Sub 6 GHz頻段無(wú)線傳播特性研究

齊航 劉瑋 任冶冰 孫偉 席思雨 喬晶 董江波

【摘? 要】針對(duì)Sub 6 GHz的5G典型頻段進(jìn)行研究，主要關(guān)注900 MHz、1.8 GHz、1.9 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz的6個(gè)頻段。通過(guò)連續(xù)波測(cè)試的方法，掌握不同頻段間傳播損耗特性及傳播模型特性，并對(duì)傳播模型進(jìn)行校正，利用校正后的傳播模型各場(chǎng)景參數(shù)進(jìn)行仿真，能很好地反映Sub 6 GHz不同頻段無(wú)線信號(hào)在該地區(qū)的傳播特性，同時(shí)獲得5G性能預(yù)期，可以為未來(lái)5G規(guī)劃組網(wǎng)建設(shè)提供有力支撐。

【關(guān)鍵詞】5G;穿透損耗;SPM;模型校正

1? ?引言

隨著智能設(shè)備和移動(dòng)應(yīng)用的飛速發(fā)展，由5G移動(dòng)接入支持的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量正經(jīng)歷著爆炸性的增長(zhǎng)，對(duì)覆蓋、可靠性和低時(shí)延的要求也更嚴(yán)格。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP定義了5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場(chǎng)景（eMBB）、低時(shí)延高可靠場(chǎng)景（uRLLC）和低功耗大連接場(chǎng)景（mMTC）。這三大場(chǎng)景可以滿足不斷涌現(xiàn)的新興業(yè)務(wù)，如高速率大帶寬的4k高清視頻、VR/AR、NB-IoT等[1]。為了達(dá)到這樣的高速數(shù)據(jù)容量，除了使用高階調(diào)制、大規(guī)模MIMO技術(shù)、密集組網(wǎng)等技術(shù)之外，更大的連續(xù)通信帶寬是必不可少的?？紤]到目前的無(wú)線電頻譜占用情況，為了滿足更高的速率，在中國(guó)的推動(dòng)下，全球聚焦Sub 6 GHz頻段，而6 GHz以上聚焦26 GHz—28 GHz和40 GHz頻段。本文關(guān)注Sub 6 GHz頻段，對(duì)900 MHz、1.8 GHz、1.9 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz的6個(gè)5G典型頻段進(jìn)行測(cè)試，以掌握不同頻段間傳播損耗特性及傳播模型特性，為未來(lái)5G規(guī)劃組網(wǎng)建設(shè)工作提供有力支撐。

同時(shí)，更高的無(wú)線頻率意味著更大的通信路徑損耗，而更短的波長(zhǎng)也增大了繞射損耗。在5G高頻段信道中，也存在雨衰特性、植被損耗、反射散射以及人體遮擋等影響因素。另外，相比于傳統(tǒng)低頻段信號(hào)，5G高頻信號(hào)的覆蓋范圍較小，未來(lái)將更適合部署在室內(nèi)微小區(qū)和熱點(diǎn)地區(qū)。此外，高頻段通信中的許多技術(shù)，如Massive MIMO、波束賦形等極易受到無(wú)線信道的影響，這也使得5G高頻段通信傳播模型的研究愈發(fā)重要。

本文對(duì)5個(gè)場(chǎng)景基于CW（Continuous Wave，連續(xù)波）測(cè)試的Sub 6 GHz的6個(gè)5G典型頻段傳播特性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注不同頻段不同場(chǎng)景下的傳播能力差異，包括不同材質(zhì)下的穿透損耗差異、室內(nèi)環(huán)境下的傳播能力差異、室外環(huán)境下的傳播能力差異、SPM經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托Ｕ慕Y(jié)果對(duì)比分析等幾個(gè)方面。最后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的實(shí)際數(shù)據(jù)，獲得了不同頻段間傳播損耗特性及傳播模型特性，利用該模型校正的各場(chǎng)景參數(shù)仿真可以很好地反映Sub 6 GHz不同頻段無(wú)線信號(hào)在該地區(qū)的傳播特性，以得到5G NR性能預(yù)期，為未來(lái)5G規(guī)劃組網(wǎng)建設(shè)提供有力支撐。

2? ?SPM傳播模型

CW測(cè)試是進(jìn)行傳播模型校正的重要步驟，利用連續(xù)波作為信號(hào)源，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度信息和接收電平進(jìn)行建模和校正，以分析傳播損耗。和自由空間相比，移動(dòng)通信的傳播環(huán)境更加復(fù)雜，很難用理論分析來(lái)介紹傳播損耗。因此，必須經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)處理，測(cè)試所得數(shù)據(jù)才更符合實(shí)際環(huán)境，才能更好地描述移動(dòng)通信的傳播損耗。通過(guò)CW測(cè)試，能夠?qū)?shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)傳播模型的參數(shù)進(jìn)行修正，使模型更加符合實(shí)際地理環(huán)境，增加其準(zhǔn)確性。

SPM模型的表達(dá)式為：

在公式（1）中，K1為與頻率相關(guān)的因子（dB）;K2為與距離lgd相關(guān)的因子，K3為與發(fā)射機(jī)天線高度lgHeff相關(guān)的因子;K4為與衍射計(jì)算相關(guān)的因子;K5為與距離lgd和發(fā)射機(jī)天線有效高度lgHeff乘積有關(guān)的因子;K6為與接收終端有效天線高度Hmeff有關(guān)的因子;Ploss為接收終端的功率（dBm）;d為接收終端和發(fā)射機(jī)之間的距離（m）;Heff為發(fā)射機(jī)天線的有效高度（m）;LDiffraction為衍射造成的損耗（dB）;Hmeff為接收終端的有效天線高度（m）;f（clutter）為地物類型的平均加權(quán)損耗;Kclutter為f（clutter）的修正因子[2]。

上述模型的K1～K6參數(shù)由具體的傳播環(huán)境決定，Kclutter是由不同地物決定的修正系數(shù)。不同的地物決定了不同的Kclutter，這些K參數(shù)是通過(guò)CW測(cè)試的數(shù)據(jù)逐步擬合出來(lái)的。獲得CW測(cè)試數(shù)據(jù)后，可以通過(guò)K參數(shù)試驗(yàn)法和最小方差法兩種途徑得到。

傳播模型的各個(gè)系數(shù)中，K3、K4、K5、K6基本不會(huì)隨著地形不同而變化，因此，在校模時(shí)，一般只考慮K1、K2。

當(dāng)模型校正時(shí)，如果不對(duì)Kclutter校正，而直接對(duì)K1、K2進(jìn)行校正，由于地物類型的影響會(huì)疊加到K1、K2上，因此對(duì)模型校正的結(jié)果沒(méi)有太大影響。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，Kclutter對(duì)模型校正結(jié)果的誤差約為10 m左右[3]。如果模型校正選擇對(duì)Kclutter校正，主要用于獲得不同地物的偏置。一般來(lái)說(shuō)，模型校正時(shí)，需考慮每種地物上測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量。如果某種地物上測(cè)試點(diǎn)太少（少于200個(gè)），則不考慮此種地物的偏置。

3? ?測(cè)試步驟及方法

3.1? 測(cè)試準(zhǔn)備

（1）為提高效率和準(zhǔn)確性，本次測(cè)試采用2套發(fā)射機(jī)、接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。兩套設(shè)備獨(dú)立配置信號(hào)發(fā)生器和接收機(jī)，連接到同一臺(tái)電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一次可以完成2個(gè)頻段的測(cè)試。CW測(cè)試設(shè)備如圖1所示。

（2）對(duì)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，確保數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

發(fā)射機(jī)：對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行功率測(cè)試，各頻段誤差約在0.2 dB～0.8 dB，性能穩(wěn)定。

天線：在暗室對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試，確定實(shí)際方向圖數(shù)據(jù)。

饋線：測(cè)試寬頻軟跳線在不同頻段的損耗。

（3）CW測(cè)試中，發(fā)射機(jī)輸出功率和接收?qǐng)鰪?qiáng)RSSI可以直接獲取，饋線損耗在測(cè)試前經(jīng)專用儀器測(cè)量得到，還需要對(duì)天線的增益進(jìn)行修正，以得到實(shí)際路損。

全向天線在水平方向上增益較為穩(wěn)定，最大增益取水平方向上的增益均值。

根據(jù)發(fā)射機(jī)高度和發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離，可以計(jì)算出信號(hào)在發(fā)射、接收天線垂直方向上的角度。查找方向圖數(shù)據(jù)，可以得到對(duì)應(yīng)垂直方向上的增益損失，再用天線最大增益減去損失值，即可得到天線在接收機(jī)位置上的實(shí)際增益值。圖2為天線增益計(jì)算示意圖：

（4）路測(cè)完成后，在采用路測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校正前，需對(duì)CW測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)過(guò)濾、地理平均、數(shù)據(jù)篩選等過(guò)程[4]。

從工程角度來(lái)看，傳播模型校準(zhǔn)滿足標(biāo)準(zhǔn)方差小于8 dB，中值誤差小于3。即便傳播模型校正達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，傳播預(yù)測(cè)值與實(shí)際值也存在著差異，這個(gè)差異與位置、地貌和方差大小密切相關(guān)。模型校正后的方差越小，意味著該模型越能夠準(zhǔn)確描述實(shí)際采樣的環(huán)境，但模型的通用性降低。如果模型校正的方差過(guò)大，那么模型的通用性雖好，但與實(shí)際環(huán)境的差異也很大[5]。

3.2? 測(cè)試方法

（1）不同材質(zhì)下的穿透損耗測(cè)試

發(fā)射機(jī)天線高在25 m～35 m之間，接收機(jī)放置于測(cè)試目標(biāo)內(nèi)、外側(cè)分別測(cè)試。在環(huán)境允許時(shí)，應(yīng)沿著測(cè)試目標(biāo)移動(dòng)1 m～3 m，以獲得更多樣化的數(shù)據(jù)。圖3為穿透損耗的測(cè)試示意圖。

（2）室內(nèi)環(huán)境下的傳播能力測(cè)試

發(fā)射機(jī)天線高在25 m～35 m之間，接收機(jī)分別位于目標(biāo)建筑室內(nèi)、室外，遍歷各種位置進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量。圖4為室內(nèi)傳播測(cè)試示意圖。

（3）室外環(huán)境下的傳播能力測(cè)試

分為室外定點(diǎn)測(cè)試和室外遍歷測(cè)試。室外定點(diǎn)測(cè)試時(shí)，發(fā)射機(jī)天線高在25 m～35 m之間，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間（區(qū)分LOS和NLOS場(chǎng)景）相距至少100 m，兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間相距30 m，共測(cè)試5個(gè)點(diǎn)。室外遍歷測(cè)試時(shí)，發(fā)射機(jī)天線高度在25 m～35 m之間，接收機(jī)以低速遍歷測(cè)試路線，測(cè)試站點(diǎn)周圍應(yīng)包含足夠的地物類型，同時(shí)要求有相當(dāng)數(shù)量的道路以便測(cè)試時(shí)能采集足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)，路線應(yīng)圍繞著發(fā)射天線360°的各種道路，盡量使路線具備環(huán)境代表性[6]。室外定點(diǎn)/遍歷測(cè)試示意圖如圖5所示：

3.3? 測(cè)試結(jié)果

（1）不同材質(zhì)下的穿透損耗測(cè)試

表1為不同材質(zhì)的穿透損耗。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，樹和玻璃幕墻的穿損較低，2.6 GHz及以下在10 dB以內(nèi);磚混外墻的穿損中等，接近當(dāng)前鏈路預(yù)算假定（2.6 GHz為16 dB）;鋼混外墻的穿損較高，2.6 GHz約為24 dB。不同頻段穿損差異為2 dB～5 dB，其中低穿透損耗場(chǎng)景差異2 dB～3 dB，高穿透損耗差異3 dB～5 dB。

（2）室內(nèi)環(huán)境下的傳播能力測(cè)試

表2為室外覆蓋室內(nèi)-室內(nèi)信號(hào)的衰減水平。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，3 m～5 m淺層覆蓋情況下，各頻段平均衰減3 dB～7 dB，2.6 GHz頻段衰減約2 dB ～7 dB;8 m～10 m深層覆蓋情況下，各頻段平均衰減9 dB～14 dB，2.6 GHz頻段衰減約8 dB～16 dB。大約每米損耗1 dB，大于TS 38.901中的O2I模型損耗速率（每米0.5 dB）。

（3）室外環(huán)境下的傳播能力測(cè)試

表3為室外環(huán)境CDF 50%處傳播損耗差異。測(cè)試結(jié)果總體符合理論預(yù)期。以900 MHz為基線，1.8 GHz、1.9 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz的綜合傳播損耗平均增加9 dB、9.6 dB、14.3 dB、20.1 dB、24.1 dB。與1.8 GHz相比，2.6 GHz和4.9 GHz電波傳播綜合損耗平均增加5 dB和15 dB。

（4）基于SPM傳播模型校正

選取場(chǎng)景3中的遍歷測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行SPM傳播模型校正。各頻段測(cè)試路線如圖6所示。

SPM中K1、K2、K4校正后不同頻段參數(shù)值如表4所示。

SPM傳播模型校正后，仿真路測(cè)對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

不同頻段校正前后仿真路測(cè)對(duì)比指標(biāo)如表5所示。

通過(guò)軟件平臺(tái)經(jīng)驗(yàn)傳播模型校正算法對(duì)Sub 6 GHz頻段的900 MHz、1.8 GHz、1.9 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz模型數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，從結(jié)果可以看出，校正后模型平均誤差在2 dB以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差在8 dB以內(nèi)，而仿真與實(shí)際路測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)?yīng)，趨勢(shì)相符。

不同頻段傳播模型路損對(duì)比結(jié)果如表6所示：

通過(guò)鏈路預(yù)算，將場(chǎng)景3密集城區(qū)典型頻段的傳播模型校正參數(shù)帶入，對(duì)比不同頻段的覆蓋性能，可以看到距離基站300 m位置處，與1.8 GHz相比，2.6 GHz、3.5 GHz與4.9 GHz的路損分別增加7 dB、8 dB和12 dB。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)關(guān)注Sub 6 GHz的6個(gè)5G典型頻段，從不同材質(zhì)下的穿透損耗差異、室內(nèi)環(huán)境下的傳播能力差異、室外環(huán)境下的傳播能力差異、SPM經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托ＵY(jié)果對(duì)比等幾個(gè)方面，分析了不同頻段間傳播損耗特性及傳播模型特性。最后，通過(guò)對(duì)不同頻段進(jìn)行傳播模型校正，獲取了無(wú)線信號(hào)在Sub 6 GHz頻段的適合網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的傳播模型各場(chǎng)景參數(shù)值，得到了5G NR性能預(yù)期，為5G規(guī)劃組網(wǎng)建設(shè)提供有效支撐。

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