基于5G新場(chǎng)景下的傳播模型校正與鏈路預(yù)算

許賢澤，方屹濤，鄭成林

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等各項(xiàng)技術(shù)的快速發(fā)展，海量的設(shè)備連接以及各種各樣差異化新型業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求也不斷提高。并且隨著場(chǎng)景應(yīng)用對(duì)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)，工業(yè)自動(dòng)化、規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、自動(dòng)駕駛等都對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。為了更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)的高速增長(zhǎng)，5G（第五代移動(dòng)通信技術(shù)）也就應(yīng)運(yùn)而生［1］。

相比于現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用場(chǎng)景以密集商業(yè)區(qū)、高鐵、水域等地形地貌進(jìn)行簡(jiǎn)單的劃分，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）為5G定義了三大應(yīng)用場(chǎng)景。分別是增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB），即面向以人為中心的應(yīng)用場(chǎng)景，主要面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)爆炸式增長(zhǎng)，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶提供更加極致的應(yīng)用體驗(yàn)；超高可靠低延時(shí)通信（URLLC），主要面向工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、移動(dòng)駕駛等對(duì)低時(shí)延和可靠性具有極高要求的垂直行業(yè)應(yīng)用需求；海量機(jī)器類通信（mMTC），主要面向智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)等以傳感與數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用需求［2-4］。

5G技術(shù)定義的三大場(chǎng)景不但覆蓋了高帶寬、低延時(shí)等傳統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，而且還能滿足工業(yè)環(huán)境下的設(shè)備互聯(lián)和遠(yuǎn)程交互應(yīng)用需求，這種廣域網(wǎng)全覆蓋的特點(diǎn)為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商構(gòu)建統(tǒng)一的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供了可能。并且預(yù)計(jì)到2020年，隨著互聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)與業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)流量業(yè)務(wù)與設(shè)備連接數(shù)量會(huì)發(fā)生井噴式增長(zhǎng)。因此5G網(wǎng)絡(luò)在新場(chǎng)景下有新的驅(qū)動(dòng)與要求，不僅要求更高的網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)量、吞吐量和傳輸速度，也要能夠有效拓寬覆蓋面積，滿足多區(qū)域不同用戶的用網(wǎng)需求。構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵就是要針對(duì)新場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)質(zhì)量與通信質(zhì)量要求，合理規(guī)劃基站布置，以實(shí)現(xiàn)宏基站廣域覆蓋，微基站補(bǔ)充盲點(diǎn)的目的［5］。

因此，隨著5G即將實(shí)現(xiàn)全面商用，針對(duì)站點(diǎn)布置與網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求，對(duì)于新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的通信距離、覆蓋范圍與信號(hào)接收質(zhì)量必須要進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)與估計(jì)［6］。因此要構(gòu)建一個(gè)能代表5G通信模式的傳播模型，且針對(duì)具體地區(qū)的傳播模型的校正研究就顯得尤為重要。針對(duì)不同的頻段，選擇合適的傳播模型并校正，是無(wú)線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)。并且根據(jù)校正后的傳播模型，可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的鏈路預(yù)算，獲得網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，能夠有效評(píng)估無(wú)線通信系統(tǒng)的覆蓋能力［7］。

本文主要針對(duì)5G新場(chǎng)景下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的傳播模型優(yōu)化及鏈路預(yù)算進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)武漢已部署5G宏基站進(jìn)行實(shí)地路測(cè)，并將路測(cè)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行傳播模型的校正，最終通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)配置環(huán)境，進(jìn)行相應(yīng)的鏈路預(yù)算，得到可覆蓋小區(qū)的最大半徑，為即將實(shí)現(xiàn)全面商用的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供重要依據(jù)與參考價(jià)值。

1 5G信道傳播模型

1.1 UM a模型

UMa模型是3GPP協(xié)議中定義的適用于當(dāng)前5G高頻發(fā)展趨勢(shì)下的新型傳播模型，信道測(cè)量頻率范圍為0.5 G～100 GHz，信號(hào)傳播有效距離為10～5 000 m。該模型支持大信道帶寬（高達(dá)載波頻率的10%），并且能夠適應(yīng)用戶終端高速遷移，移動(dòng)速度最高可達(dá)500 km/h［8］。

3GPP協(xié)議38.901對(duì)UMa進(jìn)行了定義，其經(jīng)驗(yàn)公式如下。

在視距傳播（LOS）條件下

其中，PL1與PL2計(jì)算如下

在非視距傳播（NLOS）條件下

其中，PLUMa-LOS為視距傳播下的路徑損耗；PLUMa-NLOS為非視距傳播下的路徑損耗；d2D為移動(dòng)終端至基站的水平距離；d′BP為該模型設(shè)置的斷點(diǎn)距離；d3D為移動(dòng)終端至基站的直線距離；fc為基站所采用的信號(hào)載頻；hBS為基站天線有效高度；hUT為用戶終端有效高度。

在非視距傳播下的路徑損耗也可簡(jiǎn)化為

此模型初始參數(shù)設(shè)置是基站天線高度為25 m，用戶終端高度范圍為1.5～22.5 m，因此根據(jù)實(shí)際基站布置、現(xiàn)實(shí)傳播環(huán)境以及用戶終端測(cè)量狀況來(lái)對(duì)基礎(chǔ)傳播模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)真實(shí)地區(qū)信號(hào)傳播規(guī)律。

1.2 改進(jìn)的信道傳播模型

原始的UMa模型是在搭建5G局域網(wǎng)下根據(jù)大量測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后導(dǎo)出的數(shù)學(xué)公式的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，具有普適性，但對(duì)于具體場(chǎng)景的預(yù)測(cè)精度有所不足。因此要根據(jù)具體環(huán)境對(duì)典型傳播模型進(jìn)行一定的校準(zhǔn)與修正，從而得到匹配當(dāng)前區(qū)域的準(zhǔn)確的傳播模型［9］。

在無(wú)線信道實(shí)際傳輸過(guò)程中，一般來(lái)說(shuō)，在理想條件下即自由空間信道傳播時(shí)信號(hào)傳播的距離越遠(yuǎn)，信號(hào)所受到的損耗也就越大。但是在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，特別是在傳播環(huán)境較為復(fù)雜的密集城區(qū)，由于發(fā)射/接收天線的高度，信號(hào)的自然衰落，建筑物密度與高度，植被、水域等因素的影響，使得信號(hào)的衰落情況大不相同。

綜合式（1）～式（6），可以發(fā)現(xiàn)在5G新型UMa模型下其路徑損耗主要與基站到接收機(jī)的直線距離和基站載頻成對(duì)數(shù)相關(guān)性，因此按fc，d3D進(jìn)行變換后，加上損耗修正因子，可以得到在密集城區(qū)的通用公式

在本文提出的通用模型中，fc為固定載頻，選定為3.5 GHz，因此其相應(yīng)的系數(shù)也可直接確定，即k2=20，在Matlab中基于最小二乘法進(jìn)行非線性擬合，求出k1與k3的值，即可確定在一定程度上符合當(dāng)前傳播規(guī)律的預(yù)測(cè)模型。

2 覆蓋規(guī)劃

5G覆蓋規(guī)劃主要包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域分析、鏈路預(yù)算、單基站覆蓋面積與站址規(guī)劃等方面，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域分析主要是通過(guò)對(duì)目標(biāo)上下行速率、業(yè)務(wù)質(zhì)量和邊緣覆蓋概率等綜合分析而確定的能最大程度保證通話質(zhì)量與無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度的復(fù)合區(qū)域。而鏈路預(yù)算是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的重要前提，其主要內(nèi)容是通過(guò)對(duì)信號(hào)從發(fā)射端到接收端傳輸過(guò)程中包括余量、損耗、增益等各個(gè)要素的核算，來(lái)獲得在當(dāng)前場(chǎng)景下滿足覆蓋要求所允許的最大路徑損耗。且通過(guò)符合當(dāng)前環(huán)境的傳播模型，測(cè)算出單個(gè)宏基站的覆蓋半徑，繼而根據(jù)5G布網(wǎng)要求進(jìn)行區(qū)域的站址規(guī)劃，減少覆蓋盲區(qū)與弱覆蓋區(qū)域，從而初步估算出無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的覆蓋能力［10］。

一般來(lái)說(shuō)，5G鏈路預(yù)算影響因素在低頻段與LTE并沒(méi)有較大的差別，但在毫米波頻段需要額外考慮人體遮擋損耗、樹(shù)木損耗與天氣余量等因素的影響。結(jié)合TD-LTE鏈路預(yù)算模型與5G NR新型傳輸技術(shù)，給出以下適用于上下行的鏈路預(yù)算公式［11］

其中，MAPL為最大允許路徑損耗，PTx為發(fā)射端功率，GTx為發(fā)射端天線增益，Lf為饋線損耗，Lp為穿透損耗，Ls為植被損耗，Lb為人體損耗，MI為干擾余量，Mf為陰影衰落余量，Mr為天氣（雨/冰雪）余量，GRx為接收端功率，SRx為接收機(jī)靈敏度。其中，接收機(jī)靈敏度為保持接收機(jī)正常工作的最小可接受信號(hào)強(qiáng)度，可表示為

其中，NT0為熱噪聲功率，NF為噪聲系數(shù)，SINR為接收機(jī)解調(diào)門(mén)限。

依據(jù)給出的鏈路計(jì)算模型結(jié)合5G新型傳播技術(shù)，如大規(guī)模MIMO技術(shù)、超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與非正交多址技術(shù)等，可以有效估算室外宏基站覆蓋區(qū)域與覆蓋范圍，通過(guò)部署5G微基站與宏基站相互補(bǔ)充，從而優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提升用戶服務(wù)質(zhì)量。

3 傳播模型優(yōu)化與鏈路預(yù)算

在實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)與路損的測(cè)量過(guò)程中，由于其無(wú)線信道的復(fù)雜性，一般需要針對(duì)當(dāng)?shù)責(zé)o線環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。本文是基于武漢密集城區(qū)內(nèi)的典型宏基站實(shí)地測(cè)量所得到的路測(cè)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集的方法與原則是李氏定律。李氏定律是指在本征長(zhǎng)度為40個(gè)波長(zhǎng)，采樣36～50個(gè)樣點(diǎn)時(shí)，可使測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際本征均值之差小于1 dB。通過(guò)對(duì)周圍28個(gè)基站進(jìn)行地理勘察后，選取5～6個(gè)宏基站進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)車載測(cè)試，通過(guò)車載測(cè)試，手機(jī)收集接收并記錄各個(gè)基站導(dǎo)頻信號(hào)功率數(shù)據(jù)。

由于城市道路環(huán)境的復(fù)雜性測(cè)量數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)分布不均的情況，因此要進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理［12］。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要分為以下幾步：

（1）對(duì)多組不同基站測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行基站抽樣。即先按照基站編號(hào)進(jìn)行隨機(jī)抽樣，得到典型基站，然后對(duì)該基站多組數(shù)據(jù)進(jìn)行整合保存，得到一組能代表該密集城區(qū)基站傳播情況的測(cè)量數(shù)據(jù)。

（2）對(duì)抽取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾。數(shù)據(jù)過(guò)濾的標(biāo)準(zhǔn)主要基于測(cè)試點(diǎn)與基站的距離（濾除100～2 000 m之外的數(shù)據(jù)點(diǎn)）與測(cè)試點(diǎn)的接收功率（濾除小于-120 dB·m與大于-50 dB·m的數(shù)據(jù)點(diǎn)）。

（3）對(duì)過(guò)濾后的數(shù)據(jù)進(jìn)行地理平均。數(shù)據(jù)地理平均的目的是獲取本地均值，將測(cè)試路線分段，每段取10 m，將該10 m內(nèi)的數(shù)據(jù)取均值，并將取得的均值作為該路段中心點(diǎn)的接收電平強(qiáng)度。

（4）數(shù)據(jù)偏移修正。測(cè)試過(guò)程中可能有部分測(cè)試點(diǎn)經(jīng)緯度與電子地圖經(jīng)緯度存在一定誤差，導(dǎo)致相應(yīng)地物地貌屬性發(fā)生變化，需要對(duì)偏差數(shù)據(jù)使用專用地圖軟件進(jìn)行修正以達(dá)到匹配。

（5）最終將經(jīng)過(guò)多段處理后的路測(cè)數(shù)據(jù)整合保存，作為接下來(lái)傳播模型校正的原始數(shù)據(jù)。

其預(yù)處理流程圖如圖2所示。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的預(yù)處理可以有效達(dá)到“消除快衰落、保留慢衰落”的目的，同時(shí)將路測(cè)數(shù)據(jù)按照等采集距離段均勻分布，獲取較為理想的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［13］。如圖3與圖4所示。

由圖3與圖4可知，接收信號(hào)功率在300 m范圍內(nèi)強(qiáng)度較高，說(shuō)明基站信號(hào)覆蓋能力較強(qiáng)。而在900～1 000 m處有所回升，這是由于接收端正好處于開(kāi)闊地帶，沒(méi)有較多高層建筑物與植被的遮擋，信號(hào)傳播形式趨于視距傳播，使得該區(qū)域的接受信號(hào)強(qiáng)度短暫增強(qiáng)，而對(duì)于其他數(shù)據(jù)采集區(qū)域，伴隨著測(cè)試點(diǎn)距發(fā)射基站的距離越遠(yuǎn)，其路徑損耗越大，導(dǎo)致接收信號(hào)強(qiáng)度也就越差［14］。

如圖5所示，可以得到路徑損耗與傳播距離的擬合曲線

將實(shí)測(cè)基站數(shù)據(jù)與校正前、后預(yù)測(cè)模型進(jìn)行路徑損耗仿真對(duì)比，如圖6所示?？梢悦黠@看到校正后的預(yù)測(cè)模型更貼近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，且誤差更小。

表1為UMa傳播模型校正前后的誤差分布情況。由表1可知，在未校正前誤差主要集中于10 dB·m以上，且校正前誤差在15～30 dB·m范圍內(nèi)，占整體數(shù)量比例的59.56%，可見(jiàn)未校正的初始傳播模型與實(shí)際城區(qū)傳播環(huán)境還是有較大差異。而校正后的傳播模型，誤差主要集中在-5～5 dB·m，且基本分布在-10～10 dB·m范圍內(nèi)，沒(méi)有較大偏差的數(shù)據(jù)。因此經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的預(yù)處理后再進(jìn)行傳播模型校正的方法使數(shù)據(jù)更具有代表性與準(zhǔn)確性。

表1 校正前后誤差統(tǒng)計(jì)

由表2可知，與校正前相比，校正后的誤差更為集中，且誤差比例更小。經(jīng)過(guò)校正的數(shù)據(jù)誤差均值降低了15 dB以上，達(dá)到了-0.013 8 dB，其滿足誤差均值要求在0～1 dB；校正后標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.420 8 dB，其滿足模型校正標(biāo)準(zhǔn)差要求小于8 dB，說(shuō)明了校正后的傳播模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)貼近程度更高，更符合實(shí)際無(wú)線電波傳輸過(guò)程中受到外界其他干擾后的路徑損耗值。

表2 校正前后誤差分析

為了驗(yàn)證該傳播模型在武漢密集城區(qū)的普適性，從該區(qū)域其他基站路測(cè)數(shù)據(jù)中抽取2組經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)當(dāng)前已校正傳播模型進(jìn)行擬合對(duì)比，如圖7所示。選取水果湖步行街與湖廣大廈基站路測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分別進(jìn)行對(duì)比分析，兩組數(shù)據(jù)與校正模型誤差均值與標(biāo)準(zhǔn)差均在允許范圍內(nèi)，表明模型校正是成功的，校正后模型與當(dāng)?shù)貍鞑キh(huán)境相匹配［15］。

結(jié)合本文路測(cè)基站配置，可以給出載頻為3.5 GHz，帶寬為100 MHz，子載波帶寬30 kHz條件下的鏈路預(yù)算表，如表3所示。

通過(guò)對(duì)已知參數(shù)的核算，可以得到滿足數(shù)據(jù)流量上下行質(zhì)量的最大允許路徑損耗分別為110.43 dB與118.43 dB，從而確定對(duì)應(yīng)的單站覆蓋半徑為678.42 m與987.86 m?？芍到y(tǒng)的上行覆蓋半徑小于下行覆蓋半徑，因此室外最大覆蓋距離受限于上行鏈路，在覆蓋估算時(shí)應(yīng)以上行鏈路為依據(jù)來(lái)進(jìn)行基站數(shù)量及站址的選擇［16］。

表3 5G NR鏈路預(yù)算表

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著5G即將實(shí)現(xiàn)全面商用，本文針對(duì)武漢市內(nèi)熱點(diǎn)區(qū)域（密集城區(qū)）進(jìn)行了模型的優(yōu)化研究和鏈路預(yù)算。結(jié)合實(shí)地路測(cè)數(shù)據(jù)在已有5G新型模型——Uma模型上進(jìn)行了系數(shù)的校正，得到匹配本地地物環(huán)境的傳播模型，且校正后傳播模型的誤差均值與標(biāo)準(zhǔn)差均在可接受的參考誤差范圍內(nèi)，表明模型校正較為成功，為后續(xù)5G建設(shè)獲取密集城區(qū)的預(yù)測(cè)模型提供了一定的參考價(jià)值。同時(shí)結(jié)合校正好的新型傳播模型分析了5G無(wú)線鏈路預(yù)算，得到了在保證一定服務(wù)質(zhì)量下的允許最大路徑損耗和單站上下行覆蓋面積半徑，為5G新型網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了理論基礎(chǔ)。