5G毫米波傳播特性分析

高 帥，張忠皓，李福昌，延凱悅（中國聯(lián)通網(wǎng)絡技術(shù)研究院，北京100048）

0 前言

30~300 GHz范圍的頻譜稱之為毫米波頻段，其波長達到毫米級別。在通信發(fā)展早期，由于毫米波的工作波長短、頻段寬以及抗干擾性強等特點，使得毫米波主要用于軍事雷達通信［1］，后來毫米波技術(shù)逐漸被應用到汽車雷達、輻射監(jiān)測，生物醫(yī)學等領(lǐng)域［2］。相較于6 GHz以下頻率，毫米波擁有更為豐富的可用頻譜資源，無線運營商所面臨的全球帶寬短缺，促使人們探索未充分利用的毫米波頻譜，并把它用于未來的寬帶蜂窩通信網(wǎng)絡［3］。

毫米波通信系統(tǒng)可以通過波束賦形技術(shù)和多單元天線陣列的空間復用來達到更大的吞吐量，實現(xiàn)下行超過10 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，用以大容量點對點通信。然而相對于6 GHz以下頻段，5G毫米波落地應用還面臨一系列問題與挑戰(zhàn)，比如由于毫米波傳輸頻率較高而帶來自由空間損耗的增加，且毫米波極易受到陰影衰落導致信號中斷或間隙性傳輸?shù)葐栴}［4］。運營商和各個行業(yè)已經(jīng)開始從系統(tǒng)應用角度考慮5G毫米波部署和應用問題，但對毫米波鏈路特性和傳播特性的驗證分析還較少。本文基于3GPP提出的毫米波視距傳輸（LOS）場景和非視距傳輸（NLOS）場景下的傳播特性模型，并結(jié)合外場測試結(jié)果給出毫米波傳播和穿透損耗結(jié)果分析。還分析了毫米波穿透混凝土、玻璃、樹葉、人體等不同材質(zhì)的穿透損耗，最后依據(jù)毫米波鏈路傳播特點提出5G毫米波部署場景和部署位置的建議。

1 5G毫米波傳播特性分析

1.1 自由空間傳播路徑損耗分析

無線信道的傳播模型可分為大尺度（Large Scale）衰落傳播模型和小尺度（Small Scale）衰落傳播模型2種。大尺度衰落主要指數(shù)百米甚至上千米距離內(nèi)接收信號強度的變化情況，自由空間傳播模型是一種比較典型的大尺度衰落模型。在自由空間傳播中，可以認為介質(zhì)是均勻分布的，一般來說衛(wèi)星通信、空間通信和陸上的視距通信都是自由空間傳播［5］。自由空間衰落損耗與發(fā)射機和接收機天線之間的距離以及載頻頻率有關(guān)，假設發(fā)射點以球面波輻射，則接收機處的功率如下式所示：

式中，Pt為發(fā)射機的發(fā)射功率，Gt和Gr分別代表發(fā)射天線和接收天線的增益，λ代表波長，λ=c/f，其中c為光速，即3×108m/s，f為載頻頻率，單位為Hz；d為發(fā)射天線和接收天線間的距離，L是系統(tǒng)損耗因子。這里將Gt和Gr取單位增益，可得到自由空間的傳播損耗PL如下式所示：

可以看出，在發(fā)射天線和接收天線間距離不變的情況下，載頻的頻率越高，自由空間損耗隨之增大。

1.2 LOS場景路徑損耗分析

在無線通信系統(tǒng)中，電波通常在非規(guī)則的環(huán)境中傳播，3GPP TR 38.901規(guī)定了無線電波在城市區(qū)域內(nèi)直射路徑損耗模型［6］，如圖1所示，其應用范圍為0.5~100 GHz的頻段，表達式如下：

圖1 城市場景室外直射路徑傳播示意圖

此處陰影衰落的分布服從對數(shù)正態(tài)分布，其標準差設置為σ=4，基站天線高度設置為25 m，接收天線終端高度為hUT，d3D為發(fā)射天線到接收天線的空間距離，d2D為發(fā)射天線到接收天線的水平距離，fc為載波頻率，單位為GHz。在上式中，斷點距離d'Bp=4 h'BSh'UTfc/c，這里c=3.0′108m/s代表光速，h'BS和h'UT分別代表發(fā)射端基站和接收端終端的有效天線高度。

圖2給出不同頻點相對于3.5 GHz頻點的路損差，假設f1與f2分別代表高低頻載波，則頻點帶來的路損差值計算為20×lg（f1/f2），計算得到28 GHz載波比 3.5 GHz載波路損高20×lg（28/3.5）≈18.06 dB，也即在發(fā)射天線和接收天線增益不變的情況下，3.5 GHz載波的理論傳播距離是28 GHz載波理論傳播距離的10（18.06/22）≈6.5倍。

3GPP TR 38.901同樣規(guī)定了室外覆蓋室內(nèi)的穿損模型［6］，如圖3所示。其中：

圖2 不同頻點相對于3.5 GHz頻點的路損差

圖3 城市場景室外覆蓋室內(nèi)示意圖

由圖3可知，基站發(fā)射信號穿透室內(nèi)時經(jīng)過墻壁或者玻璃的遮擋損失一部分性能，再經(jīng)過室內(nèi)傳播到達接收機天線處，穿損PL值計算如下：

上式中PLb為室外路徑損耗值，d3D分別用d3D-out和d3D-in替換，PLtw是無線電波穿透外墻建筑時的損耗，PLin是大樓內(nèi)部的鏈路損耗值，σP是樓內(nèi)穿透損耗的標準差。室內(nèi)穿透損耗PLin值計算如下式所示：

由式（5）可以看出，在室外覆蓋室內(nèi)的穿損模型中，建筑穿損PLtw占據(jù)重要的位置，不同的材質(zhì)對PLtw造成不同的影響。不同材質(zhì)的穿透損耗表達式也不同，普通多層玻璃：Lglass=2+0.2f；紅外反射玻璃：LⅡRglass=23+0.3f；混凝土：Lconcrete=5+4f；木板：Lwood=4.85+0.12f。

可以看出，不同材質(zhì)的穿透損耗值取決于載波的頻率，3.5~50 GHz電磁波經(jīng)過不同材質(zhì)的理論穿透損耗對比如圖4所示。

圖4 不同材質(zhì)下穿損值與頻點的對比圖

由圖4可以看出，3.5~50 GHz載波穿透普通多層玻璃和木板時的最大損耗約12 dB，而穿透紅外反射玻璃的最大損耗為38 dB，常用毫米波頻段26 GHz與28 GHz穿透紅外反射玻璃時的損耗分別為30.8 dB與31.4 dB。混凝土墻在26 GHz頻點處的穿透損耗約為109 dB，可認定為無法穿透。

1.3 NLOS場景路徑損耗分析

參考2.2節(jié)內(nèi)容，得知毫米波易被建筑阻擋，基本無法穿透混凝土墻，穿透紅外反射玻璃的效果也較差，因此毫米波在NLOS場景中會產(chǎn)生豐富的反射徑。3GPP TR 38.901定義了城市區(qū)域NLOS場景傳播模型如式（7）所示，設定10 m≤d2D≤5 km，其中σSF值為6：

1.4 近似LOS場景路徑損耗分析

毫米波在傳播過程中，容易受到降雨、樹叢遮擋、以及人體對電波的遮擋和吸收等影響［7-8］，若樹木或人體遮擋較少可看作近似LOS場景，這時需要額外考慮樹葉和人體遮擋帶來的損耗，其中考慮樹葉遮擋時需要考慮不同季節(jié)、不同品種的樹木對毫米波的遮擋情況，考慮人體遮擋時應考慮身體部分遮擋和身體全遮擋等情況。

2 5G毫米波測試驗證

2.1 LOS場景路徑損耗驗證分析

在毫米波外場的LOS場景下進行路損測試，3GPP定義的城市LOS標準模型PL曲線與測量所得PL擬合曲線對比如圖5所示。其中外場測試采用幀結(jié)構(gòu)DDDS，EIRP為58 dBm，載波頻率為26 GHz。

圖5中得到的路損測試擬合函數(shù)PL=28+20×lg26+22.29lgd，基本符合公式（4）中3GPP定義的城市LOS模型PL=28+20×lg26+22lgd，測試中26 GHz毫米波在100 m距離處大約有100.9 dB的路損。

由以上理論分析和實際測試結(jié)果來看，現(xiàn)有的高頻通信系統(tǒng)將受到直射路徑鏈路損耗帶來的極大影響，使得毫米波覆蓋能力大打折扣，因此應考慮毫米波進行短距離覆蓋，5G毫米波基站部署時應該更加密集，趨向于熱點區(qū)域覆蓋。

圖5 實際測試PL擬合曲線與城市LOS模型PL曲線對比圖

在外場測試的LOS場景也驗證了不同材料遮擋時對毫米波性能的影響，5G毫米波穿透性能損耗測試結(jié)果表明：混凝土墻無法穿透；木門（5 cm）：6 dB；普通玻璃：5 dB；房車車體：17~23 dB。

測試中采用28 GHz毫米波進行穿透測試，由測試結(jié)果可知，毫米波可以輕松穿透普通玻璃和木門，但是無法直接穿透混凝土墻，因此5G毫米波室外覆蓋室內(nèi)場景會導致無線鏈路損耗過大，接收端信號質(zhì)量嚴重下降，無法滿足用戶的需求，在組網(wǎng)時不建議采用室外覆蓋室內(nèi)的組網(wǎng)方案。

2.2 NLOS場景路徑損耗驗證分析

如圖6所示，毫米波外場測試中測試了NLOS場景對比LOS場景下的SSB-RSRP衰減為10~14 dB，測試載波頻點為28 GHz。因此可以判定毫米波適合部署在信號反射豐富的室外NLOS場景下，比如商業(yè)區(qū)或?qū)懽謽恰?/p>

圖6 NLOS與LOS接收信號對比

2.3 近似LOS場景路徑損耗驗證分析

在室外近似LOS場景中，考慮到城市中夏季樹木的遮擋情況，在外場測試中對樹葉遮擋進行定點測試，測試時選擇28 GHz頻段，測試樹木樹冠直徑約為4 m，TUE1、TUE2和基站距離相等。當接收終端TUE2被樹木完全遮擋時，接收信號SSB-RSRP相對于直射路徑下TUE1的SSB-RSRP衰減了20 dB左右，證明樹葉遮擋對毫米波的傳播影響較大，部署毫米波時應充分考慮樹葉遮擋情況。

為了測試室外近似LOS場景中人體遮擋對毫米波信號造成的影響，外場測試中分別對1人、2人、4人遮擋終端場景進行了測試，測試時選擇28 GHz頻段，最終得到接收終端被人體遮擋時較未被遮擋時信號衰減11~28 dB。可以得知，在人群密集環(huán)境中，部署毫米波應充分考慮人體穿透損耗，在人群密集場景應將毫米波基站部署在較高位置，比如部署在屋頂或樓頂處。

在外場測試中沒有進行雨雪等惡劣天氣對于毫米波的影響測試，參考文獻［9］包含了對毫米波雨衰的分析，不同的降雨量和雨水密集程度都會對毫米波造成不同的影響，毫米波速率也因此會有不同程度的下降。

3 5G毫米波部署場景建議

考慮到毫米波相對于6 GHz以下頻段在直射路徑下?lián)p耗較大［10］，因此部署初期應考慮毫米波以短距離熱點覆蓋為主，搭配其他通信系統(tǒng)保證接收終端的通信質(zhì)量，并需要充分考慮惡劣天氣如雨、雪、霧對毫米波的影響。

在LOS場景或近似LOS場景下推薦的部署地點包括大型露天體育場、機場、大型廣場等地點。此類場景阻擋物少或無遮擋，用戶密度高、具有整體流動性，流量需求大等特點，毫米波在此類場景下用以提供高速的內(nèi)容下載和高清直播觀看。

毫米波同樣適用反射路徑豐富的NLOS場景，比如商業(yè)街、工廠等地點。此類場景反射路徑豐富，終端接入量大，毫米波在此類場景下用以提供大容量的終端接入以及高速率的內(nèi)容上傳和下載。