錢肇鈞，李　偉，方　正，楊　淼，戴慧玲（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

市區(qū)場景下700MHz，1.9GHz和2.6GHz頻段路徑損耗模型及對比分析

錢肇鈞，李偉，方正，楊淼，戴慧玲
（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

針對我國5G移動通信系統(tǒng)候選頻段傳播特性的研究，本文提出了一種用于大尺度電波傳播特性測試的方法，并將該測試方法應(yīng)用于我國實際市區(qū)場景下的測試工作中。通過后期數(shù)據(jù)處理，使用最小二乘法估計擬合出了700MHz、1.9GHz和2.6GHz等3個頻段市區(qū)場景的大尺度的路徑損耗曲線和公式，并與自由空間和ITU的相關(guān)建議書中的模型進行比較，證明了測試方案的合理性。測試表明，700MHz較1.9GHz和2.6GHz頻段路徑損耗小，傳播范圍更廣，能夠加強其覆蓋能力，從而節(jié)省大量的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用和能源消耗。進一步說明，700MHz更適合用于移動通信系統(tǒng)，有利于5G移動通信系統(tǒng)在我國的部署。

路徑損耗；電波傳播；5G移動通信系統(tǒng)；對比分析

1　引言

近年來，全球業(yè)界早已普遍將研發(fā)重點投向面臨2020年及未來的5G系統(tǒng)的研發(fā)上，IMT-2020(5G)推進組[1]指出，在關(guān)鍵能力要求中，5G需要可支持0.1～1Gb/s的用戶體驗速率，每平方千米100萬的連接數(shù)密度，毫秒級的端到端時延等美好愿景。

無線電頻譜資源是實現(xiàn)這一愿景和技術(shù)的資源保障，通過使用ITU[2]中相關(guān)建議書的工具，測算到5G移動通信系統(tǒng)頻譜需求帶寬高達1490～1810MHz頻譜，而當(dāng)前已規(guī)劃的頻譜資源只有687MHz頻譜，明顯不足，仍需要增加接近1GHz頻譜。然而，未來5G系統(tǒng)的頻譜資源依然緊缺，亟需對6GHz以下其他頻段進行考慮，以便更加高效使用這些頻譜。700MHz頻段，因其頻段低，有其獨特的優(yōu)勢，具有更廣的傳播距離，可以有效降低基站部署數(shù)量，可以節(jié)省基站和移動端的無線電發(fā)射功率，節(jié)約能源，很有可能成為未來5G通信系統(tǒng)所使用的頻率。有關(guān)專家建議[3]，盡快釋放700MHz“數(shù)字紅利”，將其應(yīng)用于移動通信發(fā)展，將帶來十分可觀的經(jīng)濟社會價值，對拉動信息消費具有重要現(xiàn)實意義。歐洲[4]正在考慮將700MHz頻段給公眾移動通信使用。

國際上[5][6]早已開展了針對這些頻段的研究工作，而且指出[7][8]寬帶無線電波傳播的建模研究工作已成為業(yè)界熱點。由于各個國家的地理環(huán)境都不同，而做好針對我國市區(qū)場景下的電波傳播特性的測量和建模的研究工作，對于我國未來5G移動通信系統(tǒng)的市區(qū)部署應(yīng)用具有重要的意義。為此，我們開展了主要針對700MHz這一炙手可熱的頻段，以及1.9GHz和2.6GHz兩個4G移動通信正在使用的頻段，總共3個頻段在相同市區(qū)環(huán)境下進行電波傳播特性的對比驗證測試，從而獲取了我國真實的路徑損耗模型，以便掌握其傳播規(guī)律，真實地體現(xiàn)700MHz在無線電波傳播方面獨特的優(yōu)勢。

2　測試依據(jù)

通過查找相關(guān)文獻，在測試采樣點數(shù)量的選取、測試車輛的車速，以及測試GPS精度等方面尋找了依據(jù)，以期獲得科學(xué)的測試方案，保證測試工作的可重復(fù)性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1測試天線

國際電信聯(lián)盟[9]給出了確定無線覆蓋而進行的移動場強測量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定在測試期間，測量接收天線高度為1.5～3米。本次測試接收天線使用全向天線，高度距離地面2.3米。

2.2發(fā)射信號類型

William c y Lee[10]給出寬帶信號接收功率計算公式為

式中，Pr為接受功率；K為與頻率和帶寬無關(guān)的系數(shù)；f0為寬帶信號的中心頻率；B為寬帶信號的帶寬。

當(dāng)B→0時

與窄帶信號計算得到的接收功率相同。接收寬為B的寬帶信號與接收單載波信號的功率比為

根據(jù)表1，可以看出，本次發(fā)射信號，選用單載波或者1MHz，2MHz，5MHz帶寬的寬帶信號都不影響接收功率的計算，因此，我們選擇發(fā)射2MHz帶寬的寬帶信號。

對數(shù)值為

表1　在3個中心頻率的條件下，發(fā)射不同帶寬的寬帶信號與單載波信號的接收功率比

2.3采樣間隔

William c y Lee[10]規(guī)定：為在實際中值附近獲得1dB的信賴區(qū)間，在40λ的平均間隔范圍內(nèi)，測試點的抽樣應(yīng)選在每個0.8λ處，即40個波長內(nèi)測得50個值。按照最小情況2550MHz的采樣間隔，本次測量需在5m范圍內(nèi)測量至少50個采樣點。

2.4車速

William c y Lee[10]規(guī)定：測試車的速度必須適合同時測量但頻率不同的測試信號個數(shù)的波長以及測試接收機的可用最短測量時間。計算車速的公式為

式中，tr為接收機規(guī)范中規(guī)定的重訪單頻的最短時間。

通過對安捷倫信號分析儀N9020A采樣分析，設(shè)置合理的分辨率帶寬及讀寫文件頻率，重訪單頻的最短時間為25毫秒，接收的最高頻率為2550MHz，因此將這兩個參數(shù)代入公式（5）令車速不大于13.6千米/小時滿足測試需求。

2.5定位精度

國際電信聯(lián)盟[11]規(guī)定：在市區(qū)測試數(shù)字為蜂窩系統(tǒng)時，要求位置信息的精度在幾米以內(nèi)。本次測試選用精度為3米的747 A+ GPS Trip Recorder設(shè)備，保證位置信息精度在幾米內(nèi)。

3　測試系統(tǒng)及環(huán)境

3.1測試系統(tǒng)

本次測試發(fā)射端放在北禮士路80號主樓11層天臺制高點（約35米），發(fā)射端連接如圖1所示；接收端安裝在測試車車頂，滿足1.5～3米的高度要求，接收端連接如圖2所示。

圖1　發(fā)射端設(shè)備連接圖

圖2　接收端設(shè)備連接圖

3.2測試環(huán)境

場景測試地點為北京市西城區(qū)（阜成門地區(qū)），為市區(qū)場景，有多種環(huán)境，有高樓和樹木遮擋。測試按照口字形路線進行，繞一圈約4千米，圖3中黃色五角星代表發(fā)射機地點，黃色箭頭線表示測試車行駛路線。接收測試車進行繞圈測試，每一個頻點均繞三圈以上，保證測試數(shù)據(jù)的豐富，擬合曲線的準(zhǔn)確。

圖3　測試地圖與路線

4　測試步驟

測試按照下列步驟進行：

（1）對準(zhǔn)備使用的天線、饋線和功放進行校準(zhǔn)。

（2）掃頻并確定測試頻點。為了避免外界信號對測試的影響，結(jié)合頻率規(guī)劃、分配和實測情況，找出相對“干凈”的頻率進行測試，確定對698MHz，1917MHz，2550MHz進行傳播比對測試。

（3）連接好測試設(shè)備。

（4）對發(fā)射端進行設(shè)置。設(shè)置待發(fā)信號的中心頻率，信號模式選擇CW信號，適當(dāng)設(shè)置發(fā)射功率；接通功放電源，打開功放上的RF開關(guān)，信號源開始發(fā)射。

（5）對接收端進行設(shè)置。接收設(shè)備由頻譜分析儀和筆記本電腦組成。接收端人員設(shè)置好接收信號的頻率，按照事先規(guī)劃好的路線開車勻速行進，測試車輛的速度應(yīng)不大于13.6千米/小時。

（6）配置數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)參數(shù)。筆記本電腦上的程序自動記錄頻譜儀接收信號的trace數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)，并保存到硬盤。記錄數(shù)據(jù)時應(yīng)當(dāng)確保，在所測信號40倍波長距離內(nèi)至少采集50組trace數(shù)據(jù)。同時，通過GPS接收設(shè)備記錄地理坐標(biāo)及其對應(yīng)的記錄時間等信息。

（7）先后設(shè)置發(fā)射頻率為698MHz，1917MHz，2550MHz，接收端測試人員重復(fù)步驟（5）～（6）中的測試。

（8）對數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理，用最小二乘法擬合得出3個頻段傳播路徑損耗曲線，并與自由空間損耗和ITU的UMa NLOS等傳播模型進行比對。

5　測試結(jié)果

5.1數(shù)據(jù)處理

根據(jù)國際電信聯(lián)盟[9]介紹，在對數(shù)據(jù)進行處理時，可以選用兩種方法：平均值（計算一定區(qū)域內(nèi)的全部采樣點的算術(shù)平均）、中值（對一定區(qū)域內(nèi)的全部采樣點進行概率統(tǒng)計，在傳播研究中，建議選用50%中值）。由于本次測試為傳播研究，測量不同頻段路損，重點關(guān)注于大尺度衰落，因此，采用50%中值。

5.2結(jié)果分析

由于LOS情況下的測量樣點偏少，故對700MHz 等3個頻段的測量結(jié)果的討論基本上都是基于NLOS情況。

5.2.1698MHz測量結(jié)果

698MHz測試電波傳播距離約在100至1,180米之間，路徑損耗如圖4所示。

擬合得到的路徑損耗模型可表示為

路損指數(shù)n=3.77，大于自由空間傳播損耗的系數(shù)，路損擬合曲線與ITU-R UMA-LOS模型接近。

5.2.21917MHz測量結(jié)果

1917MHz測試電波傳播距離約在100～1,000米之間，路徑損耗如圖5所示。

圖4　698MHz路徑損耗

圖5　1917MHz路徑損耗

擬合得到的路徑損耗模型可表示為

路損指數(shù)n=3.59，大于自由空間傳播損耗的系數(shù)，路損擬合曲線與ITU模型斜率接近。

5.2.32550MHz測量結(jié)果

2550MHz測試電波傳播距離約在100～855米之間，路徑損耗如圖6所示。

圖6　2550MHz路徑損耗

擬合得到的路徑損耗模型可表示為路損指數(shù)n=3.39，大于自由空間傳播損耗的系數(shù)，路損擬合曲線與ITU模型斜率接近。

5.2.4各頻段測量結(jié)果對比

698MHz，1917MHz，2550MHz在NLOS環(huán)境下和一部分LOS環(huán)境下的路損擬合曲線對比圖如圖7所示。

圖7　路損擬合曲線對比圖

綜合NLOS環(huán)境和一部分LOS環(huán)境下的各頻段路損特性對比結(jié)果可知：由于受測試系統(tǒng)本身、地形地貌、人口流動、樹木植被和大自然本身等的影響，3個頻段的電波傳播路徑損耗均顯然大于自由空間路徑損耗，這是很正常的。

從698MHz至2550MHz，隨著頻率升高，同樣距離下的路徑損耗上升。取同樣的功率門限，頻率越高覆蓋范圍越小。3個頻段的路損指數(shù)分別是3.77，3.59，3.39，與典型的市區(qū)環(huán)境路徑損耗指數(shù)n 在2至5之間[12]相吻合，表明實測的這些頻段路損真實可靠，擬合的曲線斜率基本一致。

此外，擬合的3個頻段電波傳播路徑損耗曲線均與ITU Uma NLOS模型接近，不僅說明測試的結(jié)果真實可靠，還說明ITU模型在3GHz以下頻段是可用的。

綜上所述，698MHz，1917MHz，2550MHz在本次UMa NLOS環(huán)境下的測試結(jié)果顯示，700MHz頻段路損特性最好，能覆蓋的范圍最大。

6　結(jié)束語

本文主要針對700MHz，1.9GHz，2.6GHz頻段，進行了實際市區(qū)環(huán)境下的電波傳播特性對比測試，從測試的結(jié)果來看，我們獲得了這3個頻段的大尺度傳播特性的路徑損耗模型，提取了路徑損耗的參數(shù)。通過對路徑損耗模型的對比分析，進一步驗證了700MHz頻段的路徑損耗顯著小于其他三個頻段，市區(qū)場景中，用于5G系統(tǒng)時，在相同的發(fā)射功率條件下700MHz頻段單基站覆蓋面積最廣；若要覆蓋相同大小的區(qū)域，使用1900MHz和2600MHz頻段基站的數(shù)量要比700MHz頻段基站的數(shù)量按上述倍數(shù)增加。相對于1900MHz、2600MHz等在用公眾移動通信頻段，700MHz頻段在覆蓋方面優(yōu)勢明顯。因此，上述頻段均可用于5G系統(tǒng)的候選頻段，而且700MHz能夠加強其覆蓋能力，從而節(jié)省大量的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用和能源消耗。

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Path Loss Model and Comparative Analysis of 700MHz, 1.9GHz and 2.6GHz Spectrum in the Urban Area

Qian Zhaojun, Li Wei, Fang Zheng, Yang Sen, Dai Huiling
(State Radio Monitoring Center, Beijing, 100037)

In this paper, we propose a method for measuring the characteristics of the candidate frequency band of 5G mobile communication system. By studying the relevant literature, we propose a method to test the large scale wave propagation characteristics. The test method is applied to the test work in the actual urban area. Through data processing, using the least square method to estimate the curve and formula of path loss of 700MHz 1.9GHz and 2.6GHz spectrum, and compared with the model of free space and ITU-R. The rationality of the test scheme is proved. Tests show that the 700MHz and 2.6GHz band path loss is small, the transmission range is wider, which can strengthen the coverage ability, thus saving a lot of network construction cost and energy consumption. Further, 700MHz is more suitable for mobile communication system, which is conducive to the deployment of 5G mobile communication system in China.

Path loss; Radio propagation; 5G mobile communication system; Comparative analysis

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.011

TN92文獻標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）02-0058-05

錢肇鈞，工程師，現(xiàn)在國家無線電監(jiān)測中心頻譜管理研究處工作，主要研究電波傳播、大規(guī)模MIMO的相關(guān)技術(shù)等。李 偉，工程師，現(xiàn)在國家無線電監(jiān)測中心頻譜管理研究處工作，主要研究寬帶移動通信、無線電波傳播技術(shù)等。方 正，高級工程師，現(xiàn)在國家無線電監(jiān)測中心頻譜管理研究處工作，主要研究車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線電波傳播技術(shù)等。楊 淼，工程師，現(xiàn)在國家無線電監(jiān)測中心頻譜管理研究處工作，主要研究電波傳播、認知無線電技術(shù)等。戴慧玲，助理工程師，現(xiàn)在國家無線電監(jiān)測中心頻譜管理研究處工作，主要研究寬帶移動通信、電波傳播技術(shù)等。