5G信號(hào)傳播模式與頻段選擇分析

張 晨

（中國(guó)電信股份有限公司上海分公司，上海 200050）

0 引 言

根據(jù)IMT-2020規(guī)范要求，5G的用戶體驗(yàn)速率需達(dá)到100 Mb·s-1以上，對(duì)于熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景速率需達(dá)到1 Gb·s-1以上（峰值速率20 Gb·s-1）， 單位面積容量提升到10 Mb·s-1·m-2，并確保 500 km·h-1高速移動(dòng)中的通信業(yè)務(wù)質(zhì)量[1]。這些指標(biāo)相對(duì)于4G的IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)[2]有大幅提升。為滿足需求，論證移動(dòng)通信信號(hào)傳播模式不選擇地表波和天波的原因，從基礎(chǔ)理論的角度分析頻段高低對(duì)覆蓋、容量及質(zhì)量的影響，提出除了國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商選擇的2.5～2.7 GHz（n41）、3.4～3.6 GHz（n78）以及4.8～4.9 GHz（n79）頻段[3]以外其余頻段的分配方法，以滿足不同場(chǎng)景的需求。

1 信號(hào)傳播模式的選擇

無(wú)線電波的傳播模式分為地表波、天波及空 間波。

地表波傳播容易受地形影響。對(duì)于導(dǎo)電性能好且中等起伏的地形，如平靜的河海，電波損耗小，通信質(zhì)量高。然而，5G技術(shù)主要應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展的大城市，且面向物聯(lián)網(wǎng)；城市中的瀝青路面在干燥環(huán)境中的電導(dǎo)率偏低[4]，對(duì)電波的吸收作用明顯，且城市地形以不規(guī)則地形為主，建筑物密布，同樣阻礙地表波的傳播。

天波傳播可靠性差。由于電波傳播路途遠(yuǎn)且電離層的時(shí)變特性明顯，因此多徑衰落嚴(yán)重[5]；電離層自身也會(huì)對(duì)電波產(chǎn)生吸收作用[6]，尤其在白天，吸收損耗更大；太陽(yáng)黑子活動(dòng)也會(huì)進(jìn)一步加劇吸收損耗[7]。

除此之外，適合地表波和天波傳播的頻段只有甚高頻（Very High Frequency，VHF）以下的低頻頻段，容量有限。

空間波傳播不可緊貼地面進(jìn)行傳播，這是空間波與地表波的本質(zhì)區(qū)別之一。因此，需通過(guò)新建基站來(lái)解決陰影衰落問(wèn)題，并提高天線高度以增大傳播余隙，使其大于第一菲涅爾區(qū)半徑[8]，從而增大傳播距離。這種傳播模式的優(yōu)點(diǎn)是電波受地形影響小，可靠性高。盡管建設(shè)成本大，但確保業(yè)務(wù)質(zhì)量是需要優(yōu)先考慮的。因此，5G移動(dòng)通信只可選擇空間波傳播模式。

2 信號(hào)頻段的選擇

2.1 信號(hào)頻段對(duì)覆蓋的影響

2.1.1 從大氣穿透損耗角度分析

根據(jù)自由空間的傳播損耗公式：

式中：d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離，單位為km；f為無(wú)線電波的頻率，單位為MHz；傳播損耗L的單位為dB。對(duì)式（1）取反對(duì)數(shù)，傳播損耗與距離和頻率均成正比。電波頻率增加到n倍，如控制傳播損耗不變，則覆蓋半徑會(huì)下降至原來(lái)的1/n。

2.1.2 從雨衰角度分析

雨衰分為吸收衰減和散射衰減，其中吸收衰減更為嚴(yán)重[9]。在低于100 GHz的頻率范圍內(nèi)，雨衰與電波的頻率正相關(guān)；在低于10 GHz的頻率范圍內(nèi)，雨衰與電波頻率的關(guān)系曲線的一階導(dǎo)數(shù)較大，增長(zhǎng)率明顯。

2.1.3 從固體介質(zhì)損耗角度分析

對(duì)于同一種建筑物介質(zhì)，無(wú)論是入射介質(zhì)時(shí)的反射損耗，還是在介質(zhì)內(nèi)部的吸收損耗，均隨電波頻率的增大而增大[10]，而且電波的繞射能力與其頻率反相關(guān)，低頻率電波可以到達(dá)高頻率電波難以到達(dá)的地方。

2.1.4 覆蓋問(wèn)題改善措施

在不改變頻段的前提下，能顯著提升覆蓋率的有增大發(fā)射機(jī)功率和增加基站數(shù)量?jī)煞N措施。

（1）增大發(fā)射機(jī)功率。這一措施的施工量小，但是對(duì)于信號(hào)覆蓋的邊緣地帶，由于環(huán)境的高隨機(jī)變化性，信號(hào)穩(wěn)定性難以保證，而且單一提升發(fā)射功率會(huì)導(dǎo)致電力成本劇增。

（2）增加基站數(shù)量。這一措施可確保邊緣地帶的信號(hào)穩(wěn)定性，但施工量較大，而且基站數(shù)量增多，總耗電量也會(huì)增大。除此之外，基站密度增加時(shí)，站址規(guī)劃需更周密嚴(yán)謹(jǐn)，以避免導(dǎo)頻污染。

因此要原則性地改善覆蓋問(wèn)題，應(yīng)選擇低頻率的頻段。

2.2 信號(hào)頻段對(duì)容量的影響

2.2.1 從理論容量角度分析

根據(jù)香農(nóng)公式：

式中：B為信道帶寬；S為信號(hào)功率；n0為噪聲功率譜密度。信道容量對(duì)業(yè)務(wù)的影響有兩方面。一方面，對(duì)于單一接入業(yè)務(wù)，信道容量越大，最高傳輸速率也越大；另一方面，當(dāng)傳輸速率為定值時(shí)，信道容量越大，可同時(shí)容納的接入業(yè)務(wù)數(shù)越多。當(dāng)信號(hào)功率和噪聲功率譜密度不可調(diào)整時(shí)，唯一能提高信道容量的方法是增大頻寬。移動(dòng)通信的載頻一般選擇位于特高頻（Ultra High Frequency，UHF）的分米波、位于超高頻（Super High Frequency，SHF）的厘米波以及位于極高頻（Extremely High Frequency，EHF）的毫米波，波長(zhǎng)每縮短一個(gè)數(shù)量級(jí)，頻寬則增大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2.2 從頻譜占用率角度分析

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的2G、3G及4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的占用頻段集中在300～3 000 MHz的UHF。盡管2G和3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正在逐步退網(wǎng)，可進(jìn)行頻譜重耕[11]，但UHF不僅頻寬窄而且總體頻譜占用率高，難以應(yīng)對(duì)集中且同時(shí)在線的業(yè)務(wù)需求。一旦不同信號(hào)的中心頻率在窄帶頻段上的排列過(guò)于緊密，并且不采取干擾抑制措施，就容易發(fā)生同頻干擾和鄰道干擾。即使引入了干擾抑制技術(shù)，如果頻譜混疊過(guò)于嚴(yán)重，仍會(huì)使接收機(jī)底噪抬升，信號(hào)與干擾加噪聲比下降，從而使信道容量下降，最高傳輸速率下降，可同時(shí)容納的接入業(yè)務(wù)數(shù)下降。

2.2.3 容量問(wèn)題分析總結(jié)

SHF的總頻寬是UHF的10倍，EHF的總頻寬是UHF的100倍，理論容量非常大。國(guó)內(nèi)還未對(duì)這兩種頻段進(jìn)行充分開(kāi)發(fā)，頻譜占用率也極低。因此，為滿足容量需求，應(yīng)選擇高頻率的頻段。

2.3 信號(hào)頻段對(duì)質(zhì)量的影響

根據(jù)多普勒頻移的計(jì)算公式：

式中：v為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；λ為無(wú)線電波的波長(zhǎng)；θ為發(fā)射機(jī)相對(duì)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向與無(wú)線電波的傳播方向之間的夾角。將波長(zhǎng)換算為頻率后可得，電波頻率越大，多普勒頻移越嚴(yán)重。多普勒頻移會(huì)導(dǎo)致接收端誤碼率增大。對(duì)于高鐵掉話問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)速度快是其中一個(gè)原因，而電波頻率高是另一原因。

有關(guān)覆蓋、容量及質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)如表1所示。

表1 3種頻段技術(shù)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)

3 幾種常見(jiàn)5G應(yīng)用場(chǎng)景的頻段分配建議

不同頻段的優(yōu)缺點(diǎn)不同，不同應(yīng)用場(chǎng)景的頻段分配應(yīng)視具體情況而定。

3.1 高鐵動(dòng)車場(chǎng)景

高鐵動(dòng)車行駛速度非?？?，如分配過(guò)高的頻段會(huì)進(jìn)一步加劇多普勒頻移。對(duì)于沿鐵道建設(shè)的基站，站與站之間的距離必須拉大，否則會(huì)因?yàn)榱熊囃ㄟ^(guò)不同基站的間隔時(shí)間過(guò)短而導(dǎo)致切換頻繁。但基站之間的距離增加，高頻段的傳播損耗則會(huì)變得更大。另外，高鐵動(dòng)車經(jīng)過(guò)的地區(qū)一般人口密度低，業(yè)務(wù)量不大，對(duì)系統(tǒng)容量的要求不高。因此，綜合來(lái)看，對(duì)于高鐵動(dòng)車場(chǎng)景，建議分配UHF的中低頻段。

3.2 山區(qū)峽谷場(chǎng)景

山區(qū)峽谷場(chǎng)景的陰影衰落問(wèn)題嚴(yán)重，且不方便基站建設(shè)，一般只能選擇在山頂相對(duì)開(kāi)闊平坦的位置建設(shè)基站[12]。為使高山上的信號(hào)成功覆蓋到山谷，必須考慮繞射損耗問(wèn)題，因此，該場(chǎng)景僅適合分配低頻率的頻段。另外，山嶺地帶不適合長(zhǎng)期居住，用戶稀少，業(yè)務(wù)量不大，不需要太高的系統(tǒng)容量。綜合來(lái)看，對(duì)于山區(qū)峽谷場(chǎng)景，建議分配UHF的中低頻段。

3.3 城市室外場(chǎng)景

城市室外場(chǎng)景的主要特征是人口稠密、高樓聚集，且存在大量面向物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)，因此，需要縝密考慮信號(hào)覆蓋與系統(tǒng)容量?jī)煞矫娴男枨?。除此之外，室外物?lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)一般全天24 h不間斷運(yùn)行，因此也需要考慮功耗問(wèn)題。綜合來(lái)看，應(yīng)在確保容量的前提下盡量選擇低頻段。建議分配SHF的中低頻段，并引入大規(guī)模MIMO技術(shù)[13]，在規(guī)避導(dǎo)頻污染[14]的前提下，利用空間復(fù)用和空間分集，最大限度地提高頻譜效率和傳輸可靠性，以增大系統(tǒng)容量。也可直接分配帶寬更廣的SHF的高頻段，但需注意不能干擾正常運(yùn)營(yíng)的射電天文業(yè)務(wù)（23.5～ 24 GHz）、衛(wèi)星地球探測(cè)業(yè)務(wù)（24.6～27.5 GHz）以及無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（31.6～33.7 GHz）等[15]。

3.4 城市室內(nèi)場(chǎng)景

相比于室外場(chǎng)景，室內(nèi)場(chǎng)景的業(yè)務(wù)量更大，分布更加集中，且同樣面向物聯(lián)網(wǎng)，對(duì)系統(tǒng)容量的要求極高。如果室內(nèi)場(chǎng)景選擇了高頻段，則電波穿過(guò)建筑物時(shí)的穿透損耗會(huì)很大，用傳統(tǒng)的室外宏站解決室內(nèi)覆蓋難以滿足需求。綜合來(lái)看，建議先采用有線光纖將傳輸信號(hào)引入室內(nèi)，然后采用Small Cell[16]與室內(nèi)分布式天線系統(tǒng)結(jié)合的方式解決覆蓋問(wèn)題，頻段可分配SHF乃至EHF以滿足容量需求，同時(shí)，利用毫米波波束窄和方向性好的優(yōu)勢(shì)，可與MIMO技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精細(xì)覆蓋。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于傳播環(huán)境的限制以及業(yè)務(wù)質(zhì)量的要求，5G網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳播模式只能選擇空間波傳播。信號(hào)頻段的選擇需視具體場(chǎng)景而定，需考慮覆蓋、容量及質(zhì)量3個(gè)方面，同時(shí)留意成本問(wèn)題。另外，低時(shí)延也是5G相對(duì)4G的巨大提升之一[17]，業(yè)界提出了新型多址技術(shù)以滿足低時(shí)延的需求，這些新技術(shù)也會(huì)對(duì)容量產(chǎn)生影響。在進(jìn)行無(wú)線通信系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮多方面因素。