[论文解读] 5G Coverage, Prediction, and Trial Measurements

Tristan Curry, Hassan Abbas|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 2被引用 4

一句话总结

本论文针对悉尼3.5GHz n78频段的5G NR链路预算与覆盖预测，采用Atoll无线网络规划工具结合CrossWave传播模型，并通过实际试验测量数据对预测结果进行验证。结果表明，在NRSRP为-91 dBm时可实现200 Mbps的吞吐量，预测精度通过路测数据及Lee法对慢衰落的分析得到验证。

ABSTRACT

When planning a 5G network in the sub-6GHz bands, similar cell planning techniques to LTE can be applied. Looking at the Australian environment, the n78 band (3.3-3.8GHz TDD) is approximately 1GHz higher than the 2.6GHz band used in existing LTE networks. As a result, the coverage footprint can be similar, and therefore co-locating 5G NR (New Radio) on existing LTE base stations is a common strategy for initial network rollout. Any difference in coverage can be compensated by beamforming gain, less downtilting, or increasing the gNodeB's transmit power. This paper presents an initial link budget for data services, provides a coverage prediction, and measurements for a 5G NR NSA (Non Stand Alone) trial radiating at 3.5GHz with 60 MHz bandwidth. The coverage prediction is generated using RF planning tool Atoll, which is then compared to coverage measurements from the trial. These findings can be used to help plan a future 5G network in the Sydney metro area or similar environment.

研究动机与目标

• 评估现有LTE小区规划技术在澳大利亚sub-6GHz频段（特别是3.3–3.8 GHz的n78频段）初始5G NR部署中的适用性。
• 针对3.5GHz频段60 MHz带宽的数据服务，建立5G NR链路预算，考虑路径损耗、波束赋形及发射功率等因素。
• 利用Atoll射频规划工具、CrossWave传播模型以及高分辨率地形与建筑物数据，生成覆盖预测。
• 通过对比真实5G NR NSA试验站点的NRSRP与吞吐量实测数据，验证预测的准确性。
• 评估波束选择、快衰落与慢衰落在城市环境中对信号质量与吞吐量的影响。

提出的方法

• 基于3GPP推荐参数构建5G NR链路预算，包括3.5 GHz频段60 MHz带宽、64端口gNodeB及3D矢量建筑物数据。
• 在Atoll中应用CrossWave传播模型，结合2米分辨率数字地形图与杂波数据，模拟路径损耗与覆盖范围。
• 采用Lee法（2L = 40λ，N = 36，d = 0.8λ）计算局部信号包络平均值，从路测数据中分离出慢衰落与快衰落分量。
• 连续两天开展路测，使用扫描仪与Speedtest工具测量NRSRP、NRSRQ、SINR及吞吐量。
• 将波束特定的NRSRQ与SINR值与波束方向及路径特性相关联，评估波束赋形性能。
• 应用理论SINR–NRSRQ关系式：$\text{SINR} = \frac{1}{\frac{1}{n \times \text{NRSRQ}} - x}$，以解释信号质量波动。

实验结果

研究问题

• RQ1 传统的LTE小区规划技术能否有效应用于澳大利亚n78频段（3.5 GHz）的初始5G NR部署？
• RQ2 在真实世界5G NR NSA部署中，给定NRSRP水平（如-91 dBm）下可实现的速率是多少？
• RQ3 与真实世界NRSRP测量相比，基于Atoll和CrossWave模型的覆盖预测精度如何？
• RQ4 波束赋形与多径传播在城市环境中对NRSRQ与SINR的影响程度如何？
• RQ5 快衰落与慢衰落分量在多大程度上影响NRSRP测量与预测模型的可靠性？

主要发现

• 5G NR链路预算预测在用户设备NRSRP为-90.62 dBm时可实现200 Mbps吞吐量，与实测性能高度一致。
• 实测吞吐量在NRSRP为-91 dBm ± 1 dB时平均达到200 Mbps，验证了链路预算的预测准确性。
• 经Lee法去除快衰落影响后，Atoll结合CrossWave模型生成的覆盖预测与实测NRSRP高度吻合。
• 波束索引6（指向测试位置）实现了最高的NRSRQ与SINR，而波束索引2因存在主导反射路径也表现出较高值。
• 由于两者之间存在非线性关系，NRSRQ在关注范围内波动小于SINR，尤其在关键性能区间表现更稳定。
• 延迟呈现显著波动（均值58.5 ms，中位数19.5 ms），部分异常值高达300 ms，可能由IP路由问题与数据包丢失引起。