南作用，鐘志剛，王一驄（.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京 00048；.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450007）

1 概述

2019 年6 月6 日，工信部正式向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電發(fā)放5G商用牌照，標(biāo)志著我國(guó)5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正式進(jìn)入建設(shè)元年。除5G 網(wǎng)絡(luò)典型技術(shù)外，各大運(yùn)營(yíng)商均基于4G 現(xiàn)網(wǎng)站址和結(jié)構(gòu)進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)。因而5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)面臨的最大問題是5G 網(wǎng)絡(luò)所采用3.5 GHz 核心頻段下的射頻網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的差異。

針對(duì)5G 射頻網(wǎng)絡(luò)而言，首次引入了3.5 GHz 頻段和4.9 GHz 頻段，后期也會(huì)考慮引入毫米波。隨著移動(dòng)通信向高帶寬、高容量、超低時(shí)延、大連接的方向演進(jìn)，引入高頻段是不可避免的。在此情況下，針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)，更需要對(duì)高頻網(wǎng)絡(luò)下電磁傳播特征以及與現(xiàn)網(wǎng)頻段特性差異，特別是直射、衍射、反射、透射、散射等射傳播頻特征進(jìn)行研究。這直接決定運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的方向以及5G網(wǎng)絡(luò)最終的性能和用戶業(yè)務(wù)感知。

運(yùn)營(yíng)商在規(guī)劃5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通常都要和4G 現(xiàn)網(wǎng)鏈路級(jí)性能進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估，具體如表1所示。

表1是具有典型代表意義的4G、5G 鏈路差異預(yù)算表。從表1 可以看出，造成這種差異的原因主要有以下2類。

表1 5G與4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃鏈路預(yù)算差異表（常規(guī)）

a）技術(shù)因素，如5G 采用的MassiveMIMO、發(fā)射功率等參數(shù)。

b）5G 引用新的更高的3.5 GHz 頻段帶來的空中損耗差異。

其中針對(duì)技術(shù)因素，基于實(shí)驗(yàn)室算法/測(cè)試，通過鏈路級(jí)預(yù)算已經(jīng)可以較為精確地估算和確定，其精確度差異往往在dB 級(jí)，且網(wǎng)絡(luò)配置如果確定，其鏈路影響基本確定，相對(duì)簡(jiǎn)單。

針對(duì)頻段空口損耗差異，雖有理論計(jì)算方法，但5G移動(dòng)通信業(yè)務(wù)場(chǎng)景多為低空地面覆蓋網(wǎng)絡(luò)，受建筑體、山體、樹木等影響，其實(shí)際損耗值與理論計(jì)算有較大差異。本文將結(jié)合理論分析與實(shí)際精準(zhǔn)測(cè)試，給出5G 與4G 承載核心頻段帶來的空中損耗差異，供規(guī)劃及設(shè)計(jì)參考。

2 理論分析

2.1 問題分析

目前，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中引入3 500 MHz 頻段，而4G核心頻段為1 800 MHz，較之前2G 引入3G 或3G 引入4G而言，頻段上出現(xiàn)大幅度變化，如表2所示。

表2 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與新建網(wǎng)絡(luò)頻段差異

5G 引入的3.5 GHz 高頻段原為C 頻段衛(wèi)星/微波使用頻段，因其高頻特征主要用于視距通信。而在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，往往用于地面、建筑全覆蓋，大部分屬于地面網(wǎng)絡(luò)下的非視距通信。而這樣應(yīng)用場(chǎng)景下的電磁波傳播的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累非常少。

為此，需要從理論及實(shí)踐測(cè)試2 個(gè)方面確定其空口損耗上的差異，以便更好地在鏈路預(yù)算評(píng)估及網(wǎng)絡(luò)建模仿真時(shí)進(jìn)行更為科學(xué)、合理地應(yīng)用。

2.2 自由空間損耗理論計(jì)算

自由空間電磁波傳播損耗計(jì)算是電磁傳播計(jì)算的基礎(chǔ)，可由式（1）計(jì)算：

式中：

Ls——自由空間損耗（dB）

F——載波頻率（MHz）

d——傳播距離（km）

注意，這里自由空間傳播是指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，該環(huán)境定義的是電磁波傳播的理想傳播環(huán)境。在該環(huán)境下，電磁波在傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射、散射或折射等。其主要表明電磁波在理想空間傳播時(shí)能量擴(kuò)散特征。

受建筑體阻擋、反射、折射、吸收透射，山體反射及陰影阻擋，城市環(huán)境的樹木綠植的吸收投射、阻擋反射等的影響，目前5G、4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳播環(huán)境與自由空間傳播存在明顯差異。

目前5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)多采用基于自由空間損耗公式來評(píng)估頻段差異，具體如下：

式中：

L3500與L1800——5G 網(wǎng) 絡(luò)3 500 MHz 與4G 網(wǎng) 絡(luò)1 800 MHz頻率引起的損耗

根據(jù)式（2）得出，其頻率差約為5.78 dB，與表1 中常用的鏈路損耗差異數(shù)值基本一致。目前，較多的鏈路級(jí)評(píng)估采用該值進(jìn)行評(píng)估。顯然，其與實(shí)際電磁波傳播環(huán)境存在重大偏差。

2.3 經(jīng)驗(yàn)傳播模型啟示

基于大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征形成的經(jīng)驗(yàn)傳播模型是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)優(yōu)化必備的基本工具。目前，使用最為廣泛的電磁傳播模型為Okumura模型。

該模型得名于奧村，其在20 世紀(jì)60 年代日本東京，基于不同頻率、不同天線高度、不同距離等無線電磁傳播的特征因素進(jìn)行大量數(shù)據(jù)測(cè)試，基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，得出對(duì)無線信號(hào)傳播損耗進(jìn)行估測(cè)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

在Okumura 模型的基礎(chǔ)上，以市區(qū)傳播模型作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其他區(qū)域進(jìn)行了修正，進(jìn)一步提升預(yù)測(cè)的精確程度。形成了Okumura-Hata 模型，其簡(jiǎn)化表達(dá)式為：

式中：

A1，A2，A3，B1，B2，B3——Hata 參數(shù)

f——頻段（MHz）

hBS——有效的基站天線高度（m）

d——收發(fā)機(jī)之間的距離（km）

a(hm)——移動(dòng)終端天線高度修正函數(shù)

Cclutter——地貌修正函數(shù)

頻率損耗特征公式為：

經(jīng)過一些測(cè)試與校正，得出900 MHz與1 800 MHz的A2典型值分別為26.16和27.50。

基于理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢缘贸?00 MHz 與1 800 MHz 網(wǎng)絡(luò)空口損耗不同算法理論計(jì)算值，如表3所示。

表3 900 MHz與1 800 MHz空口損耗不同算法理論計(jì)算值

由于該模型頻段適用范圍的限制，此處使用900 MHz 和1 800 MHz 重在說明頻段差將影響A2的取值，以此類推可得到1 800 MHz 與3 500 MHz 的空中損耗差異。從表3可以看出：

a）自由空間與移動(dòng)環(huán)境下，不同頻率引起的損耗有所增加，表明不同頻段的電磁波傳播特性將影響A2的取值，這與相關(guān)的理論分析結(jié)論一致。

b）實(shí)際修正值較60 年代東京測(cè)試等均有所增加，表明該參數(shù)將隨著無線環(huán)境阻擋等因素變化，會(huì)相應(yīng)增加修正系數(shù)。

c）基于現(xiàn)有1 800 MHz、900 MHz 頻率衰減特征可以推出3 500 MHz 特征隨著城市環(huán)境的不同，損耗較自由空間計(jì)算值將更大。

d）該參數(shù)的修正應(yīng)在嚴(yán)格環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出。

e）由于該模型往往計(jì)算到1 km 外，目前5G 覆蓋范圍一般在1 km 內(nèi)，故測(cè)試應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在1 km 內(nèi)，5G特征覆蓋區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)特征。

3 無線測(cè)試環(huán)境搭建

3.1 現(xiàn)有測(cè)試方法缺陷分析

目前，3 500 MHz 與1 800 MHz 多基于試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拉網(wǎng)/DT 測(cè)試，該方式將引入其他因素，導(dǎo)致結(jié)果偏差，具體如下。

a）測(cè)試區(qū)域內(nèi)，5G 與4G 站點(diǎn)規(guī)模、位置、結(jié)構(gòu)存在差異。

b）同一站址的5G 與4G 站點(diǎn)掛高與具體安裝位置差異。

c）同一站址下5G 與4G 站點(diǎn)饋線及接頭損耗、天線配置、天線方向性圖等存在差異。

以上因素，因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)站點(diǎn)往往量級(jí)較大，很難針對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致、精確地修正，同時(shí)測(cè)試手機(jī)接收性能差異也會(huì)影響結(jié)果的評(píng)估，而得出的5G 與4G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的差異，可以用來做簡(jiǎn)要的評(píng)估，但無法進(jìn)行鏈路級(jí)性能的計(jì)算。

3.2 本文測(cè)試方法

針對(duì)常規(guī)測(cè)試存在的問題，此次測(cè)試采用在同一位置架設(shè)同一高度的發(fā)射天線，并采用射頻功率計(jì)分別測(cè)試天線口功率差，還要考慮全向天線增益及方向性圖差異，滿足發(fā)射端EIRP 的統(tǒng)一。發(fā)射端發(fā)射30 kHz窄帶CW信號(hào)。

在接收端，采用高精度高頻數(shù)字掃頻接收儀，同時(shí)監(jiān)測(cè)1 800 MHz與3 500 MHz窄帶信號(hào)，以確保接收端無其他因素導(dǎo)致的差異，如圖1所示。

在這樣的配置下，選擇在國(guó)內(nèi)一線城市，確定3個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，3個(gè)站點(diǎn)均位于該城市城區(qū)范圍。

在結(jié)果處理時(shí)，充分考慮不同頻段配置差異，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格地均化、過濾，最終得出3 500 MHz 與1 800 MHz空中損耗的差異。

各測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)情況如表4所示。

從表4 可以看出，本文在某一線城市城區(qū)環(huán)境選擇了典型的無線環(huán)境場(chǎng)景，并選擇了3 個(gè)具有代表性的站點(diǎn)，對(duì)每個(gè)站點(diǎn)均進(jìn)行了海量數(shù)據(jù)測(cè)采集，測(cè)試路線涵蓋站點(diǎn)下所有主要道路，滿足常規(guī)意義上CW測(cè)試無線環(huán)境及特征站點(diǎn)等相關(guān)要求。

3.3 測(cè)試結(jié)果及分析

針對(duì)以上3 個(gè)站點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，按照位置進(jìn)行不同頻段柵格化均化，再按照均化后的位置與站點(diǎn)位置進(jìn)行距離計(jì)算，最終得出距離站點(diǎn)不同位置下，3 500 MHz、1 800 MHz的空中損耗差異。

圖1 測(cè)試結(jié)構(gòu)及設(shè)備方框圖

表4 900 MHz與1 800 MHz測(cè)試數(shù)據(jù)量級(jí)統(tǒng)計(jì)

為了更明顯地顯示其對(duì)數(shù)正態(tài)衰落特征，此次數(shù)據(jù)處理按照多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)平均（圖2～圖4 中黑色曲線），如圖2～圖4所示。可以從感性趨勢(shì)角度再分析頻段差異帶來的損耗變化。表5 給出了900 MHz 與1 800 MHz空口損耗差異的量化統(tǒng)計(jì)。

從圖2～圖4以及表5可以得出：

a）最終3 個(gè)站點(diǎn)3 500 MHz 與1 800 MHz 空口損耗差異約為11.17 dB，較按照自由空間核算頻率差（5.78 dB）修正約5.39 dB。該測(cè)試值可直接用于鏈路評(píng)估及預(yù)算中。

圖2 3 500 MHz與1 800 MHz損耗與距離關(guān)系示意（站點(diǎn)1）

圖3 3 500 MHz與1 800 MHz損耗與距離關(guān)系示意（站點(diǎn)2）

圖4 3 500 MHz與1 800 MHz損耗與距離關(guān)系示意（站點(diǎn)3）

表5 900 MHz與1 800 MHz口空損耗差異一覽

b）從圖2～圖4 中趨勢(shì)可以看出，3 500 MHz 與1 800 MHz 頻段的慢衰落特征與距離呈規(guī)則遞減，且建筑物影響、衍射/發(fā)射特征，2個(gè)頻段差異整體呈規(guī)則變化，局部快衰特征存在一定差異。故從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，頻段影響估算或預(yù)算時(shí)可以直接采用11.17 dB 的差值，而具體站點(diǎn)/扇區(qū)級(jí)的仿真預(yù)測(cè)，還應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的建模計(jì)算。

c）使用中，如進(jìn)行嚴(yán)格的CW模型校正，采用三維射線跟蹤模型或傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型，均已經(jīng)考慮相關(guān)頻段影響，估算中如要進(jìn)行覆蓋距離計(jì)算則直接用電磁傳播模型來計(jì)算，而估算電平級(jí)可直接應(yīng)用測(cè)試值11.17 dB，如建模仿真，則建議使用嚴(yán)格校正的模型來預(yù)測(cè)計(jì)算。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)分析了5G 3 500 MHz 與4G 1 800 MHz頻段損耗差異問題。針對(duì)該問題，本文結(jié)合理論分析與實(shí)際精準(zhǔn)測(cè)試，給出5G 與4G 承載核心頻段帶來的空中損耗差異，供相關(guān)的方案規(guī)劃及設(shè)計(jì)參考。