5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的傳播模型研究

楊光 陳錦浩

【摘 要】5G移動(dòng)通信系統(tǒng)正在建立試驗(yàn)網(wǎng)，需要選擇合適的傳播模型對(duì)5G傳播中的電磁波傳播特性進(jìn)行預(yù)估和測(cè)試。3GPP組織給通信行業(yè)提供的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議38.901中描述了5G移動(dòng)通信應(yīng)用環(huán)境下各種場(chǎng)景的適用傳播模型。針對(duì)38.901中的5G傳播模型進(jìn)行分析，與4G 36.873傳播模型進(jìn)行對(duì)比，研究不同頻率不同傳播距離下的路徑損耗規(guī)律，并提出路徑損耗與覆蓋距離的關(guān)系，為5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)劃和優(yōu)化提供指導(dǎo)意見。

5G移動(dòng)通信；傳播模型；路徑損耗

1 引言

對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的通信距離、覆蓋范圍和無(wú)線電干擾影響范圍進(jìn)行估算時(shí)，電磁波傳播損耗是其中一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)。為了保證移動(dòng)用戶的通話和通信質(zhì)量，確?；靖采w服務(wù)區(qū)內(nèi)的通信業(yè)務(wù)，通信基站在建站時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須使用傳播模型仔細(xì)地計(jì)算和仿真收發(fā)天線間的空口傳播損耗。無(wú)線傳播模型用于描述發(fā)射機(jī)到接收機(jī)間信號(hào)的傳播行為，主要與射頻信號(hào)收發(fā)天線間的距離及路徑損耗有關(guān)。

針對(duì)不同的頻段，選擇合適的傳播模型，對(duì)于5G通信系統(tǒng)的空口規(guī)劃和硬件選型都很重要，這是頻譜規(guī)劃和組網(wǎng)的基礎(chǔ)，有助于工程師預(yù)測(cè)特定站址在實(shí)際環(huán)境下的傳播損耗，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。由于5G試驗(yàn)網(wǎng)剛剛開建，所能獲取的相關(guān)有用數(shù)據(jù)非常有限，目前缺乏針對(duì)不同場(chǎng)景的合理傳播模型。5G移動(dòng)通信使用的頻率在0.45 GHz—6 GHz和毫米波24.25 GHz以上，路徑損耗、陰影衰減、穿透損耗、植被損耗、人體損耗、大氣損耗、雨衰損耗等都會(huì)引起無(wú)線電波傳播時(shí)的衰減損耗。

2G/3G/4G系統(tǒng)建站時(shí)，采用的傳播模型大多是基于現(xiàn)有的常用經(jīng)驗(yàn)傳播模型，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)路測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校正，以盡量準(zhǔn)確地反映真實(shí)場(chǎng)景下的傳播損耗。盡管可以通過(guò)模型校正使所采用的模型能夠基本控制在要求的范圍之內(nèi)，然而由于不同傳播模型的側(cè)重點(diǎn)、適用場(chǎng)景以及參數(shù)選擇等不完全一致，導(dǎo)致各個(gè)傳播模型之間的結(jié)果校正后仍然存在較大差異[1]。因此，針對(duì)不同的地貌及環(huán)境特點(diǎn)，選用相應(yīng)適宜的5G傳播模型，盡可能準(zhǔn)確地描述特定場(chǎng)景下的傳播模型，這對(duì)于今后5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化的準(zhǔn)確性將起到非常重要的作用。

2 自由空間傳播模型簡(jiǎn)介

自由空間是相對(duì)介電常數(shù)及相對(duì)磁導(dǎo)率均為1的理想介質(zhì)，電磁波能量不會(huì)損耗。自由空間傳播損耗是指天線輻射的電磁波在視距路徑中傳播時(shí)，由于傳播距離的不斷增大引起的能量自然擴(kuò)散現(xiàn)象。

自由空間傳播損耗實(shí)際上是球面波的擴(kuò)散損耗，其模型表示為[2]：

（1）

式（1）中，d是收發(fā)天線的間距，單位為km；λ指工作波長(zhǎng)；f的單位是GHz；c是自由空間傳播的光速，單位是m/s。

將上述公式轉(zhuǎn)化為以頻率為參數(shù)的dB形式，可得到：

（2）

從式（2）可以看出，電磁波頻率f越大或者傳播距離d越遠(yuǎn)，自由空間的傳播損耗Lfs，dB就越大[3]，Lfs，dB越大說(shuō)明接收端接收到的功率非常小。這個(gè)傳播模型是自由空間中的理想情況，也是各種傳播模型的基礎(chǔ)公式。在實(shí)際通信應(yīng)用規(guī)劃和優(yōu)化中，需要針對(duì)不同頻率、不同場(chǎng)景進(jìn)行模型優(yōu)化、校正和預(yù)測(cè)，以得到符合實(shí)際通信應(yīng)用場(chǎng)景的傳播模型。

3 5G傳播模型組織和文獻(xiàn)

5G移動(dòng)通信發(fā)展日新月異，大量組織和研究人員對(duì)5G移動(dòng)通信無(wú)線傳播模型展開研究，有4個(gè)主要組織各自發(fā)布了5G傳播模型[4]，頻率適用范圍都是0.5 GHz—

100 GHz，分別是：

（1）3GPP。3GPP提供連續(xù)的工作進(jìn)展報(bào)告，為5G行業(yè)提供國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，5G傳播模型文檔為3GPP TR 38.901-e30[5]，對(duì)應(yīng)頻率范圍是0.5 GHz—100 GHz，最新版本發(fā)布于2017年12月（Release 14， V14.3.0）。3GPP另外還有3GPP TR 38.900 V14.3.1（2017-07）[6]，對(duì)應(yīng)頻率范圍是6 GHz—100 GHz，并沒有包含6 GHz以下的場(chǎng)景。

（2）5GCM（5G Channel Model）。5GCM是由15家公司和大學(xué)合作組成的特設(shè)小組，根據(jù)廣泛的測(cè)量活動(dòng)，對(duì)3GPP的開發(fā)模型進(jìn)行補(bǔ)充和修正。5G傳播模型文檔[7]的最新版本發(fā)布于2016年10月。

（3）METIS 2020（Mobile and wireless communications Enable for the Twenty-twenty Information Society）。METIS 2020是由歐聯(lián)贊助的大型研究項(xiàng)目組。5G傳播模型文檔[8]的最新版本發(fā)布于2016年6月。

（4）mmMAGIC。mmMAGIC是由歐聯(lián)贊助的另外一個(gè)大型研究項(xiàng)目組。5G傳播模型文檔[9]的最新版本發(fā)布于2017年5月。

需要說(shuō)明的是，5GCM、METIS 2020、mmMAGIC發(fā)布的傳播模型，都是在3GPP發(fā)布的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行校正的，適用于特定的場(chǎng)景和環(huán)境。而3GPP組織則根據(jù)5G組織的最新測(cè)試情況，對(duì)3GPP傳播模型進(jìn)行及時(shí)更新，以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景下的鏈路預(yù)算分析。

4 5G與4G傳播模型對(duì)比

2G/3G/4G移動(dòng)通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化過(guò)程中，有不少通用的無(wú)線傳播模型，其中Okumura-Hata和Cost231-Hata的應(yīng)用非常廣泛。

Okumura-Hata通信傳播模型是日本科學(xué)家奧村（Okumura）通過(guò)對(duì)城市進(jìn)行大量無(wú)線電波傳播損耗的測(cè)量，得出了一系列經(jīng)驗(yàn)曲線用于無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。在這些經(jīng)驗(yàn)曲線的基礎(chǔ)上，推出了簡(jiǎn)化的Hata模型。它的頻率范圍是150 MHz—1 000 MHz，適用于GSM900和CDMA。

COST231-Hata傳播模型是歐洲研究委員會(huì)（COST231）在Okumura-Hata模型的基礎(chǔ)上修正得出的，是在2 GHz頻段的有效擴(kuò)展。COST231-Hata模型的天線高度適用范圍較大，在應(yīng)用到不同類型的城市時(shí)均能達(dá)到預(yù)期的效果，因此，該模型適用于城區(qū)地貌及郊區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。它的頻率范圍是800 MHz—2 000 MHz，適用于GSM、DCS、CDMA、CDMA2000、LTE。

3GPP 36.873（V12.7.0）是3GPP組織推出的針對(duì)4G移動(dòng)通信的傳播模型，頻率范圍是2 GHz—6 GHz。3GPP 38.901（V14.3.0）是3GPP推出的針對(duì)5G移動(dòng)通信的傳播模型，頻率范圍是0.5 GHz—100 GHz。36.873和38.901適用場(chǎng)景包括城區(qū)微站（UMi，Urban Microcell）、城區(qū)宏站（UMa，Urban Macrocell）、農(nóng)村（RMa，Rural Macrocell）以及室內(nèi)熱點(diǎn)（InH，Indoor Hotspot）。每個(gè)場(chǎng)景又分為視距（LOS，Line-of-Sight）和非視距（NLOS，non-Line-of-Sight）兩種情況。

因篇幅所限，Okumura-Hata傳播模型、COST231-Hata傳播模型[10]、3GPP 36.873 LTE傳播模型[11]、3GPP 38.901 5G傳播模型[5]的公式，在此沒有列出，詳細(xì)公式請(qǐng)查相關(guān)參考文獻(xiàn)。4種傳播模型說(shuō)明和對(duì)比如表1所示。

3GPP 36.873對(duì)基站高度、用戶端高度、建筑物高度、街道寬度和傳播距離都有描述，而3GPP 38.901對(duì)這些參數(shù)的描述還不夠完備，說(shuō)明隨著5G系統(tǒng)試驗(yàn)網(wǎng)開始進(jìn)行試點(diǎn)，3GPP 38.901中介紹的5G傳播模型和預(yù)測(cè)的基本方法需要以大量的測(cè)試數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，并通過(guò)不同有效的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀枰孕拚?/p>

5 5G傳播模型路徑損耗計(jì)算

傳播模型中路徑損耗的最大值是場(chǎng)景情況下能覆蓋的最大距離的損耗。路徑損耗值與場(chǎng)景環(huán)境、基站端配置、用戶端配置以及穿透損耗、人體損耗、植被損耗、雨衰以及陰影衰落余量有關(guān)。根據(jù)路徑損耗的最大值，使用傳播模型公式，可以對(duì)覆蓋范圍進(jìn)行路徑損耗估算，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化提供參考。

統(tǒng)計(jì)表明，目前4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中超過(guò)80%的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景，對(duì)應(yīng)于3GPP協(xié)議傳播模型中的NLOS情況。3GPP各種場(chǎng)景下都是0.5 GHz—100 GHz頻率范圍，以下使用3GPP 38.901的NLOS傳播模型進(jìn)行鏈路預(yù)算分析。

傳播模型與基站高度、用戶高度、建筑物高度和路面寬度都相關(guān)，下面的模型討論都是基于相同場(chǎng)景下這些參數(shù)條件相同。

5.1 三種傳播模型2.6 GHz路徑損耗對(duì)比

對(duì)于2.6 GHz，NLOS場(chǎng)景下，COST231-Hata模型、3GPP 36.873模型以及3GPP 38.901模型在城區(qū)微站（UMi）、城區(qū)宏站（UMa）、農(nóng)村（RMa）在5 000 m以內(nèi)的NLOS路徑損耗如圖1所示。

從圖1可以看出，3個(gè)場(chǎng)景下的不同模型，相同距離時(shí)的路徑損耗值是有一定差異的，只有在城區(qū)宏站（UMa）場(chǎng)景時(shí)，3個(gè)傳播模型的路徑損耗趨勢(shì)基本一致。

5.2 36.873和38.901傳播模型3.5 GHz/28 GHz/39 GHz

路徑損耗對(duì)比

傳播模型36.873（3.5 GHz）和38.901（3.5 GHz、28 GHz、39 GHz），在城區(qū)微站（UMi）、城區(qū)宏站（UMa）、農(nóng)村（RMa）應(yīng)用場(chǎng)景下，距離與NLOS路徑損耗的關(guān)系圖如圖2所示。

由圖2可以看出NLOS場(chǎng)景下：

（1）在不同應(yīng)用場(chǎng)景（UMi/UMa/RMa）下，相同距離下，傳播頻率越高，路徑損耗衰減值越大。

（2）在3.5 GHz時(shí)：

1）城區(qū)微站（UMi）在模型36.873和38.901下計(jì)算結(jié)果有差異，起始距離10 m處，傳播模型36.873比38.901路徑損耗差值高約4.3 dB，并且隨著距離增加，這個(gè)差值也增加。

2）城區(qū)宏站（UMa）在模型36.873和38.901下的計(jì)算結(jié)果一致性很高，曲線基本重合，在2 000 m以內(nèi)的路徑損耗差值不超過(guò)1 dB。

3）農(nóng)村（RMa）場(chǎng)景下，36.873和38.901模型公式模型完全一樣，路徑損耗計(jì)算結(jié)果曲線重合。

（3）28 GHz與3.5 GHz對(duì)比，城區(qū)微站（UMi）、城區(qū)宏站（UMa）和農(nóng)村（RMa）場(chǎng)景下時(shí)，相同距離下，28 GHz的路徑損耗比3.5 GHz高約18～19 dB。

5.3 38.901傳播模型路徑損耗與距離的關(guān)系

各種場(chǎng)景下最大路徑損耗增加或者減小，能增大或者縮小5G基站的覆蓋半徑。最大路徑損耗每增加1 dB，小區(qū)覆蓋半徑增加的百分比關(guān)系如表2所示。

由表2可以看出，各場(chǎng)景下使用5G傳播模型估算時(shí)：

（1）最大路徑損耗約增加11.5 dB，小區(qū)覆蓋半徑約增加一倍，計(jì)算方法為（1+0.062）的11.5次方約等于2。

（2）最大路徑損耗每增加5 dB，小區(qū)覆蓋半徑增加約33%，站間距（小區(qū)覆蓋半徑的1.5倍距離）增加一倍。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)無(wú)線電傳播特性及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所處區(qū)域的地理環(huán)境，來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ蛯⑹?G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。本文首先介紹了自由空間傳播模型的理論公式，然后引出5G通信行業(yè)中的四個(gè)主要組織針對(duì)5G傳播模型在不同場(chǎng)景下的模型公式。計(jì)算出4G和5G模型在城區(qū)微站、城區(qū)宏站和農(nóng)村的路徑損耗衰減對(duì)比圖，并計(jì)算5G傳播模型在各個(gè)場(chǎng)景下最大路徑損耗增加1 dB時(shí)，小區(qū)覆蓋范圍增加的百分比。通過(guò)對(duì)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的傳播模型進(jìn)行分析研究，希望能對(duì)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有所幫助。

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