5G 傳播模型仿真分析

趙偉康

（中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第四分公司，鄭州 450000）

由于5G 將在較高頻段部署，相較于4G 頻譜主要使用小于3GHz 頻段，5G 頻譜多使用大于3.3GHz 的高頻。高頻段信號(hào)傳播中由于波長(zhǎng)更短，信號(hào)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)無法滿足覆蓋規(guī)劃需求。5G 部署方式也從傳統(tǒng)室外宏站和室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)一步演化成室外宏站、微站以及室內(nèi)微微站相結(jié)合的方式。

傳統(tǒng)的無線傳播模型，例如，Okumura-Hata、COST231-Hata 等都是適用于2GHz 以下的頻段，無論從頻率還是基站建設(shè)方式上都不再適用于5G 基站的覆蓋預(yù)測(cè)。因此，3GPP 提供了最新的適用于0.5GHz-100GHz 頻率范圍內(nèi)的5G 傳播模型，對(duì)應(yīng)傳播模型文檔為3GPP TR 38.901。由于5G不同場(chǎng)景部署方式的變化，5G 傳播模型包含了城區(qū)宏站、城區(qū)微站、郊區(qū)宏站、室內(nèi)熱點(diǎn)等四類統(tǒng)計(jì)類經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。本文重點(diǎn)研究城區(qū)宏站以及農(nóng)村宏站場(chǎng)景5G 傳播模型，通過MATLAB 仿真分析頻段、距離與傳播損耗的關(guān)系。

1 5G 宏站傳播模型

5G 城區(qū)宏站模型（UMa）通常適用于天線掛高高于周圍建筑物樓頂高度（例如，25-30米），用戶在地平面高度（約1.5米），并且站間距不超過500米的情況。

5G 農(nóng)村宏站模型（RMa）通常適用于天線掛高在10 米至150米之間，用戶在地平面高度（約1.5米），并且站間距一直到5000米的情況。

在運(yùn)用每一種5G 傳播模型進(jìn)行路徑損耗計(jì)算時(shí)，分為兩個(gè)部分：

（1）視距&非視距（LOS&NLOS）概率傳播

無線信號(hào)在傳播過程中如果中間無阻擋可以為直線傳播（視距傳播LOS）。在實(shí)際環(huán)境中由于受到障礙物的影響，無線信號(hào)從發(fā)射端到接收端無法進(jìn)行直線傳播（非視距傳播NLOS）。LOS&NLOS 概率只是距離和地形環(huán)境的函數(shù)跟頻率無關(guān)。3GPP針對(duì)城區(qū)宏站和郊區(qū)宏站不同的地物類型，分別給出了兩種LOS&NLOS 概率傳播模型，如表1所示?？偟穆窂綋p耗應(yīng)綜合考視距和非視距兩種情況，即空間損耗=。

圖1 城區(qū)、郊區(qū)宏站LOS概率模型

（2）大尺度空間損耗模型

空間損耗與頻率、傳播路徑、所處的地物類型以及基站和終端的高度密切相關(guān)。傳播模型通過不同地形，障礙物情況以及周邊人為環(huán)境預(yù)測(cè)了相對(duì)應(yīng)的路徑損耗。不同于4G 傳播模型僅僅考慮2D 水平面方向，3GPP 38.901定義了5G 3D 傳播模型，如圖2所示。

圖2 5G 3D傳播模型

5G 傳播模型引入了3D 的概念，路徑損耗考慮的是從基站到用戶的空間距離，相比4G 模型更加精準(zhǔn)。對(duì)于城區(qū)、郊區(qū)宏站路徑損耗具體公式本文不再具體介紹，可從3GPP 38.901文檔直接查詢。

2 MATLAB 仿真分析

圖3 為3GPP 38.901 3.5GHz 頻段城區(qū)、郊區(qū)宏站直射傳播（視距傳播LOS）的概率隨傳播距離的變化趨勢(shì)。我們可以看到，城區(qū)宏站UMa 直射概率隨距離增加大幅度減小，傳播以非直射NLOS 路徑為主，大于500m 基本無直射；而郊區(qū)宏站則隨距離增加呈緩慢減小趨勢(shì)，在1000米還有約40%概率為直射傳播。由于郊區(qū)視距概率遠(yuǎn)大于城區(qū)，在進(jìn)行空間損耗計(jì)算時(shí)，郊區(qū)損耗要遠(yuǎn)小于城區(qū)。

圖3 城區(qū)、郊區(qū)宏站LOS概率

圖4 城區(qū)、郊區(qū)路徑損耗

圖4 為3GPP 38.901 3.5GHz 城區(qū)、郊區(qū)宏站路徑損耗隨距離變化關(guān)系。城區(qū)場(chǎng)景損耗UMa PL 由UMa LOS PL 和UMa NLOS PL 通過圖3概率結(jié)果合并得來。隨距離增加，城區(qū)郊區(qū)路徑損耗都呈增大趨勢(shì)。同時(shí)由結(jié)果可知，由于城區(qū)幾乎都為非直射情況，城區(qū)場(chǎng)景路徑損耗UMa PL 結(jié)果幾乎重合于城區(qū)場(chǎng)景非直射NLOS 下的路徑損耗。而對(duì)于郊區(qū)場(chǎng)景，由于直射和非直射在不同距離都占相當(dāng)比重，郊區(qū)綜合路徑損耗RMa PL 介于RMa LOS PL 和RMa NLOS PL 之間。此外，城區(qū)路徑損耗在不同距離相比于郊區(qū)大概多10～23dB。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過研究適用于5G 的傳播模型以及MATLAB 仿真分析，分析了5G 路徑損耗隨距離的變化關(guān)系，對(duì)于5G 覆蓋預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。