4G/5G室内分布系统中边缘场强与设计功率关系研究
【慧聪广电网】随着5G时代的来临，越来越多的数据业务量发生在室内，在4G/5G协同中改造现有或新建分布系统成为重中之重。本文主要介绍了4G/5G天线口功率的基本计算方法，在已知各系统边缘场强的前提下，最终确定天线口的发射功率，为后续的分布系统设计提供了重要依据。
传统室分工程已经建设多年，从中国移动LTE一期工程开始，4G传统室分已经建设了约8年。据中国移动相关数据统计，4G时代有70%的业务发生在室内，而在5G时代，预计将有85%的业务发生在室内。在4G时代，室内分布系统主要满足传统的语音和数据业务需求，那么随着5G网络建设，为了满足5G新生的业务需求，室内网络需要具备更高的性能。
新一代网络的到来让室内应用变得更加多样化，对网络的要求也更高，如4K直播、VR/AR、智能制造、高清视频监控以及远程医疗等。这些业务将主要发生在室内，未来将极大地考验4G/5G室内分布系统建设的质量。特别是在一些重要场景，如体育馆、大型商场、医院、写字楼以及交通枢纽等，将成为运营商重点部署5G网络和发展5G业务的优选场景，因此5G时代的室内覆盖将变得尤为重要。
作为通信建设的主要参与者，设计院在面对室内分布系统工程时，如何做到室内信号的准确覆盖，把握设计功率与边缘场强的关系，将直接决定室分工程建设的质量。
子载波特性
在3GPP 协议规定的LTE系统中，由于采用的是OFDM技术，每个Symbol都对应一个正交的子载波。协议规定，通常情况下子载波间隔15KHz，在常规CP下，由于RB是频域上12个连续的子载波（15KHz），时域上一个时隙（0.5ms）的资源。因此，LTE中的载波带宽及对应的RB数目和子载波数量关系如表1所示。
表1 LTE中的载波带宽及对应的RB数目和子载波数量
注：占用带宽=子载波宽度×每RB子载波数目×RB数目；每RB子载波数目=12
同理，由于5G NR采用了更加灵活的子载波间隔，在常规CP模式下，取较为常用的30KHz为例，一个子帧仅有1个时隙，因此无线帧包含10个时隙。一个时隙（0.5ms）包含的OFDM符号数为14。5G NR中的载波带宽及对应的RB数目和子载波数量关系（取常用配置）如表2所示。
表2 5G NR中的载波带宽及对应的RB数目和子载波数量关系
可见，4G和5G子载波特性不同，且5G具有更加灵活的子载波配置。因此在实际计算不同制式的功率时，应充分考虑子载波特性，再采用不同的设计标准。
功率换算关系
分贝（dBm）和瓦（W）的换算
在室分工程设计中，无线设计师更多地采用分贝dBm这个单位，其主要原因有如下3点。
首先，无线信号的衰减不是线性的，而是成对数关系衰减，用分贝dBm更能体现这种关系。分贝（dBm）和瓦（W）换算关系如图1所示，满足以下公式：dBm=10×lg（mW）。
图1 分贝（dBm）和瓦（W）换算关系
其次，用分贝dBm做单位比用瓦W做单位更容易描述，往往发射机产生的功率几十瓦，到了接收端已经很小，只能采用微瓦计算。
最后，计算更加简洁方便，在传统无源器件中传输信号时，采用简单的加减法就可以直观计算。
参考信号接收功率（RSRP）
在LTE中，参考信号接收功率是指在某个符号内承载参考信号的所有资源粒子上接收到的信号功率的平均值，也就是子载波功率。对于LTE，一个OFDM子载波是15KHz；对于5G NR，一个OFDM的子载波是30KHz；它们满足以下的公式关系：dBm参考信号接收功率=dBm发射机功率-10×lg（12×RB数）。
对于20MHz带宽的LTE配置而言，RSRP功率关系如图2所示。
图2 LTE中RSRP功率关系
对于100MHz带宽的5G NR配置而言，RSRP功率关系如图3所示。
图3 5G NR中RSRP功率关系
从以上信息可知，由于100MHz带宽的5G NR中承载了更多的RB数，因此在相同的发射机功率下，5G NR中的RSRP功率绝对数值比LTE中的数值要偏低很多。
损耗
自由空间的传播路径损耗
电磁波在自由空间传播时，其能量没有介质损耗。自由空间的传播路径损耗是指自由空间一点波源发射的球面波在传播过程中，随着距离的增加，由于球面波的扩散使接收点处的功率密度减小，它反映了球面波的扩散损耗，也称为传播扩散损耗。众所周知，自由空间传播损耗公式为：Lf=20lgd+20lgf+32.4，其中Lf为自由空间传播损耗（dB），d为距离（km），f为电磁波频率（MHz）。
假定4G/5G室分的点对点链路处在自由空间中，其传输路径损耗也就等于自由空间传播损耗。4G和5G在空间损耗的对比关系如图4所示，可以看到，频段和距离的提升与路径损耗值成对数关系。
图4 4G和5G在空间损耗的对比关系
点对点链路的功率计算
传统室分系统的点对点链路路由主要由3个部分组成：发射端、接收端和射频链路通道。发射端包括发射机、发射天线、馈线及连接头，接收端主要是接收机、接收天线、馈线和连接头，射频链路通道是指电磁波从发射天线到接收天线之间的传输路径和空间。链路的各项功率参数如下：PR为接收功率，单位是dBm；PT为发射功率，单位是dBm；GT为发射天线增益，单位是dBi；GR为接收天线增益，单位是dBi；LT为发射端中间损耗，单位是dB；LR为接收端中间损耗，单位是dB；Lf为室内穿透损耗，单位是dB。
在自由空间点对点链路接收功率（dBm）的计算公式为PR=PT+GT-LT-LR-Lf，一般室内分布系统取值下，LT=LR=2dB；GT=GR=5dB。
不同介质损耗关系
由于室内环境较为复杂，不同波长的电磁波通过不同介质的损耗也是不一样的。目前，介质的损耗更多的是通过测试数据得出。根据几种常见物体在4G/5G频段的穿透损耗测试，不同频率的电磁波对不同物体的穿透损耗测试数值如表3所示。
表3 4G/5G频段电磁波在不同介质中的穿透损耗测试分析（单位：dB）
由表3可以看出，穿透损耗与频段呈正相关关系，对于同一物体，频段越高，穿透损耗越大。同时，穿透损耗还与物体的材质和厚度有关。对于不同材质的物体，同一频段电磁波的穿透损耗并不相同，比如对于24cm的砖墙和石膏板墙，同一频段电磁波的穿透损耗是不相同的；而对于不同厚度的物体，同一频段电磁波穿透损耗则随着厚度的增加而变大，如24cm砖墙的穿透损耗要小于30cm砖墙的穿透损耗。
计算过程
边缘场强要求
根据《中国移动5G二期规划审核意见》，5G室内覆盖的性能验收指标要求如表4所示。
不同场景区域对5G室内覆盖的指标需求是不一样的。对于一般场景，忽略其他可能导致总采样点变化的因素，以SSB-RSRP的基础值-105dBm为边缘场强来计算天线口的输出功率。
天线口功率计算过程
由于5G NR的子载波特性，在100MHz带宽的配置下，假设特定情况下：信号发射源距离目标位置中间以一堵24cm的砖墙格挡，室内层高为3米，以覆盖半径为10米的情况下，根据空间链路损耗公式，在满足基本边缘场强-105dBm的情况下，其所需要的发射机功率大小至少为11.02dBm（1.102W），实际室内情况较理论计算更为复杂，在工程设计时一般取值会高于此计算值3dB~5dB。
考虑到目前中国移动4G和5G的频率较为接近，设计时直接参考5G的计算结果即可。
