5G 傳播模型仿真分析

趙偉康

（中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，鄭州 450000）

由于5G 將在較高頻段部署，相較于4G 頻譜主要使用小于3GHz 頻段，5G 頻譜多使用大于3.3GHz 的高頻。高頻段信號傳播中由于波長更短，信號衍射能力更弱，散射發生情況更多，現有中低頻傳播模型已經無法滿足覆蓋規劃需求。5G 部署方式也從傳統室外宏站和室內分布系統進一步演化成室外宏站、微站以及室內微微站相結合的方式。

傳統的無線傳播模型，例如，Okumura-Hata、COST231-Hata 等都是適用于2GHz 以下的頻段，無論從頻率還是基站建設方式上都不再適用于5G 基站的覆蓋預測。因此，3GPP 提供了最新的適用于0.5GHz-100GHz 頻率范圍內的5G 傳播模型，對應傳播模型文檔為3GPP TR 38.901。由于5G不同場景部署方式的變化，5G 傳播模型包含了城區宏站、城區微站、郊區宏站、室內熱點等四類統計類經驗模型。本文重點研究城區宏站以及農村宏站場景5G 傳播模型，通過MATLAB 仿真分析頻段、距離與傳播損耗的關系。

1 5G 宏站傳播模型

5G 城區宏站模型（UMa）通常適用于天線掛高高于周圍建筑物樓頂高度（例如，25-30米），用戶在地平面高度（約1.5米），并且站間距不超過500米的情況。

5G 農村宏站模型（RMa）通常適用于天線掛高在10 米至150米之間，用戶在地平面高度（約1.5米），并且站間距一直到5000米的情況。

在運用每一種5G 傳播模型進行路徑損耗計算時，分為兩個部分：

（1）視距&非視距（LOS&NLOS）概率傳播

無線信號在傳播過程中如果中間無阻擋可以為直線傳播（視距傳播LOS）。在實際環境中由于受到障礙物的影響，無線信號從發射端到接收端無法進行直線傳播（非視距傳播NLOS）。LOS&NLOS 概率只是距離和地形環境的函數跟頻率無關。3GPP針對城區宏站和郊區宏站不同的地物類型，分別給出了兩種LOS&NLOS 概率傳播模型，如表1所示。總的路徑損耗應綜合考視距和非視距兩種情況，即空間損耗=。

圖1 城區、郊區宏站LOS概率模型

（2）大尺度空間損耗模型

空間損耗與頻率、傳播路徑、所處的地物類型以及基站和終端的高度密切相關。傳播模型通過不同地形，障礙物情況以及周邊人為環境預測了相對應的路徑損耗。不同于4G 傳播模型僅僅考慮2D 水平面方向，3GPP 38.901定義了5G 3D 傳播模型，如圖2所示。

圖2 5G 3D傳播模型

5G 傳播模型引入了3D 的概念，路徑損耗考慮的是從基站到用戶的空間距離，相比4G 模型更加精準。對于城區、郊區宏站路徑損耗具體公式本文不再具體介紹，可從3GPP 38.901文檔直接查詢。

2 MATLAB 仿真分析

圖3 為3GPP 38.901 3.5GHz 頻段城區、郊區宏站直射傳播（視距傳播LOS）的概率隨傳播距離的變化趨勢。我們可以看到，城區宏站UMa 直射概率隨距離增加大幅度減小，傳播以非直射NLOS 路徑為主，大于500m 基本無直射；而郊區宏站則隨距離增加呈緩慢減小趨勢，在1000米還有約40%概率為直射傳播。由于郊區視距概率遠大于城區，在進行空間損耗計算時，郊區損耗要遠小于城區。

圖3 城區、郊區宏站LOS概率

圖4 城區、郊區路徑損耗

圖4 為3GPP 38.901 3.5GHz 城區、郊區宏站路徑損耗隨距離變化關系。城區場景損耗UMa PL 由UMa LOS PL 和UMa NLOS PL 通過圖3概率結果合并得來。隨距離增加，城區郊區路徑損耗都呈增大趨勢。同時由結果可知，由于城區幾乎都為非直射情況，城區場景路徑損耗UMa PL 結果幾乎重合于城區場景非直射NLOS 下的路徑損耗。而對于郊區場景，由于直射和非直射在不同距離都占相當比重，郊區綜合路徑損耗RMa PL 介于RMa LOS PL 和RMa NLOS PL 之間。此外，城區路徑損耗在不同距離相比于郊區大概多10～23dB。

3 結束語

本文通過研究適用于5G 的傳播模型以及MATLAB 仿真分析，分析了5G 路徑損耗隨距離的變化關系，對于5G 覆蓋預測提供了依據。