基于UMa和RMa傳播模型的5G覆蓋性能研究

袁周陽(yáng) 趙偉康 吳迪

【摘? 要】與4G工作頻段相比，5G的工作頻段更高，頻段的傳播損耗和穿透損耗更大，其覆蓋將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，簡(jiǎn)述國(guó)外和國(guó)內(nèi)5G頻段分配現(xiàn)狀;其次，基于5G頻段UMa傳播模型、RMa傳播模型，通過(guò)仿真分析兩種傳播模型在城區(qū)和農(nóng)村場(chǎng)景下5G的覆蓋性能;最后結(jié)合鏈路預(yù)算表及傳播模型，得出5G覆蓋性能的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】5G頻段;UMa傳播模型;RMa傳播模型;鏈路預(yù)算表;覆蓋性能

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.001? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）10-0001-06

引用格式：袁周陽(yáng)，趙偉康，吳迪. 基于UMa和RMa傳播模型的5G覆蓋性能研究[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（10）： 01-06.

0? ?引言

2019年工信部發(fā)放5G牌照，給運(yùn)營(yíng)商指明了發(fā)展的方向及后期測(cè)試和商用需要做的工作，促使我國(guó)運(yùn)營(yíng)商加快部署5G商用的步伐。作為新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，5G所應(yīng)用的場(chǎng)景將更加多樣化，如自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等場(chǎng)景，并融合多種無(wú)線接入方式[1]，其組網(wǎng)方式將由傳統(tǒng)的單一頻段演化為高、中、低在內(nèi)的全頻段方式。在5G建網(wǎng)初期，將使用低、中頻段實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋和深度覆蓋，后期將使用高頻段解決熱點(diǎn)區(qū)域的容量問(wèn)題，并兼顧加強(qiáng)深度覆蓋。因此，5G建網(wǎng)初期覆蓋性能將是后期規(guī)劃和建設(shè)的有力依據(jù)，是值得研究的問(wèn)題。鑒于此，本文通過(guò)分析UMa和RMa兩種傳播模型使用的場(chǎng)景及路徑損耗，并結(jié)合仿真分析和鏈路預(yù)算表，得出5G系統(tǒng)的覆蓋性能。

1? ?5G頻段分配現(xiàn)狀

1.1? 國(guó)外5G頻段分配現(xiàn)狀

3GPP約定，5G NR所使用的頻譜分成兩個(gè)大的范圍：FR1和FR2，一個(gè)是6 GHz頻段，另一個(gè)是之前常說(shuō)的毫米波高頻段范圍，而且5G NR物理層也根據(jù)這些范圍定義了最大帶寬及各類子載波間隔，在6 GHz頻段，最大的帶寬是100 MHz，而毫米波采用的最大帶寬是400 MHz。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP定義的眾多子載波間隔中，如15 kHz、30 kHz兩種子載波間隔僅用于6 GHz以下頻段，而另外一些特殊的子載波間隔比如120 kHz也只在毫米波頻段使用。同時(shí)，一些子載波間隔比如60 kHz可以在這兩個(gè)頻段范圍通用。如表1所示3GPP分配的5G使用的頻段范圍：

目前，5G頻段資源的分配已在全球范圍內(nèi)逐步展開(kāi)，全球主流運(yùn)營(yíng)商及主要國(guó)家及地區(qū)（中國(guó)、歐盟等）都分配了相應(yīng)的5G頻段資源，主要集中在6 GHz以下的頻段作為5G使用;而美國(guó)主要把24 GHz以上頻段用于5G使用。具體頻段分配現(xiàn)狀如圖1所示。

1.2? 國(guó)內(nèi)5G頻段分配現(xiàn)狀

2017年11月，工業(yè)和信息化部發(fā)布通知，正式宣布5G系統(tǒng)的工作頻段為3 300—3 600 MHz、4 800—5 000 MHz，其中3 300—3 400 MHz頻段原則上限室內(nèi)使用。同時(shí)，工信部不再受理和審批3 600 MHz和4 800 MHz附近新申請(qǐng)的用于地面固定業(yè)務(wù)、空間無(wú)線電臺(tái)業(yè)務(wù)、空間無(wú)線電臺(tái)測(cè)控的頻段使用許可。

2018年12月6日，工業(yè)和信息化部正式向國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商發(fā)布“在全國(guó)范圍內(nèi)5G中低頻段試驗(yàn)頻率”的使用許可。中國(guó)移動(dòng)獲得2 515—2 675 MHz、4 800—4 900 MHz頻段的5G試驗(yàn)頻率資源，其中

2 515—2 575 MHz、2 635—2 675 MHz和4 800—4 900 MHz頻段為新增頻段，2 575—2 635 MHz頻段為重耕中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)有的TD-LTE（4G）頻段;而中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通分別獲得3 400—3 500 MHz、3 500—3 600 MHz頻段的5G試驗(yàn)頻率資源。

2019年6月6日，工業(yè)和信息化部向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電四家企業(yè)頒發(fā)了基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)許可證，批準(zhǔn)四家企業(yè)經(jīng)營(yíng)“第五代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)”。5G牌照的發(fā)放推動(dòng)5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加快5G商用的進(jìn)程。四家企業(yè)5G頻段具體分配如表2所示：

2? ?UMa和RMa傳播模型分析

2.1? UMa和RMa傳播模型介紹

傳統(tǒng)無(wú)線傳播模型Okumura-Hata和COST231-Hata模型主要應(yīng)用在2 GHz以下低頻段，而5G通信系統(tǒng)主要采用6 GHz以下的中低頻段和24 GHz以上的高頻段[2]組網(wǎng)，其部署方式也有別于傳統(tǒng)室外宏站和室內(nèi)分布系統(tǒng)方式，主要使用室外宏微站以及室內(nèi)微微站相結(jié)合的方式。因此傳統(tǒng)無(wú)線傳播模型，無(wú)論從頻率選擇還是部署方式上都難以適用于5G通信系統(tǒng)基站的覆蓋預(yù)測(cè)。

鑒于此，3GPP TR 38.901基于多個(gè)場(chǎng)景定義了適用于5G NR 0.5～100 GHz的傳播模型，包含Uma、UMi、RMa和InH等四類場(chǎng)景[4-5]，具體適用范圍如下所示。

（1）Uma（城區(qū)宏站）：適用于建筑物分布比較密集的區(qū)域。此場(chǎng)景主要包括各省會(huì)城市的商業(yè)中心和密集寫(xiě)字樓區(qū)域。該類場(chǎng)景基站天線掛高高于周圍建筑物樓頂高度（如25～30 m），用戶在地平面高度（約1.5 m），站間距不超過(guò)500 m。

（2）RMa（農(nóng)村宏站）：適用于建筑物分布非常稀疏的區(qū)域。此類場(chǎng)景主要包括我國(guó)大部分的農(nóng)村區(qū)域和少數(shù)不發(fā)達(dá)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域。該類場(chǎng)景基站天線掛高在10 m至150 m之間，用戶在地平面高度（約1.5 m），站間距一直到5 000 m。

（3）UMi（城區(qū)微站）：旨在還原真實(shí)的城市街道、開(kāi)放區(qū)域等場(chǎng)景，如城市或車站廣場(chǎng)、城市主要干道;典型開(kāi)放區(qū)域?qū)挾燃s為50～100 m，包含用戶密集的開(kāi)闊場(chǎng)地和城市街道。該類場(chǎng)景基站天線掛高低于建筑物樓頂（如3～20 m），用戶在地平面高度（約1.5 m），站間距等于或小于200 m。

（4）InH（室內(nèi)熱點(diǎn)）：旨在還原各種真實(shí)典型的室內(nèi)部署場(chǎng)景。此類場(chǎng)景典型的辦公環(huán)境包括開(kāi)放式隔間區(qū)域、有圍墻的辦公室、開(kāi)放區(qū)域、走廊等;購(gòu)物中心通常高1～5層，可能包括幾層共用的開(kāi)放區(qū)域（或“中庭”）。其中，BS安裝在天花板或墻壁上2～3 m的高度。

2.2? UMa和RMa傳播模型仿真分析

考慮到目前5G產(chǎn)業(yè)鏈、終端普及、網(wǎng)絡(luò)部署情況等因素，本文將重點(diǎn)對(duì)UMa和RMa兩類傳播模型LOS/NLOS場(chǎng)景下其覆蓋性能進(jìn)行分析研究。UMa和RMa傳播模型主要包括視距&非視距（LOS&NLOS）概率傳播損耗、大尺度空間損耗、穿透損耗三部分。通過(guò)對(duì)這三部分的分析研究，有助于更準(zhǔn)確地評(píng)估5G覆蓋性能。

（1）視距&非視距（LOS&NLOS）概率傳播損耗

無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中如果中間無(wú)阻擋可以為直線傳播（視距傳播）。在實(shí)際環(huán)境中由于受到障礙物的影響，無(wú)線信號(hào)從發(fā)射端到接收端無(wú)法直線傳播（非視距傳播）。LOS&NLOS概率只是距離和地形環(huán)境的函數(shù)，和頻率無(wú)關(guān)。總的路徑損耗應(yīng)綜合考慮視距和非視距兩種情況。

圖2為3GPP 38.901定義城區(qū)、農(nóng)村宏站直射傳播（視距傳播）的概率隨傳播距離的變化趨勢(shì)。UMa代表城區(qū)宏站，RMa代表農(nóng)村宏站。從圖中我們可以看出，城區(qū)宏站直射概率隨距離大幅度減小，傳播以非直射NLOS路徑為主，大于500 m基本無(wú)直射;而農(nóng)村宏站呈緩慢減小趨勢(shì)，在1 000 m還有40%概率為直射傳播。由于農(nóng)村視距概率遠(yuǎn)大于城區(qū)，在進(jìn)行損耗計(jì)算時(shí)，農(nóng)村損耗要遠(yuǎn)小于城區(qū)。

（2）空間損耗

空間損耗與頻段、傳播路徑、所處的地物、基站和終端的高度密切相關(guān)。空間損耗一般用傳播模型來(lái)預(yù)測(cè)地形、障礙物以及人為環(huán)境對(duì)電磁波傳播中路徑損耗的影響。UMa和RMa大尺度空間損耗模型[4-5]如下式。結(jié)合視距非視距傳播概率結(jié)果以及空間損耗模型，可以得出頻率、距離與空間損耗的關(guān)系，這樣有助于更準(zhǔn)確地評(píng)估5G覆蓋性能。

UMa大尺度空間損耗模型在LOS/NLOS場(chǎng)景下傳播損耗計(jì)算公式如下。

NLOS場(chǎng)景下?lián)p耗計(jì)算公式：

式中，天線適用范圍及高度為1.5 m

LOS場(chǎng)景下?lián)p耗計(jì)算公式：

式中：天線適用范圍及高度為1.5 m

RMa大尺度空間損耗模型在LOS/NLOS場(chǎng)景下傳播損耗計(jì)算公式如下：

NLOS場(chǎng)景下?lián)p耗計(jì)算公式：

式中：天線適用范圍及高度為1 m

LOS場(chǎng)景下?lián)p耗計(jì)算公式：

式中：天線適用范圍及高度為hBS=35 m，hUT=1.5 m，陰影衰落為6 dB。

本文主要選用5G目前在使用的主流頻段2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz頻段，并引入后期將要使用的700 MHz、28 GHz（毫米波頻段）頻段，采用UMa和RMa兩種傳播模型在城區(qū)和農(nóng)村場(chǎng)景下進(jìn)行仿真分析。通過(guò)仿真分析比較五種頻段在UMa和RMa兩種傳播模型下的路徑損耗和覆蓋性能預(yù)測(cè)。在兩種傳播模型下五種頻段5G的路徑損耗如圖3、圖4和圖5所示;在兩種傳播模型下五種頻段5G覆蓋性能預(yù)測(cè)如圖6所示。

從圖3中可以看出，UMa城區(qū)場(chǎng)景下，700 MHz相比于3.5 GHz，有約13 dB損耗優(yōu)勢(shì);2.6 GHz、3.5 GHz與4.9 GHz路徑損耗各相差約3 dB;28 GHz路徑損耗相比3.5 GHz要高18 dB左右。

從圖4中可以看出，RMa農(nóng)村場(chǎng)景下，700 MHz相比于3.5 GHz，有約11 dB損耗優(yōu)勢(shì);2.6 GHz、3.5 GHz與4.9 GHz路徑損耗各相差約2 dB;農(nóng)村場(chǎng)景28 GHz路徑損耗相比于UMa場(chǎng)景要低約23 dB。

從圖5中可以看出，Uma、RMa綜合路徑損耗介于LOS損耗和NLOS損耗之間;城區(qū)路徑損耗在不同距離相比于農(nóng)村大概多10～23 dB。

從圖6中可以看出，UMa密集城區(qū)場(chǎng)景下，傳播以NLOS路徑為主，大于500 m基本無(wú)直射;RMa農(nóng)村場(chǎng)景下，500 m以內(nèi)LOS占比重較大，隨距離增大以NLOS為主。

（3）穿透損耗

穿透損耗指當(dāng)信號(hào)源在建筑物外時(shí)，建筑物外的接收信號(hào)強(qiáng)場(chǎng)與建筑物內(nèi)的強(qiáng)場(chǎng)比值。穿透損耗與建筑物的結(jié)構(gòu)、信號(hào)源位置和入射角度等有關(guān)。穿透損耗與頻率直接相關(guān)，與空口技術(shù)沒(méi)有直接關(guān)系。表3為5G信號(hào)在傳統(tǒng)損耗模型下，不同頻率、材料中的損耗值。可以看出各種材料在頻率上升時(shí)，穿透損耗均有增加，普通玻璃損耗最低，跟木制相似，IIR玻璃相較普通玻璃損耗高約20 dB;混凝土材質(zhì)對(duì)頻率上升尤其敏感，28 G下?lián)p耗已達(dá)到117 dB。

研究傳播模型，最終目的是為了得知基站覆蓋范圍，為無(wú)線網(wǎng)規(guī)劃提供指引。通過(guò)鏈路預(yù)算可以確定最大允許路徑損耗，獲得滿足網(wǎng)絡(luò)要求情況下的最大單站覆蓋半徑以及站間距。

3? ?5G頻段鏈路預(yù)算表

綜合前文UMa和RMa兩種傳播模型仿真分析，在3.5 GHz頻段下，以系統(tǒng)配置為64T64R、帶寬100 MHz、時(shí)隙配比2.5 ms 雙周期、RB總數(shù)為273、基站總發(fā)射功率53 dBm、子載波帶寬30 kHz為例，可以計(jì)算出該配置條件下5G頻段鏈路預(yù)算表，如表4所示。

從表4可以看出，在下行發(fā)射功率為53 dBm（發(fā)射天線64個(gè)，接收天線4個(gè)），上行發(fā)射功率為26 dBm（發(fā)射天線2個(gè)，接收天線64個(gè)）條件下，下行和上行平均允許最大路徑損耗分別為155.64 dB、147.57 dB，兩者相差不大。如果在相同發(fā)射功率的情況下，同時(shí)增加發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量，以增強(qiáng)下行和上行的接收敏感度，理論上可以降低路徑損耗，有助于增大上下行覆蓋距離。

根據(jù)上述鏈路預(yù)算表，可以測(cè)算出5G頻段為3.5 GHz、系統(tǒng)配置為64T64R、RB總數(shù)為273、基站總發(fā)射功率53 dBm、帶寬100 MHz條件下在城區(qū)的覆蓋距離，如表5所示。

從表5可以看出，在最大允許路徑損耗相同的情況下，密集城區(qū)單站覆蓋半徑為280 m，一般城區(qū)單站覆蓋半徑為380 m，郊區(qū)單站覆蓋半徑為540 m。綜上可以看出，從市區(qū)到郊區(qū)，建筑物密度越來(lái)越小，信號(hào)的穿透損耗也越來(lái)越少，單站覆蓋半徑越來(lái)越大。由此可以推斷出從市區(qū)到農(nóng)村，在相同發(fā)射功率、發(fā)射天線數(shù)量和接收天線數(shù)量的情況下，理論上信號(hào)傳播的損耗越來(lái)越小，單站覆蓋半徑越來(lái)越大。

考慮到后期5G網(wǎng)絡(luò)將采用獨(dú)立組網(wǎng)建設(shè)，為避免后期對(duì)大網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻繁調(diào)整，針對(duì)不同場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求，建議在頻段為3.5 GHz下，5G室外連續(xù)覆蓋分場(chǎng)景的小區(qū)覆蓋半徑如表6所示。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

5G頻段的覆蓋性能是對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的重要指標(biāo)，覆蓋區(qū)域的優(yōu)劣直接影響了5G是否可以給用戶帶來(lái)穩(wěn)定、可靠的業(yè)務(wù)感知。本文通過(guò)對(duì)影響5G覆蓋性能的場(chǎng)景因素和路徑損耗進(jìn)行研究，并采用UMa和RMa兩種傳播模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)合傳播模型和鏈路預(yù)算表，得出3.5 GHz頻段下5G系統(tǒng)的覆蓋性能，希望對(duì)從事5G頻段覆蓋研究的學(xué)者有所幫助。下一階段會(huì)對(duì)5G其他頻段的覆蓋性能進(jìn)行研究，并進(jìn)一步考慮引入較復(fù)雜地理信息及其他模型進(jìn)行分析，以提升覆蓋性能研究的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]? ? 陳楊，楊芙蓉，余揚(yáng)堯. 5G覆蓋能力研究[J]. 通信技術(shù)， 2018，51（12）： 2866-2873.

[2]? ?肖清華. 國(guó)內(nèi)5G頻譜指配分析及建議[J]. 移動(dòng)通信， 2018，42（2）： 1-5.

[3]? ? 武波，沈文明，呂江歌. 建筑物穿透損耗及其WCDMA室內(nèi)覆蓋的影響[J]. 移動(dòng)通信， 2010，34（12）： 8-12.

[4]? ?3GPP. 3GPP TR 36.873 V12.7.0： 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; Study on 3D Channel Model for LTE（Release 12）[EB/OL]. （2018-07-22）[2020-03-08]. http：//www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/36_series/36.873/.

[5]? ?3GPP. 3GPP TR 38.901 V14.3.0： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network;Study on Channel Model for Frequencies From 0.5 to 100GHz （Release14）[EB/OL]. （2018-07-22）[2020-03-08]. http：//www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.901/.