5G 传播模型仿真分析

2020-01-14赵伟康

数字通信世界 2019年12期

赵伟康

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，郑州 450000）

由于5G 将在较高频段部署，相较于4G 频谱主要使用小于3GHz 频段，5G 频谱多使用大于3.3GHz 的高频。高频段信号传播中由于波长更短，信号衍射能力更弱，散射发生情况更多，现有中低频传播模型已经无法满足覆盖规划需求。5G 部署方式也从传统室外宏站和室内分布系统进一步演化成室外宏站、微站以及室内微微站相结合的方式。

传统的无线传播模型，例如，Okumura-Hata、COST231-Hata 等都是适用于2GHz 以下的频段，无论从频率还是基站建设方式上都不再适用于5G 基站的覆盖预测。因此，3GPP 提供了最新的适用于0.5GHz-100GHz 频率范围内的5G 传播模型，对应传播模型文档为3GPP TR 38.901。由于5G不同场景部署方式的变化，5G 传播模型包含了城区宏站、城区微站、郊区宏站、室内热点等四类统计类经验模型。本文重点研究城区宏站以及农村宏站场景5G 传播模型，通过MATLAB 仿真分析频段、距离与传播损耗的关系。

1 5G 宏站传播模型

5G 城区宏站模型（UMa）通常适用于天线挂高高于周围建筑物楼顶高度（例如，25-30米），用户在地平面高度（约1.5米），并且站间距不超过500米的情况。

5G 农村宏站模型（RMa）通常适用于天线挂高在10 米至150米之间，用户在地平面高度（约1.5米），并且站间距一直到5000米的情况。

在运用每一种5G 传播模型进行路径损耗计算时，分为两个部分：

（1）视距&非视距（LOS&NLOS）概率传播

无线信号在传播过程中如果中间无阻挡可以为直线传播（视距传播LOS）。在实际环境中由于受到障碍物的影响，无线信号从发射端到接收端无法进行直线传播（非视距传播NLOS）。LOS&NLOS 概率只是距离和地形环境的函数跟频率无关。3GPP针对城区宏站和郊区宏站不同的地物类型，分别给出了两种LOS&NLOS 概率传播模型，如表1所示。总的路径损耗应综合考视距和非视距两种情况，即空间损耗=。

图1 城区、郊区宏站LOS概率模型

（2）大尺度空间损耗模型

空间损耗与频率、传播路径、所处的地物类型以及基站和终端的高度密切相关。传播模型通过不同地形，障碍物情况以及周边人为环境预测了相对应的路径损耗。不同于4G 传播模型仅仅考虑2D 水平面方向，3GPP 38.901定义了5G 3D 传播模型，如图2所示。

图2 5G 3D传播模型

5G 传播模型引入了3D 的概念，路径损耗考虑的是从基站到用户的空间距离，相比4G 模型更加精准。对于城区、郊区宏站路径损耗具体公式本文不再具体介绍，可从3GPP 38.901文档直接查询。

2 MATLAB 仿真分析

图3 为3GPP 38.901 3.5GHz 频段城区、郊区宏站直射传播（视距传播LOS）的概率随传播距离的变化趋势。我们可以看到，城区宏站UMa 直射概率随距离增加大幅度减小，传播以非直射NLOS 路径为主，大于500m 基本无直射；而郊区宏站则随距离增加呈缓慢减小趋势，在1000米还有约40%概率为直射传播。由于郊区视距概率远大于城区，在进行空间损耗计算时，郊区损耗要远小于城区。

图3 城区、郊区宏站LOS概率

图4 城区、郊区路径损耗

图4 为3GPP 38.901 3.5GHz 城区、郊区宏站路径损耗随距离变化关系。城区场景损耗UMa PL 由UMa LOS PL 和UMa NLOS PL 通过图3概率结果合并得来。随距离增加，城区郊区路径损耗都呈增大趋势。同时由结果可知，由于城区几乎都为非直射情况，城区场景路径损耗UMa PL 结果几乎重合于城区场景非直射NLOS 下的路径损耗。而对于郊区场景，由于直射和非直射在不同距离都占相当比重，郊区综合路径损耗RMa PL 介于RMa LOS PL 和RMa NLOS PL 之间。此外，城区路径损耗在不同距离相比于郊区大概多10～23dB。