高 帥,張忠皓,李福昌,延凱悅(中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院,北京100048)
30~300 GHz范圍的頻譜稱之為毫米波頻段,其波長達(dá)到毫米級別。在通信發(fā)展早期,由于毫米波的工作波長短、頻段寬以及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn),使得毫米波主要用于軍事雷達(dá)通信[1],后來毫米波技術(shù)逐漸被應(yīng)用到汽車?yán)走_(dá)、輻射監(jiān)測,生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[2]。相較于6 GHz以下頻率,毫米波擁有更為豐富的可用頻譜資源,無線運(yùn)營商所面臨的全球帶寬短缺,促使人們探索未充分利用的毫米波頻譜,并把它用于未來的寬帶蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)[3]。
毫米波通信系統(tǒng)可以通過波束賦形技術(shù)和多單元天線陣列的空間復(fù)用來達(dá)到更大的吞吐量,實(shí)現(xiàn)下行超過10 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率,用以大容量點(diǎn)對點(diǎn)通信。然而相對于6 GHz以下頻段,5G毫米波落地應(yīng)用還面臨一系列問題與挑戰(zhàn),比如由于毫米波傳輸頻率較高而帶來自由空間損耗的增加,且毫米波極易受到陰影衰落導(dǎo)致信號中斷或間隙性傳輸?shù)葐栴}[4]。運(yùn)營商和各個行業(yè)已經(jīng)開始從系統(tǒng)應(yīng)用角度考慮5G毫米波部署和應(yīng)用問題,但對毫米波鏈路特性和傳播特性的驗(yàn)證分析還較少。本文基于3GPP提出的毫米波視距傳輸(LOS)場景和非視距傳輸(NLOS)場景下的傳播特性模型,并結(jié)合外場測試結(jié)果給出毫米波傳播和穿透損耗結(jié)果分析。還分析了毫米波穿透混凝土、玻璃、樹葉、人體等不同材質(zhì)的穿透損耗,最后依據(jù)毫米波鏈路傳播特點(diǎn)提出5G毫米波部署場景和部署位置的建議。
無線信道的傳播模型可分為大尺度(Large Scale)衰落傳播模型和小尺度(Small Scale)衰落傳播模型2種。大尺度衰落主要指數(shù)百米甚至上千米距離內(nèi)接收信號強(qiáng)度的變化情況,自由空間傳播模型是一種比較典型的大尺度衰落模型。在自由空間傳播中,可以認(rèn)為介質(zhì)是均勻分布的,一般來說衛(wèi)星通信、空間通信和陸上的視距通信都是自由空間傳播[5]。自由空間衰落損耗與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線之間的距離以及載頻頻率有關(guān),假設(shè)發(fā)射點(diǎn)以球面波輻射,則接收機(jī)處的功率如下式所示:
式中,Pt為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率,Gt和Gr分別代表發(fā)射天線和接收天線的增益,λ代表波長,λ=c/f,其中c為光速,即3×108m/s,f為載頻頻率,單位為Hz;d為發(fā)射天線和接收天線間的距離,L是系統(tǒng)損耗因子。這里將Gt和Gr取單位增益,可得到自由空間的傳播損耗PL如下式所示:
可以看出,在發(fā)射天線和接收天線間距離不變的情況下,載頻的頻率越高,自由空間損耗隨之增大。
在無線通信系統(tǒng)中,電波通常在非規(guī)則的環(huán)境中傳播,3GPP TR 38.901規(guī)定了無線電波在城市區(qū)域內(nèi)直射路徑損耗模型[6],如圖1所示,其應(yīng)用范圍為0.5~100 GHz的頻段,表達(dá)式如下:
圖1 城市場景室外直射路徑傳播示意圖
此處陰影衰落的分布服從對數(shù)正態(tài)分布,其標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置為σ=4,基站天線高度設(shè)置為25 m,接收天線終端高度為hUT,d3D為發(fā)射天線到接收天線的空間距離,d2D為發(fā)射天線到接收天線的水平距離,fc為載波頻率,單位為GHz。在上式中,斷點(diǎn)距離d'Bp=4 h'BSh'UTfc/c,這里c=3.0′108m/s代表光速,h'BS和h'UT分別代表發(fā)射端基站和接收端終端的有效天線高度。
圖2給出不同頻點(diǎn)相對于3.5 GHz頻點(diǎn)的路損差,假設(shè)f1與f2分別代表高低頻載波,則頻點(diǎn)帶來的路損差值計算為20×lg(f1/f2),計算得到28 GHz載波比 3.5 GHz載波路損高20×lg(28/3.5)≈18.06 dB,也即在發(fā)射天線和接收天線增益不變的情況下,3.5 GHz載波的理論傳播距離是28 GHz載波理論傳播距離的10(18.06/22)≈6.5倍。
3GPP TR 38.901同樣規(guī)定了室外覆蓋室內(nèi)的穿損模型[6],如圖3所示。其中:
圖2 不同頻點(diǎn)相對于3.5 GHz頻點(diǎn)的路損差
圖3 城市場景室外覆蓋室內(nèi)示意圖
由圖3可知,基站發(fā)射信號穿透室內(nèi)時經(jīng)過墻壁或者玻璃的遮擋損失一部分性能,再經(jīng)過室內(nèi)傳播到達(dá)接收機(jī)天線處,穿損PL值計算如下:
上式中PLb為室外路徑損耗值,d3D分別用d3D-out和d3D-in替換,PLtw是無線電波穿透外墻建筑時的損耗,PLin是大樓內(nèi)部的鏈路損耗值,σP是樓內(nèi)穿透損耗的標(biāo)準(zhǔn)差。室內(nèi)穿透損耗PLin值計算如下式所示:
由式(5)可以看出,在室外覆蓋室內(nèi)的穿損模型中,建筑穿損PLtw占據(jù)重要的位置,不同的材質(zhì)對PLtw造成不同的影響。不同材質(zhì)的穿透損耗表達(dá)式也不同,普通多層玻璃:Lglass=2+0.2f;紅外反射玻璃:LⅡRglass=23+0.3f;混凝土:Lconcrete=5+4f;木板:Lwood=4.85+0.12f。
可以看出,不同材質(zhì)的穿透損耗值取決于載波的頻率,3.5~50 GHz電磁波經(jīng)過不同材質(zhì)的理論穿透損耗對比如圖4所示。
圖4 不同材質(zhì)下穿損值與頻點(diǎn)的對比圖
由圖4可以看出,3.5~50 GHz載波穿透普通多層玻璃和木板時的最大損耗約12 dB,而穿透紅外反射玻璃的最大損耗為38 dB,常用毫米波頻段26 GHz與28 GHz穿透紅外反射玻璃時的損耗分別為30.8 dB與31.4 dB。混凝土墻在26 GHz頻點(diǎn)處的穿透損耗約為109 dB,可認(rèn)定為無法穿透。
參考2.2節(jié)內(nèi)容,得知毫米波易被建筑阻擋,基本無法穿透混凝土墻,穿透紅外反射玻璃的效果也較差,因此毫米波在NLOS場景中會產(chǎn)生豐富的反射徑。3GPP TR 38.901定義了城市區(qū)域NLOS場景傳播模型如式(7)所示,設(shè)定10 m≤d2D≤5 km,其中σSF值為6:
毫米波在傳播過程中,容易受到降雨、樹叢遮擋、以及人體對電波的遮擋和吸收等影響[7-8],若樹木或人體遮擋較少可看作近似LOS場景,這時需要額外考慮樹葉和人體遮擋帶來的損耗,其中考慮樹葉遮擋時需要考慮不同季節(jié)、不同品種的樹木對毫米波的遮擋情況,考慮人體遮擋時應(yīng)考慮身體部分遮擋和身體全遮擋等情況。
在毫米波外場的LOS場景下進(jìn)行路損測試,3GPP定義的城市LOS標(biāo)準(zhǔn)模型PL曲線與測量所得PL擬合曲線對比如圖5所示。其中外場測試采用幀結(jié)構(gòu)DDDS,EIRP為58 dBm,載波頻率為26 GHz。
圖5中得到的路損測試擬合函數(shù)PL=28+20×lg26+22.29lgd,基本符合公式(4)中3GPP定義的城市LOS模型PL=28+20×lg26+22lgd,測試中26 GHz毫米波在100 m距離處大約有100.9 dB的路損。
由以上理論分析和實(shí)際測試結(jié)果來看,現(xiàn)有的高頻通信系統(tǒng)將受到直射路徑鏈路損耗帶來的極大影響,使得毫米波覆蓋能力大打折扣,因此應(yīng)考慮毫米波進(jìn)行短距離覆蓋,5G毫米波基站部署時應(yīng)該更加密集,趨向于熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋。
圖5 實(shí)際測試PL擬合曲線與城市LOS模型PL曲線對比圖
在外場測試的LOS場景也驗(yàn)證了不同材料遮擋時對毫米波性能的影響,5G毫米波穿透性能損耗測試結(jié)果表明:混凝土墻無法穿透;木門(5 cm):6 dB;普通玻璃:5 dB;房車車體:17~23 dB。
測試中采用28 GHz毫米波進(jìn)行穿透測試,由測試結(jié)果可知,毫米波可以輕松穿透普通玻璃和木門,但是無法直接穿透混凝土墻,因此5G毫米波室外覆蓋室內(nèi)場景會導(dǎo)致無線鏈路損耗過大,接收端信號質(zhì)量嚴(yán)重下降,無法滿足用戶的需求,在組網(wǎng)時不建議采用室外覆蓋室內(nèi)的組網(wǎng)方案。
如圖6所示,毫米波外場測試中測試了NLOS場景對比LOS場景下的SSB-RSRP衰減為10~14 dB,測試載波頻點(diǎn)為28 GHz。因此可以判定毫米波適合部署在信號反射豐富的室外NLOS場景下,比如商業(yè)區(qū)或?qū)懽謽恰?/p>
圖6 NLOS與LOS接收信號對比
在室外近似LOS場景中,考慮到城市中夏季樹木的遮擋情況,在外場測試中對樹葉遮擋進(jìn)行定點(diǎn)測試,測試時選擇28 GHz頻段,測試樹木樹冠直徑約為4 m,TUE1、TUE2和基站距離相等。當(dāng)接收終端TUE2被樹木完全遮擋時,接收信號SSB-RSRP相對于直射路徑下TUE1的SSB-RSRP衰減了20 dB左右,證明樹葉遮擋對毫米波的傳播影響較大,部署毫米波時應(yīng)充分考慮樹葉遮擋情況。
為了測試室外近似LOS場景中人體遮擋對毫米波信號造成的影響,外場測試中分別對1人、2人、4人遮擋終端場景進(jìn)行了測試,測試時選擇28 GHz頻段,最終得到接收終端被人體遮擋時較未被遮擋時信號衰減11~28 dB??梢缘弥?,在人群密集環(huán)境中,部署毫米波應(yīng)充分考慮人體穿透損耗,在人群密集場景應(yīng)將毫米波基站部署在較高位置,比如部署在屋頂或樓頂處。
在外場測試中沒有進(jìn)行雨雪等惡劣天氣對于毫米波的影響測試,參考文獻(xiàn)[9]包含了對毫米波雨衰的分析,不同的降雨量和雨水密集程度都會對毫米波造成不同的影響,毫米波速率也因此會有不同程度的下降。
考慮到毫米波相對于6 GHz以下頻段在直射路徑下?lián)p耗較大[10],因此部署初期應(yīng)考慮毫米波以短距離熱點(diǎn)覆蓋為主,搭配其他通信系統(tǒng)保證接收終端的通信質(zhì)量,并需要充分考慮惡劣天氣如雨、雪、霧對毫米波的影響。
在LOS場景或近似LOS場景下推薦的部署地點(diǎn)包括大型露天體育場、機(jī)場、大型廣場等地點(diǎn)。此類場景阻擋物少或無遮擋,用戶密度高、具有整體流動性,流量需求大等特點(diǎn),毫米波在此類場景下用以提供高速的內(nèi)容下載和高清直播觀看。
毫米波同樣適用反射路徑豐富的NLOS場景,比如商業(yè)街、工廠等地點(diǎn)。此類場景反射路徑豐富,終端接入量大,毫米波在此類場景下用以提供大容量的終端接入以及高速率的內(nèi)容上傳和下載。