5G移動(dòng)通信系統(tǒng)傳播模型與展望

孟慶麗

（單縣電視臺(tái)，山東 菏澤 274300）

1 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的傳播模型的簡(jiǎn)介

無(wú)線信號(hào)在空間傳播中的功率和衰耗通常包含有自由空間的損耗、陰影衰落、穿透力的損耗、植被力的損耗、人身力量的損耗以及大氣力的損耗等。無(wú)線電波傳播模型用于預(yù)測(cè)空氣中無(wú)線電波的傳播損耗，它是傳播距離、工作頻率和環(huán)境參數(shù)的函數(shù)[1]。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，傳播模型主要有兩種類型：一種是直接使用電磁理論計(jì)算的確定性模型，如光線跟蹤模型；另一種是基于大量測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型，如Okumura-Hata、Cost231-Hata、SPM、Uma、Umi以及Rma等。

3GPP定義了5G的3D傳播模型，主要有3種模型，分別為Uma、Rma和Umi，各自的適用場(chǎng)景如表1所示。

表1 3GPP電波傳播模型適用場(chǎng)景

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)規(guī)劃中，常見(jiàn)的傳播模型主要有0kumura-Hata、COST231-Hata、SPM、Uma和其他統(tǒng)計(jì)模型。

（1）0kumura-Hata模型。0kumura-Hata模型廣泛應(yīng)用于90O MHz GSM中，適用于對(duì)宏梯度小區(qū)的內(nèi)部路徑損耗情況進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)。Okumura-Hata數(shù)據(jù)模型測(cè)試采用的是基于對(duì)象的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行海量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析的一種全新經(jīng)驗(yàn)性測(cè)試方法，其實(shí)際應(yīng)用中的頻率分別為150 MHz和1 500 MHz。

（2）Cost231-Hata應(yīng)用模型。其與EURO-COST共同合作創(chuàng)立的，并由COST技術(shù)工作委員會(huì)為其共同開(kāi)發(fā)的一個(gè)HAT，其中應(yīng)用頻率一般為1.5 GHz和2 GHz。

（3）SPM模型。SPM（一種標(biāo)準(zhǔn)傳播式模型）的主要頻率為150～3 500 MHz，適合于小區(qū)內(nèi)半徑范圍為1～20 km的宏蜂窩系統(tǒng)[2]。由此可以清楚看出，0kumura-Hata、Cost231-Hata和SPM的適用頻段都應(yīng)該要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2 GHz，SPM模型的最大適用頻段大約是3.5 GHz。由于5G主頻段高于3.3 GHz，因此不再提供Okumura-Hata和COST231-Hata。SPM只能夠適用于5G高速網(wǎng)絡(luò)，僅能夠適用于3.5 GHz以下的某些5G頻段。隨著頻率的提高，無(wú)線信號(hào)在其傳播途中的衍射性能越來(lái)越弱，周圍的建筑物、道路會(huì)對(duì)其傳播產(chǎn)生負(fù)面作用?，F(xiàn)有的傳播模型只考慮了頻率，天線高度，接收高度，衍射系數(shù)（例如損耗和距離），但是建筑物的高度，街道寬度等對(duì)于高頻數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生了一定的不利影響，這與現(xiàn)有的傳播模型仍然存在著一定的差異。

（4）UMa模型。UMa模型適用于建筑物密集分布的區(qū)域，該場(chǎng)景主要包括各個(gè)省會(huì)城市的商業(yè)中心和密集的辦公樓等區(qū)域。在這種情況下，基站天線的高度要高于周圍建筑物屋頂?shù)母叨?，地面上用戶的高度（約1.5 m），同時(shí)站間距不超過(guò)500 m。

2 5G頻段分配情況

2.1 國(guó)內(nèi)5G分配情況

2017年11月，工業(yè)和信息化部發(fā)布公告，正式宣布5G系統(tǒng)的工作頻段為3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz，其中3 300～3 400 MHz原則上僅限于室內(nèi)使用。同時(shí)，工業(yè)和信息化部不再接受并批準(zhǔn)3 600 MHz和4 800 MHz附近的新應(yīng)用，這些新應(yīng)用將頻段許可證用于地面固定服務(wù)，空間無(wú)線電臺(tái)服務(wù)以及空間無(wú)線電臺(tái)測(cè)量和控制[3]。中國(guó)移動(dòng)在2.6 GHz頻段具有2 515～2 675 MHz的160 M寬帶，其中2 515～2 615 MHz（100 MHz）將用于部署5G，2 615～2 675 MHz（60 MHz）將用于部署4G。中國(guó)移動(dòng)還擁有4 800～4 900 MHz（100 MHz）5G，可用于5G加熱、專用網(wǎng)絡(luò)等。中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通在3.5 GHz（3 400～3 500 MHz）和3.5 GHz （3 500～3 600 MHz）頻段資源。2019年6月6日，工業(yè)和信息化部向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)廣播電視4家公司頒發(fā)了基本電信業(yè)務(wù)許可證，并批準(zhǔn)了這4家公司運(yùn)營(yíng)“第五代數(shù)字蜂窩”移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。發(fā)放5G許可證促進(jìn)了5G行業(yè)的發(fā)展，并加快了5G商業(yè)用途的進(jìn)程。4大運(yùn)營(yíng)商的5G頻段具體分配如表2所示。

表2 4家企業(yè)5G頻段的分配情況（單位：MHz）

2.2 國(guó)外5G分配情況

5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)模塊是基礎(chǔ)設(shè)施用來(lái)將所有信息推送到空中的頻率波。對(duì)于此新網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)有了5G NR，即5G New Radio，這是全球網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)的新名稱。3GPP同意將5G NR中使用的光譜分成兩個(gè)寬范圍。FR1、FR2是一個(gè)6 GHz，另一個(gè)是毫米波的高頻。5G NR物理層也根據(jù)該范圍規(guī)定最大值。6 GHz頻帶的各種副載波的最大帶寬和間隔是100 MHz，毫米波的最大帶寬是400 MHz。在3GPP中定義的許多副載波間隔中，15 kHz和30 kHz的兩個(gè)子載波間隔僅在6 GHz以下的頻帶中使用[4]。其他特殊子載波間隔（如120 kHz）僅在毫米波頻率范圍內(nèi)使用。同時(shí)，可以在這兩個(gè)頻帶中使用幾個(gè)副載波間隔，如60 kHz，如表3所示。

表3 3GPP分配的使用于5G的FR1和FR2頻段

5G NR大致可以分為兩個(gè)不同的頻率范圍，F(xiàn)R1的頻帶低于6 GHz，頻率在24 GHz以上的FR2一般可以說(shuō)是亳米波，屬于很高的范圍。FR1的傳輸距離更寬，它有助于擴(kuò)大5G網(wǎng)絡(luò)的范圍。另一方面，F(xiàn)R2更具挑戰(zhàn)性，它可以提供足夠的帶寬，但是傳輸距離非常短，并且很難通過(guò)障礙物，例如墻壁。

3 5G未來(lái)展望

3.1 5G應(yīng)用前景

5G技術(shù)是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重點(diǎn)，其應(yīng)用前景如下。

3.1.1 未來(lái)5G應(yīng)用將聚焦4大場(chǎng)景

IMT-2020的推廣研究團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，未來(lái)的5G應(yīng)用將主要是集中于以下4種領(lǐng)域：連續(xù)性的廣域和覆蓋性的場(chǎng)景，如高鐵和軌道地鐵；熱點(diǎn)和超高容量的場(chǎng)景，如居民區(qū)、辦公室和露天派對(duì)；智慧城市、環(huán)境監(jiān)控、智慧農(nóng)業(yè)等低功耗及大連接的場(chǎng)景；低延時(shí)和高可靠性的解決方案，如汽車互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)管理、虛擬現(xiàn)實(shí)和可穿戴設(shè)備。因此，國(guó)內(nèi)的企業(yè)要在5G尖端技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)兩個(gè)方面傾覆人力，并及時(shí)地做好對(duì)于尖端技術(shù)和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

3.1.2 高速智能應(yīng)用逐漸加強(qiáng)

5G技術(shù)是基于4G技術(shù)衍生出的通信技術(shù)，一方面大大提高了互聯(lián)網(wǎng)的傳輸速率，提高了網(wǎng)絡(luò)智能建設(shè)水平，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)和發(fā)展。目前，云計(jì)算已經(jīng)步入了全球發(fā)展部署時(shí)期，為5G技術(shù)優(yōu)化和升級(jí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。借助云計(jì)算和5G智能技術(shù)，手持式低端處理功能已得到有效增強(qiáng)，為社會(huì)公眾提供更加便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3.1.3 自組織網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)獲得更大發(fā)展

以往，運(yùn)營(yíng)商需要建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，以確保廣大人民群眾獲得高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和配置過(guò)程中必然會(huì)投入大量的人力、物力和財(cái)力。換句話說(shuō)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資成本較高。在5G的網(wǎng)絡(luò)下，用戶可以根據(jù)自己的需要和特點(diǎn)自行組建網(wǎng)絡(luò)，大大削減了建設(shè)成本。

3.1.4 端到端直接通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用

目前，我國(guó)現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)主要采用的是一種以基站為核心的星型網(wǎng)絡(luò)，并且全部終端都是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行彼此間的通信[5]。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚窒抻谠摼W(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和通訊容量。在5G互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，可以實(shí)現(xiàn)端到終始人之間直接的通信，從而使得終端能夠執(zhí)行一個(gè)短距離的數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)需中間一個(gè)節(jié)點(diǎn)（或者是基站）就能夠進(jìn)行切換，從而大大改善了互聯(lián)網(wǎng)通信覆蓋范圍和用戶體驗(yàn)。在移動(dòng)端到端技術(shù)支持下，諸如移動(dòng)用戶終端即時(shí)消息的傳遞和物聯(lián)網(wǎng)等各個(gè)行業(yè)內(nèi)部應(yīng)用程序，將會(huì)發(fā)展得更快、更好。

3.2 5G技術(shù)展望

5G技術(shù)全面適應(yīng)了信息社會(huì)對(duì)未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的需要。技術(shù)方面，將繼續(xù)面臨著空口效率需要改善、覆蓋效率和服務(wù)能力亟需增強(qiáng)、能耗降低以及互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用成本縮減的壓力。運(yùn)營(yíng)者需要探索新的盈利模型和運(yùn)營(yíng)管理模式，支持基于行業(yè)業(yè)務(wù)和應(yīng)用的行業(yè)生態(tài)變革，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的快速、健康發(fā)展與運(yùn)營(yíng)者可持續(xù)盈利共存。為了應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)，面向5G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將朝著創(chuàng)新和集成的方向發(fā)展?；?G LTE/LTE-Advanced的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將在未來(lái)幾年繼續(xù)得到擴(kuò)展和發(fā)揮作用，并將繼續(xù)在面向未來(lái)的5G系統(tǒng)中扮演重要角色。同時(shí)，創(chuàng)新的無(wú)線傳輸技術(shù)，頻率和使用的方式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)將逐步成熟并進(jìn)一步走向商業(yè)應(yīng)用。解決長(zhǎng)期市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，頻率和使用成本之間的矛盾，帶來(lái)更高的通信能力和更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。并且它與其他無(wú)線寬帶技術(shù)緊密集成在一起。

創(chuàng)新型移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率有限，并且LTE及其演進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用在技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)方面存在著時(shí)間的局限性。在全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)無(wú)線移動(dòng)寬帶的需求正在迅猛增長(zhǎng)之際，5G的發(fā)展也需要尋找具有突破性的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)其長(zhǎng)期的需求。當(dāng)前所看到的一些潛在創(chuàng)新性方向主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）新型頻率的利用方法：未來(lái)市場(chǎng)需求的爆發(fā)性變化與有限頻率之間的沖突，并且有固定頻率的分配和使用效果降低的可能性，有必要進(jìn)一步探索新頻率的利用方法。

（2）新的空口數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)：由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和新理論不斷形成，逐步引入新的空中接口數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，需要進(jìn)一步進(jìn)行理論分析和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空中接口數(shù)據(jù)的傳輸速率進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。

（3）新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：移動(dòng)帶寬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以通過(guò)借鑒固定帶寬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的SDN技術(shù)，將多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特性和功能要求與多種頻率，多種系統(tǒng)和移動(dòng)性相結(jié)合，重新建立更靈活的5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，以滿足未來(lái)行業(yè)發(fā)展的需要，并通過(guò)培訓(xùn)引導(dǎo)運(yùn)營(yíng)商繼續(xù)盈利來(lái)維護(hù)整個(gè)移動(dòng)帶寬行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)正常工作。

4 結(jié) 論

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)今時(shí)代背景下移動(dòng)通信技術(shù)的必然發(fā)展。與其他通信技術(shù)相比，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)超越了以往的通信技術(shù)，成為未來(lái)通信技術(shù)的主流。應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)5G通信技術(shù)的深入研究，闡述其核心體系，充分利用自身的優(yōu)勢(shì)與特征，在提高數(shù)據(jù)傳輸速率和降低能源消耗兩個(gè)方面，滿足了管理及網(wǎng)絡(luò)的根本性需求。

未來(lái)5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展仍然還需走很長(zhǎng)一個(gè)路，由于5G是使用的高頻寬帶，目前現(xiàn)有的移動(dòng)通信傳播模式已經(jīng)不能夠完全滿足，建議將3.5 GHz以下的頻帶上使用校正后的SPM模型或38.673定義的UMa模型。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)在未來(lái)的研發(fā)中仍然需要不斷地探索和完善，為5G移動(dòng)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展提供支持。