張蕊 林樂科 趙振維 吳振森

(1. 西安電子科技大學(xué)物理與光電學(xué)院,西安 710071;2. 中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107)

引 言

International Mobile Telecommunications for 2020 and beyond,簡(jiǎn)稱IMT-2020,也就是第五代(the 5th Generation, 5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)．5G需要具備比4G更高的性能[1],主要體現(xiàn)在6個(gè)性能指標(biāo)和2個(gè)效率指標(biāo).性能指標(biāo)包括0.1～1 Gbps的用戶體驗(yàn)速率,每平方公里一百萬(wàn)的連接數(shù)密度,毫秒級(jí)的端到端時(shí)延,每平方公里數(shù)十Tbps的流量密度,每小時(shí)500 km以上的移動(dòng)性和數(shù)十Gbps的峰值速率．同時(shí), 5G還需要大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營(yíng)的效率,相比4G,頻譜效率提升5～15倍,能效提升百倍以上．為了推動(dòng)5G的發(fā)展,2015年世界無(wú)線電大會(huì)(WRC-15)的1.13議題[2]規(guī)劃了IMT-2020地面部分的頻率,頻段范圍為24.25～86 GHz,具體包括:24.25～27.5 GHz, 31.8～33.4 GHz, 37～40.5 GHz, 40.5～42.5 GHz 42.5～43.5 GHz, 45.5～47 GHz, 47～47.2 GHz, 47.2～50.2 GHz, 50.4～52.6 GHz, 66～76 GHz以及81～86 GHz．在這些頻段,不僅規(guī)劃了IMT業(yè)務(wù),還有一些其他的地面和空間業(yè)務(wù)[3]．例如在26 GHz頻段,目前實(shí)際在軌運(yùn)行的有多顆靜止軌道衛(wèi)星,31.8～33.4 GHz范圍部署有無(wú)線電導(dǎo)航和定位系統(tǒng),37～38 GHz頻段內(nèi)有空間研究探測(cè)系統(tǒng)等．IMT業(yè)務(wù)的運(yùn)行可能會(huì)對(duì)其他地面和空間業(yè)務(wù)產(chǎn)生干擾,為了實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的共存,需要開展系統(tǒng)間的共存研究,而傳播模型就是其中重要的一部分．

在2017年3月SG3會(huì)議之前,地物附加損耗模型主要參考ITU-R P.452建議[4]．452建議中的地物附加損耗模型應(yīng)用于5G高頻段的時(shí)候存在一些問題,如該建議中的模型在頻率大于0.9 GHz或地物高度大于8倍天線高度的時(shí)候,地物附加損耗幾乎是不變的,這與實(shí)際的毫米波傳播情況不符．在2017年3月的SG3會(huì)議上,根據(jù)各國(guó)提交提案和會(huì)議討論結(jié)果,對(duì)地物附加損耗模型進(jìn)行了更新,并形成了ITU-R P.2108建議[5]．新的地物附加損耗模型為統(tǒng)計(jì)模型,分為地面路徑和斜路徑兩種情況,其中地面路徑模型是對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的,斜路徑模型是利用解析方法得到的．

在地物附加損耗的預(yù)測(cè)中,ITU只給出了統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果,沒有給出確定性的預(yù)測(cè)結(jié)果．當(dāng)已知IMT站點(diǎn)周圍具體環(huán)境信息的時(shí)候,可以采用確定性模型進(jìn)行地物附加損耗的預(yù)測(cè)．本文提出了一種地物附加損耗的確定性預(yù)測(cè)方法,該方法基于具體的IMT站點(diǎn)信息和建筑物信息,考慮過屋頂繞射和建筑物側(cè)向繞射,綜合得到建筑物引起的附加損耗．通過調(diào)整路徑仰角信息,這種確定性方法既可應(yīng)用于地面路徑,也可應(yīng)用于斜路徑情況．

1 地物附加損耗的統(tǒng)計(jì)模型

2017年3月之前,地物附加損耗的預(yù)測(cè)主要參考ITU-R P.452中的模型,該模型預(yù)測(cè)的損耗隨頻率的變化如圖1所示,隨地物高度的變化如圖2所示．2017年3月之后,ITU中給出的地物附加損耗的統(tǒng)計(jì)模型主要分為兩種,一種是地面路徑預(yù)測(cè)模型,另一種是斜路徑預(yù)測(cè)模型.其中,地面路徑預(yù)測(cè)模型主要解決地-地路徑地物附加損耗的預(yù)測(cè)問題,斜路徑預(yù)測(cè)模型主要解決空-地路徑、天-地路徑地物附加損耗的預(yù)測(cè)問題．

圖1 地物附加損耗隨頻率變化

圖2 地物附加損耗隨地物高度變化

1.1 地面路徑預(yù)測(cè)模型

該模型是對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的[6-7]．實(shí)際測(cè)試的時(shí)候,無(wú)線鏈路一端架設(shè)比較高,位于屋頂之上,一端較低,位于屋頂之下．基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的p%地點(diǎn)不超過的地物附加損耗Lctt為

Lctt(p)= -5lg(10-0.2Ls+10-0.2Ll)-

(1)

Ls=32.98+23.9lg(d)+3lg(f);

(2)

Ll=23.5+9.6lg(f)．

(3)

式中:d為距離,km;f為頻率,GHz．由于Ls隨距離增加而增加,在距離比較大的時(shí)候,預(yù)測(cè)結(jié)果不合理．因此,用Ll的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正．此外,該模型建立所采用的測(cè)試數(shù)據(jù)比較有限,并且沒有考慮基站天線的影響．

1.2 斜路徑預(yù)測(cè)模型

斜路徑預(yù)測(cè)模型是一種解析模型[8],它基于蒙特卡洛方法得到．該模型主要考慮了建筑物的繞射和二次反射對(duì)傳播的影響,基于典型城區(qū)環(huán)境得到統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)結(jié)果,并利用公式進(jìn)行擬合,最終得到了簡(jiǎn)化的斜路徑地物附加損耗預(yù)測(cè)模式．下面為p%地點(diǎn)不超過的斜路徑地物附加損耗Lces的預(yù)測(cè)公式:

(4)

式中:K1=93(f0.175);A1=0.05;θ為路徑仰角,度．圖3為30 GHz斜路徑模型的擬合曲線,其中實(shí)線為蒙特卡洛仿真結(jié)果,虛線為公式擬合結(jié)果,不同顏色代表了不同的路徑仰角,擬合公式主要保證了小損耗的擬合精度．斜路徑模型目前存在的問題是缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn),模型檢驗(yàn)只在地-地路徑開展,而且沒有做地點(diǎn)概率分布結(jié)果的檢驗(yàn)．

圖3 不同路徑仰角下斜路徑模型擬合曲線

2 地物附加損耗的確定性模型[9]

當(dāng)已知發(fā)射站及其周圍環(huán)境主要是建筑物的信息時(shí),可以采用確定性地物附加損耗模型．相對(duì)于統(tǒng)計(jì)模型而言,確定性模型可以提供更高的預(yù)測(cè)精度．對(duì)于城區(qū)和郊區(qū)環(huán)境,當(dāng)站點(diǎn)低于平均屋頂高度時(shí),引起地物附加損耗的傳播機(jī)制包括建筑物引起的繞射、鏡反射、漫散射以及阻塞等．雖然收發(fā)站點(diǎn)之間的障礙物都可能對(duì)傳播產(chǎn)生影響,但一般情況下,在收發(fā)路徑上距離站點(diǎn)最近的建筑物應(yīng)該是最主要的影響因素,因此,簡(jiǎn)單起見,地物附加損耗的建模主要考慮該建筑物的繞射作用．通過理論分析和試驗(yàn)測(cè)試,我們發(fā)現(xiàn),最強(qiáng)的接收信號(hào)方向通常不是正對(duì)發(fā)射方向,而是沿著建筑物的間隙．因此,在損耗建模時(shí),不僅需要考慮過屋頂?shù)睦@射,還應(yīng)考慮建筑物的側(cè)向繞射．

2.1 輸入?yún)?shù)

地物附加損耗確定性模型的輸入?yún)?shù)如表1所示．本文中損耗模型的推導(dǎo)是針對(duì)發(fā)射站,但其預(yù)測(cè)過程同樣適用于接收站．

表1 輸入?yún)?shù)

表1中的輸入?yún)?shù)如圖4所示,圖中(a)、(b)、(c)分別給出了側(cè)視、正視、俯視情況下的參數(shù)表示．對(duì)于空-地、星-地傳播場(chǎng)景,傳播路徑仰角應(yīng)是視在仰角．圖中hr表示接收天線高度,m;d為發(fā)射和接收天線之間的距離,m,這兩個(gè)參數(shù)僅在推導(dǎo)過程中使用,實(shí)際預(yù)測(cè)中不再需要．

(a) 側(cè)視圖

(b) 正視圖

(c) 俯視圖圖4 輸入?yún)?shù)示意圖

2.2 地物附加損耗的預(yù)測(cè)過程

建筑物引起的地物附加損耗由三部分組成,即通過建筑物頂部的繞射損耗和通過建筑物兩側(cè)的側(cè)向繞射損耗,總損耗是這三個(gè)繞射損耗的合成．

建筑物的繞射損耗可以用單刃峰繞射損耗模式近似預(yù)測(cè)[10-11],其預(yù)測(cè)模式為

(5)

式中,ν為繞射參數(shù)．刃峰繞射模型的應(yīng)用需滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件．電波傳播中遠(yuǎn)場(chǎng)近似的條件為障礙物距離發(fā)射天線的距離遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)[12],即r?λ/(2π),一般認(rèn)為r>10λ即滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件．對(duì)于5G高頻段,波長(zhǎng)一般在毫米量級(jí),因此遠(yuǎn)場(chǎng)近似條件很容易滿足．刃峰繞射,也稱為半無(wú)限吸收屏繞射,這種物理模型做了很多極端的假設(shè)．根據(jù)無(wú)線電波的費(fèi)涅爾區(qū)理論,對(duì)波起影響的主要是射線周圍的頭幾個(gè)費(fèi)涅爾區(qū),而且費(fèi)涅爾區(qū)的半徑收斂得非?？?所以這個(gè)空間區(qū)域在橫向和縱向的空間尺度都是很有限的．因此,在實(shí)際應(yīng)用中條件并沒有這么嚴(yán)格,許多障礙物都可以當(dāng)做刃峰處理[13]．在工程計(jì)算中,還提供了雙刃峰、多刃峰、光滑球面、圓柱形障礙物等多種不規(guī)則地形繞射損耗預(yù)測(cè)方法[10,14]．對(duì)于建筑物引起的附加損耗,下面給出具體的推導(dǎo)過程．

2.2.1 過建筑物頂部的繞射損耗

圖5 建筑物頂部繞射預(yù)測(cè)的幾何參數(shù)

建筑物相對(duì)于發(fā)射天線的高度hb1為

hb1=hb-ht,

(6)

建筑物的參考高度hbs為

hbs=d1tanθ．

(7)

繞射參數(shù)ν0的計(jì)算公式為

(8)

式中:

如果

(9)

則繞射參數(shù)ν0可以近似為

(10)

將ν0帶入單刃峰繞射預(yù)測(cè)模式即可得到過建筑物頂部的繞射損耗J0:

J0=J(ν0)．

(11)

2.2.2 建筑物的側(cè)向損耗

建筑的側(cè)向繞射損耗包括兩部分:從發(fā)射站方向看,銳角側(cè)的繞射損耗Ja和鈍角側(cè)的繞射損耗Jb,如圖4所示．對(duì)于Ja,其預(yù)測(cè)公式為:

Ja=J(νa),

(12)

(13)

(14)

Ha=lasinα.

(15)

對(duì)于Jb,其預(yù)測(cè)公式為:

Jb=J(νb),

(16)

(17)

(18)

Hb=lbsinα.

(19)

2.2.3 損耗合成

由前面的分析,得到了過建筑物頂部的損耗J0以及建筑物的側(cè)向損耗Ja和Jb,建筑物引起的地物附加損耗Lclut是這三個(gè)損耗的合成[10],即

Lclut=-10lg(10-0.1J0+10-0.1Ja+10-0.1Jb)．

(20)

2.2.4 仿真結(jié)果

下面仿真不同條件下確定性地物附加損耗模型的預(yù)測(cè)效果．確定性模型預(yù)測(cè)的地物附加損耗隨頻率的變化如圖6所示,除頻率以外的其他參數(shù)參照表2;預(yù)測(cè)的地物附加損耗隨建筑物高度的變化如圖7所示,除建筑物高度以外的其他參數(shù)參照表2;兩圖中同時(shí)給出了P.452模型的預(yù)測(cè)結(jié)果．從圖中可以看出:P.452模型在頻率較高時(shí)隨頻率沒有變化,隨建筑物高度的變化也比較平緩,最大值不超過20 dB;隨著頻率和建筑物高度的增加,本文模型預(yù)測(cè)的地物附加損耗也在增加,這種變化趨勢(shì)更符合地物附加損耗的傳播特點(diǎn)．本文只給出了模型的仿真結(jié)果,模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的吻合性還需要進(jìn)一步檢驗(yàn)．

圖6 確定性模型預(yù)測(cè)結(jié)果隨頻率變化

參數(shù)取值f/GHz30ht/m6hb/m18d1/m15θ/(°)5α/(°)50la/m20lb/m40

圖7 確定性模型預(yù)測(cè)結(jié)果隨建筑物高度的變化

3 結(jié) 論

本文提出了一種確定性的地物附加損耗預(yù)測(cè)模型,當(dāng)已知發(fā)射站、接收站周圍的具體環(huán)境信息時(shí),可以采用確定性模型進(jìn)行傳播損耗預(yù)測(cè)．該模型可應(yīng)用于地-地、地-空、地-天等傳播場(chǎng)景的共存分析．確定性模型是現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)模型的補(bǔ)充,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)評(píng)估需求和環(huán)境信息進(jìn)行模型選擇．在確定性地物附加損耗模型的檢驗(yàn)方面,本文給出了仿真結(jié)果,該模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的一致性還需進(jìn)一步檢驗(yàn)．

[1] Recommendation ITU-R M.2083-0. IMT Vision - framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond [R]. Geneva: ITU-R, 2015.

[2] Final acts of the World Radiocommunication Conference(WRC-15)[R]. Geneva: 2015.

[3] ITU Radio Regulations-Volume 1 (Article 5)[R]. Geneva: 2016.

[4] ITU-R. Recommendation ITU-R P.452-16. Prediction procedure for the evaluation of interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.1 GHz[R]. Geneva: ITU-R, 2015.

[5] Recommendation ITU-R P.2108-0. Prediction of clutter loss [R]. Geneva: ITU-R, 2017.

[6] Correspondence Group 3K-6. Proposal of terrestrial-path clutter models for urban and suburban environments[R]. ITU-R Document 3K/148-E and Document 3M/177-E. Geneva: 2017.

[7] Telefon AB - LM Ericsson. Proposed statistical clutter loss model[R]. ITU-R Document 3K/149-E and Document 3M/196-E. Geneva: 2017.

[8] ITU-R. Report ITU-R P.2402-0. A method to predict the statistics of clutter loss for earth-space and aeronautical paths[R]. Geneva: ITU-R, 2017.

[9] China. A path-specific method for clutter loss prediction considering the lateral diffraction[R]. ITU-R Document 3M/258-E. Geneva: 2017.

[10] Recommendation ITU-R P.526-13. Propagation by diffraction[R]. Geneva: ITU-R, 2013.

[11] 謝益溪. 電波傳播(超短波、微波、毫米波)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 1990.

[12] 劉學(xué)觀,郭輝萍. 微波技術(shù)與天線[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社,2001.

[13] 謝益溪. 無(wú)線電波傳播——原理與應(yīng)用[M]. 北京:人民郵電出版社,2008.

[14] 熊皓等., 無(wú)線電波傳播[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2000.