5G傳播模型分析

江巧捷 林衡華 岳勝

【摘 要】圍繞如何選取5G傳播模型，以解決高頻段覆蓋規(guī)劃現(xiàn)有傳播模型無法使用的問題，分析了5G頻段的使用情況，研究了幾種常用傳播模型的適用范圍，對比分析了3GPP定義的兩種UMa模型，通過傳播模型校正對傳播模型進(jìn)行驗(yàn)證，提出5G傳播模型使用的建議，為5G覆蓋規(guī)劃提供參考。

頻譜；傳播模型；UMa模型

1 引言

覆蓋規(guī)劃是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的重要一環(huán)，主要通過鏈路預(yù)算測算出滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求的最大路徑損耗（MAPL），根據(jù)MAPL利用傳播模型測算出站點(diǎn)的覆蓋半徑，從而測算出覆蓋區(qū)域內(nèi)需要的站址數(shù)量。傳播模型反映了相應(yīng)頻段的無線信號衰減特性，是覆蓋規(guī)劃中的重要輸入。

相較于4G頻譜主要集中在3.5 GHz以下，5G頻譜多使用高于3.3 GHz的高頻。高頻段信號傳播中衍射能力更弱，散射發(fā)生情況更多，現(xiàn)有中低頻傳播模型已經(jīng)無法滿足5G覆蓋規(guī)劃需求。本文分析了5G頻段的使用情況，對比分析了3GPP定義的兩種UMa模型，通過傳播模型校正對傳播模型進(jìn)行對比驗(yàn)證，提出5G傳播模型的使用建議。

2 5G頻譜定義

2.1 協(xié)議定義5G頻譜

根據(jù)3GPP協(xié)議TS38.101可知：5G頻段可以分為兩部分，第一部分為低頻450 MHz—6 000 MHz頻段；第二部分為高頻24 250 MHz—52 600 MHz。

相較于4G頻段編號，5G頻段編號采用n+數(shù)字序號方式進(jìn)行編號，相同頻段數(shù)字序號沿用4G序號，同時(shí)對部分重疊的頻段進(jìn)行了合并。

雙工模式在原FDD、TDD兩種模式情況下新增了SUL（補(bǔ)充上行）和SDL（補(bǔ)充下行）兩種模式作為5G覆蓋的補(bǔ)充，提升5G覆蓋范圍。

3 300 MHz以下頻段帶寬絕大部分均小于100 MHz，針對未來5G特別是eMBB業(yè)務(wù)部署需要100 MHz頻段情況可知，未來5G部署的主要頻段將會大于3 300 MHz。

現(xiàn)階段高頻段劃分為4個(gè)頻帶，頻率均高于24 GHz，波長為毫米級。

各頻段帶寬較充裕，均大于800 MHz，頻率資源充足，可以作為未來5G部署的容量補(bǔ)充解決熱點(diǎn)區(qū)域容量問題。

2.2 我國5G頻譜規(guī)劃情況

2016年8月我國發(fā)布國家無線電管理規(guī)劃（2016～

2020年），指出為IMT-2020（5G）儲備不低于500 MHz

的頻譜資源。2017年6月，工信部先后發(fā)布5G頻譜規(guī)劃。

低頻：3.3 GHz—3.4 GHz、3.4 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5 GHz頻段已經(jīng)確定為中國6 GHz以下低頻新增頻段。

高頻：工信部于2017年6月18日公開征集在毫米波頻段規(guī)劃第五代移動通信系統(tǒng)使用頻率的意見，征集24.75 GHz—27.5 GHz頻段以及37 GHz—42.5 GHz頻段規(guī)劃意見。

2016年1月，工信部已確定3.4 GHz—3.6 GHz頻段用于北京和深圳兩地5G技術(shù)試驗(yàn)，以驗(yàn)證5G關(guān)鍵技術(shù)性能。2017年7月14日，工信部首次批復(fù)了毫米波頻段資源的申請，將4.8 GHz—5.0 GHz（200 MHz）、24.75 GHz—27.5 GHz（2.75 GHz）和37 GHz—42.5 GHz（5.5 GHz）頻段用于我國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為中國信通院MTNet試驗(yàn)室以及北京懷柔、順義的5G技術(shù)試驗(yàn)外場。

現(xiàn)有低頻段主要集中于3.3 GHz—3.4 GHz、3.4 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5 GHz三個(gè)頻段，從三個(gè)頻段的特點(diǎn)可知，3.3 GHz—3.4 GHz由于與無線電定位業(yè)務(wù)共存，未來將主要部署于室內(nèi)；3.4 GHz—3.6 GHz頻段與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)存在一定干擾，需要考慮對衛(wèi)星的保護(hù)，但該產(chǎn)業(yè)成熟度比較高，是現(xiàn)在5G試驗(yàn)的主力頻段，未來將是5G部署的核心頻段；4.8 GHz—5 GHz與射電天文業(yè)務(wù)存在干擾且產(chǎn)業(yè)成熟度較弱，是后期室外部署的補(bǔ)充頻段。我國5G頻譜低頻段情況如表1所示：

3 傳播模型分析

3.1 無線信號傳播特點(diǎn)

無線信號在傳播過程中如果中間無阻擋可以為直線傳播（視距傳播）。在實(shí)際環(huán)境中由于受到障礙物的影響，無線信號從發(fā)射端到接收端無法直線傳播（非視距傳播），此時(shí)的傳播方式主要為反射、衍射（繞射）或者散射。障礙物的幾何形狀決定了將發(fā)生這三種現(xiàn)象中的哪一種。

無線信號傳播中的“反射”與其他電磁波（如光或聲音）的反射相同。電磁波遇到尺寸大于信號平均波長的光滑障礙物而發(fā)生的信號方向改變，反射對電磁波能量造成的損失較小。

當(dāng)電磁波在傳播過程中遇到障礙物或者透過屏幕上的小孔時(shí)，會出現(xiàn)偏離原來入射方向的出射電磁波，這種現(xiàn)象稱為衍射。帶有銳邊的物體（包括墻壁和桌子的角）會導(dǎo)致衍射。隨著頻段的增加，電磁波衍射能力越來越差。

“散射”是信號在許多不同方向上擴(kuò)散或反射。散射發(fā)生在一個(gè)無線信號遇到尺寸比信號的波長更小的物體時(shí)。散射還與無線信號遇到的表面的粗糙度有關(guān)，表面越粗糙，信號遇到該表面時(shí)就越容易發(fā)生散射。在戶外，樹木和路標(biāo)都會導(dǎo)致移動電話信號發(fā)生散射。

3.2 傳播模型介紹

無線傳播模型是為了更好更準(zhǔn)確地研究無線傳播而設(shè)計(jì)出來的一種模型。在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，傳播模型主要分兩種：一種是直接應(yīng)用電磁理論計(jì)算出來的確定性模型，如射線跟蹤模型；一種是基于大量測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)型模型，如Okumura-Hata、COST231 Hata、SPM、標(biāo)準(zhǔn)宏小區(qū)模型、UMa、Umi、RMa等。

確定性模型對于信號預(yù)測準(zhǔn)確度較高，但是其對計(jì)算條件要求高：一般需要高精度三維電子地圖，計(jì)算量較大，計(jì)算周期較長，確定性模型一般用于仿真預(yù)測。

統(tǒng)計(jì)型模型是一種比較成熟的數(shù)學(xué)公式，影響電磁波傳播的一些主要因素，如天線掛高、頻率、收發(fā)天線間距離、地物類型等都以變量函數(shù)在路徑損耗公式中反映出來。統(tǒng)計(jì)型模型計(jì)算比較簡單，但是模型各參數(shù)的適用范圍有一定的局限性，需要對模型進(jìn)行校正。

3.3 現(xiàn)有傳播模型及存在的問題

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，特別是在覆蓋規(guī)劃中常用的傳播模型為Okumura-Hata、COST231-Hata、SPM、UMa等統(tǒng)計(jì)型模型。

（1）Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型在900 MHz GSM中得到了廣泛應(yīng)用，適用于宏蜂窩的路徑損耗預(yù)測。Okumura-Hata模型是根據(jù)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出的經(jīng)驗(yàn)公式，應(yīng)用頻率在150 MHz到1 500 MHz之間，適用于小區(qū)半徑大于1 km的宏蜂窩系統(tǒng)，基站有效天線高度在30 m到200 m之間，終端有效天線高度在0 m到1.5 m之間。

（2）COST231-Hata模型

COST231-Hata模型是EURO-COST組成的COST工作委員會開發(fā)的Hata模型的擴(kuò)展版本，應(yīng)用頻率在1.5 GHz到2 GHz之間，適用于小區(qū)半徑大于1 km的宏蜂窩系統(tǒng)，發(fā)射有效天線高度在30 m到200 m之間，接收有效天線高度在1 m到10 m之間。

（3）SPM模型

SPM（Stadard Propagation Model）模型應(yīng)用頻率在150 MHz到3 500 MHz之間，適用小區(qū)半徑在1 km到20 km的宏蜂窩系統(tǒng)。

從適用頻段可知，Okumura-Hata、COST231-Hata適用頻段和SPM適用頻段均小于2 GHz，SPM模型最高適用頻段為3.5 GHz，由于5G主要頻段在3.3 GHz以上，Okumura-Hata、COST231-Hata已經(jīng)不能適用5G高頻段，SPM也僅僅適用于3.5 GHz以下部分5G頻段。隨著頻率的升高，無線信號在傳播過程中的衍射能力越來越差，受到周圍建筑物和道路的影響越來越大，現(xiàn)有傳播模型僅僅考慮頻率、天線掛高、接收高度、衍射損耗、距離等因素，但是建筑物高度、街道寬度等對高頻段信號傳播也有一定影響，這與現(xiàn)有傳播模型存在一定的差異。

4 UMa模型分析

UMa模型是3GPP協(xié)議中定義的一種適合于高頻的傳播模型，適用頻率在0.8 GHz到100 GHz之間，適用小區(qū)半徑在10 m到5 000 m的宏蜂窩系統(tǒng)。

4.1 UMa模型定義

3GPP協(xié)議36.873和38.900均對UMa進(jìn)行了定義，36.873的定義如表2所示。

在38.900中Uma模型針對36.873中UMa模型進(jìn)行了簡化，其定義如表3所示。

38.900中UMa模型與平均建筑物高度W、平均街道寬度h無關(guān)，僅與使用頻率、接收天線高度、天線間距離有關(guān)，適用于天線掛高為25 m的場景。

4.2 平均建筑物高度與街道寬度設(shè)置

針對36.873定義的UMa模型，平均建筑物高度h、平均街道寬度W為新參數(shù)，兩參數(shù)均為覆蓋范圍內(nèi)建筑物形態(tài)的描述。

從模型定義可知，視距傳播損耗（LOS）與h和W沒關(guān)系，非視距傳播損耗（NLOS）與h和W有關(guān)系。圖1為h、W擬合對比曲線。

從傳播模型定義和擬合曲線可知：

h與路徑損耗成正比，h越大路徑損耗越大，h越小路徑損耗越小。W與路徑損耗成反比，W越大路徑損耗越小，W越小路徑損耗越大。

h與W參數(shù)對路徑損耗均有影響，特別是h對路徑損耗影響更大，需要根據(jù)各覆蓋場景的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

平均建筑物高度為覆蓋范圍內(nèi)建筑物的加權(quán)平均高度，其計(jì)算公式如下：

（1）

其中，Si為第i個(gè)建筑物水平面面積，hi為第i個(gè)建筑物高度。

在實(shí)際使用中通過高精度電子地圖可以計(jì)算出覆蓋范圍內(nèi)各建筑物的水平面面積和相應(yīng)建筑物高度，從而可以計(jì)算出覆蓋范圍內(nèi)建筑物的平均高度。

平均街道寬度W為覆蓋范圍內(nèi)各街道（含各建筑物間距離），其計(jì)算公式如下：

（2）

其中，Wi為第i條街道（建筑物間）寬度。

在實(shí)際使用中建議采用抽樣方法對覆蓋范圍內(nèi)的部分街道進(jìn)行抽樣。

5 傳播模型驗(yàn)證

根據(jù)前文的分析，5G現(xiàn)在使用的3.5 GHz頻段可以使用SPM和UMa兩種傳播模型，為了驗(yàn)證兩種傳播模型的適用情況，本次選取了XX市密集市區(qū)場景進(jìn)行傳播模型校正。

經(jīng)測算該區(qū)域內(nèi)平均建筑物高度為41 m，街道寬度為20 m，假設(shè)基站天線掛高為25 m，手機(jī)接收高度為1.5 m，將校正后SPM與兩種定義UMa模型進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖2所示。

從擬合曲線可知，兩種定義的UMa模型視距傳播損耗（LOS）重合；對于非視距傳播損耗（NLOS）36.873定義UMa傳播模型預(yù)測路損最大，校正后的SPM模型次之，38.900定義UMa模型最樂觀。36.873定義UMa與校正后SPM相差較小，可以作為覆蓋預(yù)測中使用的傳播模型。

6 結(jié)束語

3.4 GHz—3.6 GHz頻段與衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)存在一定干擾，需要考慮對衛(wèi)星的保護(hù)，但該產(chǎn)業(yè)成熟度比較高，是現(xiàn)在5G試驗(yàn)的主力頻段，未來將會成為5G部署的核心頻段。

由于5G使用高頻段，現(xiàn)有傳播模型無法滿足要求，建議在3.5 GHz以下頻段使用校正后SPM模型或38.673定義UMa模型；在大于3.5 GHz頻段建議使用38.673定義UMa模型。同時(shí)UMa模型使用中需要針對相應(yīng)建筑物及道路情況測算覆蓋范圍平均建筑物高度和道路寬度使傳播模型更能體現(xiàn)實(shí)際的傳播特性。

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