5G傳播損耗及鏈路預(yù)算

【摘要】? ? 本文研究了不同頻率下5G傳播損耗隨路徑的關(guān)系，以及不同頻率、材質(zhì)對(duì)穿透損耗的影響。并進(jìn)一步通過鏈路預(yù)算分析，提供了3.5G頻率下不同場(chǎng)景和邊緣速率對(duì)站間距的要求，為5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G 傳播模型? ? 鏈路預(yù)算? ? 穿透損耗? ? 路徑損耗

一、前言

無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是5G部署的重要一環(huán)，而對(duì)5G基站的覆蓋預(yù)測(cè)又決定了5G網(wǎng)絡(luò)的部署方法與規(guī)模。傳播模型反映了相應(yīng)頻段的無線信號(hào)在不同環(huán)境傳播損耗的情況，是覆蓋規(guī)劃中的重要輸入。3GPP 38.901文檔提供了最新的適用于0.5GHz-100GHz頻率范圍內(nèi)的5G傳播模型，其包含視距&非視距概率傳播模型、大尺度空間損耗模型以及穿透損耗模型。

在5G覆蓋規(guī)劃中，主要通過鏈路預(yù)算測(cè)算出滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求的最大路徑損耗，根據(jù)最大允許路徑損耗，利用傳播模型測(cè)算出站點(diǎn)的覆蓋半徑。本文通過研究5G傳播模型，并結(jié)合鏈路預(yù)算，討論分析了不同頻率下5G信號(hào)的損耗情況，給出了不同邊緣速率要求下站間距參考。

二、5G傳播損耗

2.1空間損耗

空間損耗與頻段、傳播路徑、所處的地物、基站和終端的高度密切相關(guān)。3GPP 38.901文檔定義了適用于5G的0.5-100GHz頻率范圍內(nèi)空間損耗與距離的統(tǒng)計(jì)類數(shù)學(xué)模型，具體公式可查相關(guān)文檔。本文通過MATLAB仿真，分別獲得了城區(qū)宏站（UMa），以及郊區(qū)宏站（RMa）場(chǎng)景在各個(gè)頻段下路徑損耗隨距離的變化關(guān)系。

圖1展示了城區(qū)宏站不同頻率損耗與距離的變化關(guān)系。由結(jié)果所示，頻率越高，損耗越大。2.6GHz，3.5GHz與4.9GHz路徑損耗各相差約3dB; 毫米波頻段28GHz路徑損耗相比3.5GHz要高約18dB左右。圖2展示了郊區(qū)宏站不同頻率損耗與距離的變化關(guān)系，結(jié)果類似于城區(qū)宏站。RMa農(nóng)村場(chǎng)景，700MHz相比于3.5GHz，有約11dB損耗優(yōu)勢(shì)，可大大減少建站成本;2.6GHz，3.5GHz與4.9GHz路徑損耗各相差約2dB;農(nóng)村場(chǎng)景28GHz路徑損耗相比于城區(qū)UMa場(chǎng)景要低約23dB。

2.2穿透損耗

穿透損耗是指當(dāng)信號(hào)源在建筑物外時(shí)，建筑物外的接收信號(hào)強(qiáng)場(chǎng)與建筑物內(nèi)的強(qiáng)場(chǎng)比值。穿透損耗與建筑物的結(jié)構(gòu)、信號(hào)源位置和入射角度等有關(guān)。穿透損耗與頻率直接相關(guān)，與空口技術(shù)沒有直接關(guān)系。3GPP 38.901 定義了5G穿透損耗模型，包含針對(duì)不同材質(zhì)的模型。表1為5G穿透損耗模型在不同頻率、材料下?lián)p耗值?？梢钥闯龈鞣N材料在頻率上升時(shí)，穿透損耗均有增加，普通玻璃損耗最低，跟木制相似，IIR玻璃相較普通玻璃損耗高約20dB;玻璃，木制在C波段隨頻率增大，損耗增加并不明顯，只有零點(diǎn)幾dB;混凝土材質(zhì)對(duì)頻率上升尤其敏感，28G下?lián)p耗已達(dá)到117dB。

三、鏈路預(yù)算

5G和4G鏈路預(yù)算在基本概念上無差別，但5G引入了人體遮擋損耗、樹木損耗、雨雪衰衰耗（尤其是mmWave）的影響。整體路徑損耗計(jì)算如下公式：

路徑損耗（dB）=基站發(fā)射功率（dBm）-10×log10（子載波數(shù)） + 基站天線增益（dBi）-基站饋線損耗（dB）-穿透損耗（dB）-植被損耗（dB） - 人體遮擋損耗（dB） - 干擾余量 （dB） - 雨/冰雪余量（dB-慢衰落余量（dB） - 人體損耗（dB） + UE天線增益（dB） - 熱噪聲功率（dBm） - UE 噪聲系數(shù)（dB） - 解調(diào)門限 SINR （dB）

對(duì)于5G鏈路預(yù)算，首先要根據(jù)三大業(yè)務(wù)以及四類場(chǎng)景，確定設(shè)備選型，以及明確業(yè)務(wù)速率要求。根據(jù)設(shè)備選型以及邊緣速率要求獲得進(jìn)行鏈路預(yù)算的各項(xiàng)參數(shù)（例如 發(fā)射功率，接收機(jī)靈敏度，天線增益等、解調(diào)門限SINR），然后對(duì)于5G傳播模型路徑損耗與距離的關(guān)系，最終求得最大允許路徑損耗。

圖3、4分別展示了3.5G頻率下密集城區(qū)上下行路損對(duì)比以及站間距對(duì)比。由結(jié)果分析可知，5G上行路損小于下行，上行受限，站間距應(yīng)以滿足上行覆蓋要求為準(zhǔn)。密集城區(qū)滿足上行5M，站間距230米;上行10M，站間距小于200米，站間距要求遠(yuǎn)高于4G要求。建網(wǎng)初期可考慮滿足上行2M，下行50M，站間距312米。后期逐步提升邊緣速率。郊區(qū)滿足上行1M，站間距可達(dá)1500米。若滿足上行5M，站間距則小于1000米。

四、結(jié)束語

本文通過進(jìn)行5G傳播損耗以及鏈路預(yù)算分析，研究了不同頻率下5G路徑損耗的差異，并給出了3.5G頻率下上下行路損以及不同邊緣速率下站間距建議，為5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了參考。

空間損耗與頻段、傳播路徑、所處的地物、基站和終端的高度密切相關(guān)。3GPP 38.901文檔定義了適用于5G的0.5-100GHz頻率范圍內(nèi)空間損耗與距離的統(tǒng)計(jì)類數(shù)學(xué)模型，具體公式可查相關(guān)文檔。本文通過MATLAB仿真，分別獲得了城區(qū)宏站（UMa），以及郊區(qū)宏站（RMa）場(chǎng)景在各個(gè)頻段下路徑損耗隨距離的變化關(guān)系。

圖1展示了城區(qū)宏站不同頻率損耗與距離的變化關(guān)系。由結(jié)果所示，頻率越高，損耗越大。2.6GHz，3.5GHz與4.9GHz路徑損耗各相差約3dB; 毫米波頻段28GHz路徑損耗相比3.5GHz要高約18dB左右。圖2展示了郊區(qū)宏站不同頻率損耗與距離的變化關(guān)系，結(jié)果類似于城區(qū)宏站。RMa農(nóng)村場(chǎng)景，700MHz相比于3.5GHz，有約11dB損耗優(yōu)勢(shì)，可大大減少建站成本;2.6GHz，3.5GHz與4.9GHz路徑損耗各相差約2dB;農(nóng)村場(chǎng)景28GHz路徑損耗相比于城區(qū)UMa場(chǎng)景要低約23dB。

穿透損耗是指當(dāng)信號(hào)源在建筑物外時(shí)，建筑物外的接收信號(hào)強(qiáng)場(chǎng)與建筑物內(nèi)的強(qiáng)場(chǎng)比值。穿透損耗與建筑物的結(jié)構(gòu)、信號(hào)源位置和入射角度等有關(guān)。穿透損耗與頻率直接相關(guān)，與空口技術(shù)沒有直接關(guān)系。3GPP 38.901 定義了5G穿透損耗模型，包含針對(duì)不同材質(zhì)的模型。表1為5G穿透損耗模型在不同頻率、材料下?lián)p耗值?？梢钥闯龈鞣N材料在頻率上升時(shí)，穿透損耗均有增加，普通玻璃損耗最低，跟木制相似，IIR玻璃相較普通玻璃損耗高約20dB;玻璃，木制在C波段隨頻率增大，損耗增加并不明顯，只有零點(diǎn)幾dB;混凝土材質(zhì)對(duì)頻率上升尤其敏感，28G下?lián)p耗已達(dá)到117dB。

3 鏈路預(yù)算

5G和4G鏈路預(yù)算在基本概念上無差別，但5G引入了人體遮擋損耗、樹木損耗、雨雪衰衰耗（尤其是mmWave）的影響。整體路徑損耗計(jì)算如下公式：

路徑損耗（dB）=基站發(fā)射功率（dBm）-10×log10（子載波數(shù)） + 基站天線增益（dBi）-基站饋線損耗（dB）-穿透損耗（dB）-植被損耗（dB） – 人體遮擋損耗（dB） - 干擾余量 （dB） – 雨/冰雪余量（dB-慢衰落余量（dB） - 人體損耗（dB） + UE天線增益（dB） - 熱噪聲功率（dBm） - UE 噪聲系數(shù)（dB） - 解調(diào)門限 SINR （dB）

對(duì)于5G鏈路預(yù)算，首先要根據(jù)三大業(yè)務(wù)以及四類場(chǎng)景，確定設(shè)備選型，以及明確業(yè)務(wù)速率要求。根據(jù)設(shè)備選型以及邊緣速率要求獲得進(jìn)行鏈路預(yù)算的各項(xiàng)參數(shù)（例如 發(fā)射功率，接收機(jī)靈敏度，天線增益等、解調(diào)門限SINR），然后對(duì)于5G傳播模型路徑損耗與距離的關(guān)系，最終求得最大允許路徑損耗。

圖3、4分別展示了3.5G頻率下密集城區(qū)上下行路損對(duì)比以及站間距對(duì)比。由結(jié)果分析可知，5G上行路損小于下行，上行受限，站間距應(yīng)以滿足上行覆蓋要求為準(zhǔn)。密集城區(qū)滿足上行5M，站間距230米;上行10M，站間距小于200米，站間距要求遠(yuǎn)高于4G要求。建網(wǎng)初期可考慮滿足上行2M，下行50M，站間距312米。后期逐步提升邊緣速率。郊區(qū)滿足上行1M，站間距可達(dá)1500米。若滿足上行5M，站間距則小于1000米。

4 結(jié)束語

本文通過進(jìn)行5G傳播損耗以及鏈路預(yù)算分析，研究了不同頻率下5G路徑損耗的差異，并給出了3.5G頻率下上下行路損以及不同邊緣速率下站間距建議，為5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司. LTE組網(wǎng)與工程實(shí)踐[M].人民郵電出版社，2014.

[2] 呂婷， 曹亙， 張濤， et al. 5G基站架構(gòu)及部署策略[J]. 移動(dòng)通信， 2018，

作者簡(jiǎn)介：趙偉康（ 1990-）男，漢族，河南鄭州，博士研究生，助理工程師