楊光 陳錦浩

【摘 要】5G移動通信系統(tǒng)正在建立試驗網(wǎng)，需要選擇合適的傳播模型對5G傳播中的電磁波傳播特性進(jìn)行預(yù)估和測試。3GPP組織給通信行業(yè)提供的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議38.901中描述了5G移動通信應(yīng)用環(huán)境下各種場景的適用傳播模型。針對38.901中的5G傳播模型進(jìn)行分析，與4G 36.873傳播模型進(jìn)行對比，研究不同頻率不同傳播距離下的路徑損耗規(guī)律，并提出路徑損耗與覆蓋距離的關(guān)系，為5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)劃和優(yōu)化提供指導(dǎo)意見。

5G移動通信；傳播模型；路徑損耗

1 引言

對移動通信網(wǎng)絡(luò)的通信距離、覆蓋范圍和無線電干擾影響范圍進(jìn)行估算時，電磁波傳播損耗是其中一個非常關(guān)鍵的參數(shù)。為了保證移動用戶的通話和通信質(zhì)量，確保基站覆蓋服務(wù)區(qū)內(nèi)的通信業(yè)務(wù)，通信基站在建站時，設(shè)計人員必須使用傳播模型仔細(xì)地計算和仿真收發(fā)天線間的空口傳播損耗。無線傳播模型用于描述發(fā)射機(jī)到接收機(jī)間信號的傳播行為，主要與射頻信號收發(fā)天線間的距離及路徑損耗有關(guān)。

針對不同的頻段，選擇合適的傳播模型，對于5G通信系統(tǒng)的空口規(guī)劃和硬件選型都很重要，這是頻譜規(guī)劃和組網(wǎng)的基礎(chǔ)，有助于工程師預(yù)測特定站址在實際環(huán)境下的傳播損耗，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。由于5G試驗網(wǎng)剛剛開建，所能獲取的相關(guān)有用數(shù)據(jù)非常有限，目前缺乏針對不同場景的合理傳播模型。5G移動通信使用的頻率在0.45 GHz—6 GHz和毫米波24.25 GHz以上，路徑損耗、陰影衰減、穿透損耗、植被損耗、人體損耗、大氣損耗、雨衰損耗等都會引起無線電波傳播時的衰減損耗。

2G/3G/4G系統(tǒng)建站時，采用的傳播模型大多是基于現(xiàn)有的常用經(jīng)驗傳播模型，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)路測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校正，以盡量準(zhǔn)確地反映真實場景下的傳播損耗。盡管可以通過模型校正使所采用的模型能夠基本控制在要求的范圍之內(nèi)，然而由于不同傳播模型的側(cè)重點、適用場景以及參數(shù)選擇等不完全一致，導(dǎo)致各個傳播模型之間的結(jié)果校正后仍然存在較大差異[1]。因此，針對不同的地貌及環(huán)境特點，選用相應(yīng)適宜的5G傳播模型，盡可能準(zhǔn)確地描述特定場景下的傳播模型，這對于今后5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化的準(zhǔn)確性將起到非常重要的作用。

2 自由空間傳播模型簡介

自由空間是相對介電常數(shù)及相對磁導(dǎo)率均為1的理想介質(zhì)，電磁波能量不會損耗。自由空間傳播損耗是指天線輻射的電磁波在視距路徑中傳播時，由于傳播距離的不斷增大引起的能量自然擴(kuò)散現(xiàn)象。

自由空間傳播損耗實際上是球面波的擴(kuò)散損耗，其模型表示為[2]：

（1）

式（1）中，d是收發(fā)天線的間距，單位為km；λ指工作波長；f的單位是GHz；c是自由空間傳播的光速，單位是m/s。

將上述公式轉(zhuǎn)化為以頻率為參數(shù)的dB形式，可得到：

（2）

從式（2）可以看出，電磁波頻率f越大或者傳播距離d越遠(yuǎn)，自由空間的傳播損耗Lfs，dB就越大[3]，Lfs，dB越大說明接收端接收到的功率非常小。這個傳播模型是自由空間中的理想情況，也是各種傳播模型的基礎(chǔ)公式。在實際通信應(yīng)用規(guī)劃和優(yōu)化中，需要針對不同頻率、不同場景進(jìn)行模型優(yōu)化、校正和預(yù)測，以得到符合實際通信應(yīng)用場景的傳播模型。

3 5G傳播模型組織和文獻(xiàn)

5G移動通信發(fā)展日新月異，大量組織和研究人員對5G移動通信無線傳播模型展開研究，有4個主要組織各自發(fā)布了5G傳播模型[4]，頻率適用范圍都是0.5 GHz—

100 GHz，分別是：

（1）3GPP。3GPP提供連續(xù)的工作進(jìn)展報告，為5G行業(yè)提供國際標(biāo)準(zhǔn)，5G傳播模型文檔為3GPP TR 38.901-e30[5]，對應(yīng)頻率范圍是0.5 GHz—100 GHz，最新版本發(fā)布于2017年12月（Release 14， V14.3.0）。3GPP另外還有3GPP TR 38.900 V14.3.1（2017-07）[6]，對應(yīng)頻率范圍是6 GHz—100 GHz，并沒有包含6 GHz以下的場景。

（2）5GCM（5G Channel Model）。5GCM是由15家公司和大學(xué)合作組成的特設(shè)小組，根據(jù)廣泛的測量活動，對3GPP的開發(fā)模型進(jìn)行補(bǔ)充和修正。5G傳播模型文檔[7]的最新版本發(fā)布于2016年10月。

（3）METIS 2020（Mobile and wireless communications Enable for the Twenty-twenty Information Society）。METIS 2020是由歐聯(lián)贊助的大型研究項目組。5G傳播模型文檔[8]的最新版本發(fā)布于2016年6月。

（4）mmMAGIC。mmMAGIC是由歐聯(lián)贊助的另外一個大型研究項目組。5G傳播模型文檔[9]的最新版本發(fā)布于2017年5月。

需要說明的是，5GCM、METIS 2020、mmMAGIC發(fā)布的傳播模型，都是在3GPP發(fā)布的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行校正的，適用于特定的場景和環(huán)境。而3GPP組織則根據(jù)5G組織的最新測試情況，對3GPP傳播模型進(jìn)行及時更新，以滿足各種應(yīng)用場景下的鏈路預(yù)算分析。

4 5G與4G傳播模型對比

2G/3G/4G移動通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化過程中，有不少通用的無線傳播模型，其中Okumura-Hata和Cost231-Hata的應(yīng)用非常廣泛。

Okumura-Hata通信傳播模型是日本科學(xué)家奧村（Okumura）通過對城市進(jìn)行大量無線電波傳播損耗的測量，得出了一系列經(jīng)驗曲線用于無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計。在這些經(jīng)驗曲線的基礎(chǔ)上，推出了簡化的Hata模型。它的頻率范圍是150 MHz—1 000 MHz，適用于GSM900和CDMA。

COST231-Hata傳播模型是歐洲研究委員會（COST231）在Okumura-Hata模型的基礎(chǔ)上修正得出的，是在2 GHz頻段的有效擴(kuò)展。COST231-Hata模型的天線高度適用范圍較大，在應(yīng)用到不同類型的城市時均能達(dá)到預(yù)期的效果，因此，該模型適用于城區(qū)地貌及郊區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。它的頻率范圍是800 MHz—2 000 MHz，適用于GSM、DCS、CDMA、CDMA2000、LTE。

3GPP 36.873（V12.7.0）是3GPP組織推出的針對4G移動通信的傳播模型，頻率范圍是2 GHz—6 GHz。3GPP 38.901（V14.3.0）是3GPP推出的針對5G移動通信的傳播模型，頻率范圍是0.5 GHz—100 GHz。36.873和38.901適用場景包括城區(qū)微站（UMi，Urban Microcell）、城區(qū)宏站（UMa，Urban Macrocell）、農(nóng)村（RMa，Rural Macrocell）以及室內(nèi)熱點（InH，Indoor Hotspot）。每個場景又分為視距（LOS，Line-of-Sight）和非視距（NLOS，non-Line-of-Sight）兩種情況。

因篇幅所限，Okumura-Hata傳播模型、COST231-Hata傳播模型[10]、3GPP 36.873 LTE傳播模型[11]、3GPP 38.901 5G傳播模型[5]的公式，在此沒有列出，詳細(xì)公式請查相關(guān)參考文獻(xiàn)。4種傳播模型說明和對比如表1所示。

3GPP 36.873對基站高度、用戶端高度、建筑物高度、街道寬度和傳播距離都有描述，而3GPP 38.901對這些參數(shù)的描述還不夠完備，說明隨著5G系統(tǒng)試驗網(wǎng)開始進(jìn)行試點，3GPP 38.901中介紹的5G傳播模型和預(yù)測的基本方法需要以大量的測試數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，并通過不同有效的經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀枰孕拚?/p>

5 5G傳播模型路徑損耗計算

傳播模型中路徑損耗的最大值是場景情況下能覆蓋的最大距離的損耗。路徑損耗值與場景環(huán)境、基站端配置、用戶端配置以及穿透損耗、人體損耗、植被損耗、雨衰以及陰影衰落余量有關(guān)。根據(jù)路徑損耗的最大值，使用傳播模型公式，可以對覆蓋范圍進(jìn)行路徑損耗估算，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化提供參考。

統(tǒng)計表明，目前4G移動網(wǎng)絡(luò)中超過80%的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)場景，對應(yīng)于3GPP協(xié)議傳播模型中的NLOS情況。3GPP各種場景下都是0.5 GHz—100 GHz頻率范圍，以下使用3GPP 38.901的NLOS傳播模型進(jìn)行鏈路預(yù)算分析。

傳播模型與基站高度、用戶高度、建筑物高度和路面寬度都相關(guān)，下面的模型討論都是基于相同場景下這些參數(shù)條件相同。

5.1 三種傳播模型2.6 GHz路徑損耗對比

對于2.6 GHz，NLOS場景下，COST231-Hata模型、3GPP 36.873模型以及3GPP 38.901模型在城區(qū)微站（UMi）、城區(qū)宏站（UMa）、農(nóng)村（RMa）在5 000 m以內(nèi)的NLOS路徑損耗如圖1所示。

從圖1可以看出，3個場景下的不同模型，相同距離時的路徑損耗值是有一定差異的，只有在城區(qū)宏站（UMa）場景時，3個傳播模型的路徑損耗趨勢基本一致。

5.2 36.873和38.901傳播模型3.5 GHz/28 GHz/39 GHz

路徑損耗對比

傳播模型36.873（3.5 GHz）和38.901（3.5 GHz、28 GHz、39 GHz），在城區(qū)微站（UMi）、城區(qū)宏站（UMa）、農(nóng)村（RMa）應(yīng)用場景下，距離與NLOS路徑損耗的關(guān)系圖如圖2所示。

由圖2可以看出NLOS場景下：

（1）在不同應(yīng)用場景（UMi/UMa/RMa）下，相同距離下，傳播頻率越高，路徑損耗衰減值越大。

（2）在3.5 GHz時：

1）城區(qū)微站（UMi）在模型36.873和38.901下計算結(jié)果有差異，起始距離10 m處，傳播模型36.873比38.901路徑損耗差值高約4.3 dB，并且隨著距離增加，這個差值也增加。

2）城區(qū)宏站（UMa）在模型36.873和38.901下的計算結(jié)果一致性很高，曲線基本重合，在2 000 m以內(nèi)的路徑損耗差值不超過1 dB。

3）農(nóng)村（RMa）場景下，36.873和38.901模型公式模型完全一樣，路徑損耗計算結(jié)果曲線重合。

（3）28 GHz與3.5 GHz對比，城區(qū)微站（UMi）、城區(qū)宏站（UMa）和農(nóng)村（RMa）場景下時，相同距離下，28 GHz的路徑損耗比3.5 GHz高約18～19 dB。

5.3 38.901傳播模型路徑損耗與距離的關(guān)系

各種場景下最大路徑損耗增加或者減小，能增大或者縮小5G基站的覆蓋半徑。最大路徑損耗每增加1 dB，小區(qū)覆蓋半徑增加的百分比關(guān)系如表2所示。

由表2可以看出，各場景下使用5G傳播模型估算時：

（1）最大路徑損耗約增加11.5 dB，小區(qū)覆蓋半徑約增加一倍，計算方法為（1+0.062）的11.5次方約等于2。

（2）最大路徑損耗每增加5 dB，小區(qū)覆蓋半徑增加約33%，站間距（小區(qū)覆蓋半徑的1.5倍距離）增加一倍。

6 結(jié)束語

根據(jù)無線電傳播特性及移動網(wǎng)絡(luò)所處區(qū)域的地理環(huán)境，來選擇恰當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ蛯⑹?G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中一個十分重要的環(huán)節(jié)。本文首先介紹了自由空間傳播模型的理論公式，然后引出5G通信行業(yè)中的四個主要組織針對5G傳播模型在不同場景下的模型公式。計算出4G和5G模型在城區(qū)微站、城區(qū)宏站和農(nóng)村的路徑損耗衰減對比圖，并計算5G傳播模型在各個場景下最大路徑損耗增加1 dB時，小區(qū)覆蓋范圍增加的百分比。通過對5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的傳播模型進(jìn)行分析研究，希望能對5G移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有所幫助。

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