采用高频5G进一步卸载高吞吐量业务。个别超热点办公室内区域，通过部署室分系统来满足高容量需求。
（作者单位：，西安 710100）
参 考 文 献
[1]陈杨，杨芙蓉，余扬尧.5G覆盖能力研究[J].通信技术，2018，51（12）：2866-2873.
[2]崔新凯，李豪，高向川，等.2.6 GHz下的5GNR覆盖能力分析[J].电信科学，2019（8）：104-110.
[3]陈靓.中国广电700MHz频段5G覆盖初步研究[J].广播电视网络，2020（8）：27-29.
[4]汪丁鼎，许光斌，丁巍，等.无线网络技术与规划设计[M].北京：人民邮电出版社，2019：73-76.
[5]《智慧园区应用与发展》编写组.智慧园区应用于发展[M].北京：中国电力出版社，2020：95-104.
[6]3GPP TR 38.901 V16.1.0 （2019-12），3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz （Release 16） [EB/OL].（2020-01-11）[2021-04-08]. ftp：//3gpp.org/specs/archive/38_series/38.901/.
[7]3GPP TR 36.873 V12.7.0 （2017-12），3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Study on 3D channel model for LTE（Release 12） [EB/OL].（2018-01-05）[2021-04-08]. ftp：//3gpp.org/specs/archive/36_series/36.873/.
[8]郭山红， 孙锦涛， 谢仁宏，等.电磁波穿透墙体的衰减特性[J].强激光与粒子束，2009，21（1）：113-117.
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