Sub 6 GHz頻段無線傳播特性研究

齊航 劉瑋 任冶冰 孫偉 席思雨 喬晶 董江波

【摘? 要】針對Sub 6 GHz的5G典型頻段進行研究，主要關注900 MHz、1.8 GHz、1.9 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz的6個頻段。通過連續波測試的方法，掌握不同頻段間傳播損耗特性及傳播模型特性，并對傳播模型進行校正，利用校正后的傳播模型各場景參數進行仿真，能很好地反映Sub 6 GHz不同頻段無線信號在該地區的傳播特性，同時獲得5G性能預期，可以為未來5G規劃組網建設提供有力支撐。

【關鍵詞】5G;穿透損耗;SPM;模型校正

1? ?引言

隨著智能設備和移動應用的飛速發展，由5G移動接入支持的移動數據流量正經歷著爆炸性的增長，對覆蓋、可靠性和低時延的要求也更嚴格。國際標準化組織3GPP定義了5G的三大應用場景：增強移動寬帶場景（eMBB）、低時延高可靠場景（uRLLC）和低功耗大連接場景（mMTC）。這三大場景可以滿足不斷涌現的新興業務，如高速率大帶寬的4k高清視頻、VR/AR、NB-IoT等[1]。為了達到這樣的高速數據容量，除了使用高階調制、大規模MIMO技術、密集組網等技術之外，更大的連續通信帶寬是必不可少的。考慮到目前的無線電頻譜占用情況，為了滿足更高的速率，在中國的推動下，全球聚焦Sub 6 GHz頻段，而6 GHz以上聚焦26 GHz—28 GHz和40 GHz頻段。本文關注Sub 6 GHz頻段，對900 MHz、1.8 GHz、1.9 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz的6個5G典型頻段進行測試，以掌握不同頻段間傳播損耗特性及傳播模型特性，為未來5G規劃組網建設工作提供有力支撐。

同時，更高的無線頻率意味著更大的通信路徑損耗，而更短的波長也增大了繞射損耗。在5G高頻段信道中，也存在雨衰特性、植被損耗、反射散射以及人體遮擋等影響因素。另外，相比于傳統低頻段信號，5G高頻信號的覆蓋范圍較小，未來將更適合部署在室內微小區和熱點地區。此外，高頻段通信中的許多技術，如Massive MIMO、波束賦形等極易受到無線信道的影響，這也使得5G高頻段通信傳播模型的研究愈發重要。

本文對5個場景基于CW（Continuous Wave，連續波）測試的Sub 6 GHz的6個5G典型頻段傳播特性數據進行分析，重點關注不同頻段不同場景下的傳播能力差異，包括不同材質下的穿透損耗差異、室內環境下的傳播能力差異、室外環境下的傳播能力差異、SPM經驗模型校正的結果對比分析等幾個方面。最后，根據現場驗證的實際數據，獲得了不同頻段間傳播損耗特性及傳播模型特性，利用該模型校正的各場景參數仿真可以很好地反映Sub 6 GHz不同頻段無線信號在該地區的傳播特性，以得到5G NR性能預期，為未來5G規劃組網建設提供有力支撐。

2? ?SPM傳播模型

CW測試是進行傳播模型校正的重要步驟，利用連續波作為信號源，對測試數據中的經緯度信息和接收電平進行建模和校正，以分析傳播損耗。和自由空間相比，移動通信的傳播環境更加復雜，很難用理論分析來介紹傳播損耗。因此，必須經過統計處理，測試所得數據才更符合實際環境，才能更好地描述移動通信的傳播損耗。通過CW測試，能夠將實測結果與預測結果進行比較，對傳播模型的參數進行修正，使模型更加符合實際地理環境，增加其準確性。

SPM模型的表達式為：

在公式（1）中，K1為與頻率相關的因子（dB）;K2為與距離lgd相關的因子，K3為與發射機天線高度lgHeff相關的因子;K4為與衍射計算相關的因子;K5為與距離lgd和發射機天線有效高度lgHeff乘積有關的因子;K6為與接收終端有效天線高度Hmeff有關的因子;Ploss為接收終端的功率（dBm）;d為接收終端和發射機之間的距離（m）;Heff為發射機天線的有效高度（m）;LDiffraction為衍射造成的損耗（dB）;Hmeff為接收終端的有效天線高度（m）;f（clutter）為地物類型的平均加權損耗;Kclutter為f（clutter）的修正因子[2]。

上述模型的K1～K6參數由具體的傳播環境決定，Kclutter是由不同地物決定的修正系數。不同的地物決定了不同的Kclutter，這些K參數是通過CW測試的數據逐步擬合出來的。獲得CW測試數據后，可以通過K參數試驗法和最小方差法兩種途徑得到。

傳播模型的各個系數中，K3、K4、K5、K6基本不會隨著地形不同而變化，因此，在校模時，一般只考慮K1、K2。

當模型校正時，如果不對Kclutter校正，而直接對K1、K2進行校正，由于地物類型的影響會疊加到K1、K2上，因此對模型校正的結果沒有太大影響。根據工程經驗，Kclutter對模型校正結果的誤差約為10 m左右[3]。如果模型校正選擇對Kclutter校正，主要用于獲得不同地物的偏置。一般來說，模型校正時，需考慮每種地物上測試點的數量。如果某種地物上測試點太少（少于200個），則不考慮此種地物的偏置。

3? ?測試步驟及方法

3.1? 測試準備

（1）為提高效率和準確性，本次測試采用2套發射機、接收機同時進行測試。兩套設備獨立配置信號發生器和接收機，連接到同一臺電腦進行數據采集，一次可以完成2個頻段的測試。CW測試設備如圖1所示。

（2）對測試系統設備進行測試，確保數據分析的準確性。

發射機：對發射機進行功率測試，各頻段誤差約在0.2 dB～0.8 dB，性能穩定。

天線：在暗室對天線進行測試，確定實際方向圖數據。

饋線：測試寬頻軟跳線在不同頻段的損耗。

（3）CW測試中，發射機輸出功率和接收場強RSSI可以直接獲取，饋線損耗在測試前經專用儀器測量得到，還需要對天線的增益進行修正，以得到實際路損。

全向天線在水平方向上增益較為穩定，最大增益取水平方向上的增益均值。

根據發射機高度和發射機與接收機之間的距離，可以計算出信號在發射、接收天線垂直方向上的角度。查找方向圖數據，可以得到對應垂直方向上的增益損失，再用天線最大增益減去損失值，即可得到天線在接收機位置上的實際增益值。圖2為天線增益計算示意圖：

（4）路測完成后，在采用路測數據進行模型校正前，需對CW測試數據進行處理，包括數據過濾、地理平均、數據篩選等過程[4]。

從工程角度來看，傳播模型校準滿足標準方差小于8 dB，中值誤差小于3。即便傳播模型校正達到這個標準，傳播預測值與實際值也存在著差異，這個差異與位置、地貌和方差大小密切相關。模型校正后的方差越小，意味著該模型越能夠準確描述實際采樣的環境，但模型的通用性降低。如果模型校正的方差過大，那么模型的通用性雖好，但與實際環境的差異也很大[5]。

3.2? 測試方法

（1）不同材質下的穿透損耗測試

發射機天線高在25 m～35 m之間，接收機放置于測試目標內、外側分別測試。在環境允許時，應沿著測試目標移動1 m～3 m，以獲得更多樣化的數據。圖3為穿透損耗的測試示意圖。

（2）室內環境下的傳播能力測試

發射機天線高在25 m～35 m之間，接收機分別位于目標建筑室內、室外，遍歷各種位置進行信號強度測量。圖4為室內傳播測試示意圖。

（3）室外環境下的傳播能力測試

分為室外定點測試和室外遍歷測試。室外定點測試時，發射機天線高在25 m～35 m之間，接收機和發射機之間（區分LOS和NLOS場景）相距至少100 m，兩個測試點之間相距30 m，共測試5個點。室外遍歷測試時，發射機天線高度在25 m～35 m之間，接收機以低速遍歷測試路線，測試站點周圍應包含足夠的地物類型，同時要求有相當數量的道路以便測試時能采集足夠數量的數據，路線應圍繞著發射天線360°的各種道路，盡量使路線具備環境代表性[6]。室外定點/遍歷測試示意圖如圖5所示：

3.3? 測試結果

（1）不同材質下的穿透損耗測試

表1為不同材質的穿透損耗。

從統計結果來看，樹和玻璃幕墻的穿損較低，2.6 GHz及以下在10 dB以內;磚混外墻的穿損中等，接近當前鏈路預算假定（2.6 GHz為16 dB）;鋼混外墻的穿損較高，2.6 GHz約為24 dB。不同頻段穿損差異為2 dB～5 dB，其中低穿透損耗場景差異2 dB～3 dB，高穿透損耗差異3 dB～5 dB。

（2）室內環境下的傳播能力測試

表2為室外覆蓋室內-室內信號的衰減水平。從統計結果可以看出，3 m～5 m淺層覆蓋情況下，各頻段平均衰減3 dB～7 dB，2.6 GHz頻段衰減約2 dB ～7 dB;8 m～10 m深層覆蓋情況下，各頻段平均衰減9 dB～14 dB，2.6 GHz頻段衰減約8 dB～16 dB。大約每米損耗1 dB，大于TS 38.901中的O2I模型損耗速率（每米0.5 dB）。

（3）室外環境下的傳播能力測試

表3為室外環境CDF 50%處傳播損耗差異。測試結果總體符合理論預期。以900 MHz為基線，1.8 GHz、1.9 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz的綜合傳播損耗平均增加9 dB、9.6 dB、14.3 dB、20.1 dB、24.1 dB。與1.8 GHz相比，2.6 GHz和4.9 GHz電波傳播綜合損耗平均增加5 dB和15 dB。

（4）基于SPM傳播模型校正

選取場景3中的遍歷測試數據，進行SPM傳播模型校正。各頻段測試路線如圖6所示。

SPM中K1、K2、K4校正后不同頻段參數值如表4所示。

SPM傳播模型校正后，仿真路測對比結果如圖7所示。

不同頻段校正前后仿真路測對比指標如表5所示。

通過軟件平臺經驗傳播模型校正算法對Sub 6 GHz頻段的900 MHz、1.8 GHz、1.9 GHz、2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz模型數據進行校正，從結果可以看出，校正后模型平均誤差在2 dB以內，標準差在8 dB以內，而仿真與實際路測數據能夠對應，趨勢相符。

不同頻段傳播模型路損對比結果如表6所示：

通過鏈路預算，將場景3密集城區典型頻段的傳播模型校正參數帶入，對比不同頻段的覆蓋性能，可以看到距離基站300 m位置處，與1.8 GHz相比，2.6 GHz、3.5 GHz與4.9 GHz的路損分別增加7 dB、8 dB和12 dB。

4? ?結束語

本文重點關注Sub 6 GHz的6個5G典型頻段，從不同材質下的穿透損耗差異、室內環境下的傳播能力差異、室外環境下的傳播能力差異、SPM經驗模型校正結果對比等幾個方面，分析了不同頻段間傳播損耗特性及傳播模型特性。最后，通過對不同頻段進行傳播模型校正，獲取了無線信號在Sub 6 GHz頻段的適合網絡規劃的傳播模型各場景參數值，得到了5G NR性能預期，為5G規劃組網建設提供有效支撐。

參考文獻：

[1] 丁海煜. 從4G邁向5G的創新發展[J]. 移動通信， 2016，40（17）： 16.

[2] 董滿才. 基于遺傳算法的SPM模型校準方法研究[J]. 信息通信， 2017（10）.

[3] 王超，薛云山，崔學勇. TD-LTE傳播模型校正測試與分析[J]. 電信技術， 2013（10）： 101-105.

[4] 姚文聞. 確定性傳播模型在移動通信網絡規劃與優化中的研究與應用[D]. 北京： 北京郵電大學， 2012.

[5] 孫浩，董江波，韓云波，等. 確定性傳播模型在4G規劃中的應用研究[C]//2014全國無線及移動通信學術大會論文集. 2014.

[6] 王蕾，廖鑫，姚銳，等. LTE復雜場景下的無線傳播模型校正研究[J]. 電視技術， 2014，38（23）： 72-78.