5G共存分析中地物附加损耗模型研究

张蕊 林乐科 赵振维 吴振森

(1. 西安电子科技大学物理与光电学院,西安 710071;2. 中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107)

引 言

International Mobile Telecommunications for 2020 and beyond,简称IMT-2020,也就是第五代(the 5th Generation, 5G)移动通信系统．5G需要具备比4G更高的性能[1],主要体现在6个性能指标和2个效率指标.性能指标包括0.1～1 Gbps的用户体验速率,每平方公里一百万的连接数密度,毫秒级的端到端时延,每平方公里数十Tbps的流量密度,每小时500 km以上的移动性和数十Gbps的峰值速率．同时, 5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率,相比4G,频谱效率提升5～15倍,能效提升百倍以上．为了推动5G的发展,2015年世界无线电大会(WRC-15)的1.13议题[2]规划了IMT-2020地面部分的频率,频段范围为24.25～86 GHz,具体包括:24.25～27.5 GHz, 31.8～33.4 GHz, 37～40.5 GHz, 40.5～42.5 GHz 42.5～43.5 GHz, 45.5～47 GHz, 47～47.2 GHz, 47.2～50.2 GHz, 50.4～52.6 GHz, 66～76 GHz以及81～86 GHz．在这些频段,不仅规划了IMT业务,还有一些其他的地面和空间业务[3]．例如在26 GHz频段,目前实际在轨运行的有多颗静止轨道卫星,31.8～33.4 GHz范围部署有无线电导航和定位系统,37～38 GHz频段内有空间研究探测系统等．IMT业务的运行可能会对其他地面和空间业务产生干扰,为了实现不同业务之间的共存,需要开展系统间的共存研究,而传播模型就是其中重要的一部分．

在2017年3月SG3会议之前,地物附加损耗模型主要参考ITU-R P.452建议[4]．452建议中的地物附加损耗模型应用于5G高频段的时候存在一些问题,如该建议中的模型在频率大于0.9 GHz或地物高度大于8倍天线高度的时候,地物附加损耗几乎是不变的,这与实际的毫米波传播情况不符．在2017年3月的SG3会议上,根据各国提交提案和会议讨论结果,对地物附加损耗模型进行了更新,并形成了ITU-R P.2108建议[5]．新的地物附加损耗模型为统计模型,分为地面路径和斜路径两种情况,其中地面路径模型是对实测数据拟合得到的,斜路径模型是利用解析方法得到的．

在地物附加损耗的预测中,ITU只给出了统计模型预测结果,没有给出确定性的预测结果．当已知IMT站点周围具体环境信息的时候,可以采用确定性模型进行地物附加损耗的预测．本文提出了一种地物附加损耗的确定性预测方法,该方法基于具体的IMT站点信息和建筑物信息,考虑过屋顶绕射和建筑物侧向绕射,综合得到建筑物引起的附加损耗．通过调整路径仰角信息,这种确定性方法既可应用于地面路径,也可应用于斜路径情况．

1 地物附加损耗的统计模型

2017年3月之前,地物附加损耗的预测主要参考ITU-R P.452中的模型,该模型预测的损耗随频率的变化如图1所示,随地物高度的变化如图2所示．2017年3月之后,ITU中给出的地物附加损耗的统计模型主要分为两种,一种是地面路径预测模型,另一种是斜路径预测模型.其中,地面路径预测模型主要解决地-地路径地物附加损耗的预测问题,斜路径预测模型主要解决空-地路径、天-地路径地物附加损耗的预测问题．

图1 地物附加损耗随频率变化

图2 地物附加损耗随地物高度变化

1.1 地面路径预测模型

该模型是对实测数据拟合得到的[6-7]．实际测试的时候,无线链路一端架设比较高,位于屋顶之上,一端较低,位于屋顶之下．基于实测数据得到的p%地点不超过的地物附加损耗Lctt为

Lctt(p)= -5lg(10-0.2Ls+10-0.2Ll)-

(1)

Ls=32.98+23.9lg(d)+3lg(f);

(2)

Ll=23.5+9.6lg(f)．

(3)

式中:d为距离,km;f为频率,GHz．由于Ls随距离增加而增加,在距离比较大的时候,预测结果不合理．因此,用Ll的预测结果进行修正．此外,该模型建立所采用的测试数据比较有限,并且没有考虑基站天线的影响．

1.2 斜路径预测模型

斜路径预测模型是一种解析模型[8],它基于蒙特卡洛方法得到．该模型主要考虑了建筑物的绕射和二次反射对传播的影响,基于典型城区环境得到统计预测结果,并利用公式进行拟合,最终得到了简化的斜路径地物附加损耗预测模式．下面为p%地点不超过的斜路径地物附加损耗Lces的预测公式:

(4)

式中:K1=93(f0.175);A1=0.05;θ为路径仰角,度．图3为30 GHz斜路径模型的拟合曲线,其中实线为蒙特卡洛仿真结果,虚线为公式拟合结果,不同颜色代表了不同的路径仰角,拟合公式主要保证了小损耗的拟合精度．斜路径模型目前存在的问题是缺乏实测数据的检验,模型检验只在地-地路径开展,而且没有做地点概率分布结果的检验．

图3 不同路径仰角下斜路径模型拟合曲线

2 地物附加损耗的确定性模型[9]

当已知发射站及其周围环境主要是建筑物的信息时,可以采用确定性地物附加损耗模型．相对于统计模型而言,确定性模型可以提供更高的预测精度．对于城区和郊区环境,当站点低于平均屋顶高度时,引起地物附加损耗的传播机制包括建筑物引起的绕射、镜反射、漫散射以及阻塞等．虽然收发站点之间的障碍物都可能对传播产生影响,但一般情况下,在收发路径上距离站点最近的建筑物应该是最主要的影响因素,因此,简单起见,地物附加损耗的建模主要考虑该建筑物的绕射作用．通过理论分析和试验测试,我们发现,最强的接收信号方向通常不是正对发射方向,而是沿着建筑物的间隙．因此,在损耗建模时,不仅需要考虑过屋顶的绕射,还应考虑建筑物的侧向绕射．

2.1 输入参数

地物附加损耗确定性模型的输入参数如表1所示．本文中损耗模型的推导是针对发射站,但其预测过程同样适用于接收站．

表1 输入参数

表1中的输入参数如图4所示,图中(a)、(b)、(c)分别给出了侧视、正视、俯视情况下的参数表示．对于空-地、星-地传播场景,传播路径仰角应是视在仰角．图中hr表示接收天线高度,m;d为发射和接收天线之间的距离,m,这两个参数仅在推导过程中使用,实际预测中不再需要．

(a) 侧视图

(b) 正视图

(c) 俯视图图4 输入参数示意图

2.2 地物附加损耗的预测过程

建筑物引起的地物附加损耗由三部分组成,即通过建筑物顶部的绕射损耗和通过建筑物两侧的侧向绕射损耗,总损耗是这三个绕射损耗的合成．

建筑物的绕射损耗可以用单刃峰绕射损耗模式近似预测[10-11],其预测模式为

(5)

式中,ν为绕射参数．刃峰绕射模型的应用需满足远场条件．电波传播中远场近似的条件为障碍物距离发射天线的距离远大于波长[12],即r≫λ/(2π),一般认为r>10λ即满足远场条件．对于5G高频段,波长一般在毫米量级,因此远场近似条件很容易满足．刃峰绕射,也称为半无限吸收屏绕射,这种物理模型做了很多极端的假设．根据无线电波的费涅尔区理论,对波起影响的主要是射线周围的头几个费涅尔区,而且费涅尔区的半径收敛得非常快,所以这个空间区域在横向和纵向的空间尺度都是很有限的．因此,在实际应用中条件并没有这么严格,许多障碍物都可以当做刃峰处理[13]．在工程计算中,还提供了双刃峰、多刃峰、光滑球面、圆柱形障碍物等多种不规则地形绕射损耗预测方法[10,14]．对于建筑物引起的附加损耗,下面给出具体的推导过程．

2.2.1 过建筑物顶部的绕射损耗

图5 建筑物顶部绕射预测的几何参数

建筑物相对于发射天线的高度hb1为

hb1=hb-ht,

(6)

建筑物的参考高度hbs为

hbs=d1tanθ．

(7)

绕射参数ν0的计算公式为

(8)

式中:

如果

(9)

则绕射参数ν0可以近似为

(10)

将ν0带入单刃峰绕射预测模式即可得到过建筑物顶部的绕射损耗J0:

J0=J(ν0)．

(11)

2.2.2 建筑物的侧向损耗

建筑的侧向绕射损耗包括两部分:从发射站方向看,锐角侧的绕射损耗Ja和钝角侧的绕射损耗Jb,如图4所示．对于Ja,其预测公式为:

Ja=J(νa),

(12)

(13)

(14)

Ha=lasinα.

(15)

对于Jb,其预测公式为:

Jb=J(νb),

(16)

(17)

(18)

Hb=lbsinα.

(19)

2.2.3 损耗合成

由前面的分析,得到了过建筑物顶部的损耗J0以及建筑物的侧向损耗Ja和Jb,建筑物引起的地物附加损耗Lclut是这三个损耗的合成[10],即

Lclut=-10lg(10-0.1J0+10-0.1Ja+10-0.1Jb)．

(20)

2.2.4 仿真结果

下面仿真不同条件下确定性地物附加损耗模型的预测效果．确定性模型预测的地物附加损耗随频率的变化如图6所示,除频率以外的其他参数参照表2;预测的地物附加损耗随建筑物高度的变化如图7所示,除建筑物高度以外的其他参数参照表2;两图中同时给出了P.452模型的预测结果．从图中可以看出:P.452模型在频率较高时随频率没有变化,随建筑物高度的变化也比较平缓,最大值不超过20 dB;随着频率和建筑物高度的增加,本文模型预测的地物附加损耗也在增加,这种变化趋势更符合地物附加损耗的传播特点．本文只给出了模型的仿真结果,模型预测结果与实测数据之间的吻合性还需要进一步检验．

图6 确定性模型预测结果随频率变化

参数取值f/GHz30ht/m6hb/m18d1/m15θ/(°)5α/(°)50la/m20lb/m40

图7 确定性模型预测结果随建筑物高度的变化

3 结 论

本文提出了一种确定性的地物附加损耗预测模型,当已知发射站、接收站周围的具体环境信息时,可以采用确定性模型进行传播损耗预测．该模型可应用于地-地、地-空、地-天等传播场景的共存分析．确定性模型是现有统计模型的补充,实际应用时可以根据评估需求和环境信息进行模型选择．在确定性地物附加损耗模型的检验方面,本文给出了仿真结果,该模型与实测数据之间的一致性还需进一步检验．

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[2] Final acts of the World Radiocommunication Conference(WRC-15)[R]. Geneva: 2015.

[3] ITU Radio Regulations-Volume 1 (Article 5)[R]. Geneva: 2016.

[4] ITU-R. Recommendation ITU-R P.452-16. Prediction procedure for the evaluation of interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.1 GHz[R]. Geneva: ITU-R, 2015.

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[6] Correspondence Group 3K-6. Proposal of terrestrial-path clutter models for urban and suburban environments[R]. ITU-R Document 3K/148-E and Document 3M/177-E. Geneva: 2017.

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[9] China. A path-specific method for clutter loss prediction considering the lateral diffraction[R]. ITU-R Document 3M/258-E. Geneva: 2017.

[10] Recommendation ITU-R P.526-13. Propagation by diffraction[R]. Geneva: ITU-R, 2013.

[11] 谢益溪. 电波传播(超短波、微波、毫米波)[M]. 北京:电子工业出版社, 1990.

[12] 刘学观,郭辉萍. 微波技术与天线[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,2001.

[13] 谢益溪. 无线电波传播——原理与应用[M]. 北京:人民邮电出版社,2008.

[14] 熊皓等., 无线电波传播[M]. 北京:电子工业出版社, 2000.