基于5G新场景下的传播模型校正与链路预算

许贤泽，方屹涛，郑成林

(武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430072)

近几年，随着物联网、互联网等各项技术的快速发展，海量的设备连接以及各种各样差异化新型业务应用的需求也不断提高。并且随着场景应用对技术的驱动，工业自动化、规模物联网、智能家居、自动驾驶等都对网络提出了更高的要求。为了更好地应对未来移动数据的高速增长，5G（第五代移动通信技术）也就应运而生［1］。

相比于现有的LTE网络将应用场景以密集商业区、高铁、水域等地形地貌进行简单的划分，国际电信联盟（ITU）为5G定义了三大应用场景。分别是增强移动宽带（eMBB），即面向以人为中心的应用场景，主要面向移动互联网爆炸式增长，为移动互联网用户提供更加极致的应用体验；超高可靠低延时通信（URLLC），主要面向工业控制、远程医疗、移动驾驶等对低时延和可靠性具有极高要求的垂直行业应用需求；海量机器类通信（mMTC），主要面向智慧城市、智能家居、环境监测等以传感与数据采集为目标的应用需求［2-4］。

5G技术定义的三大场景不但覆盖了高带宽、低延时等传统应用场景，而且还能满足工业环境下的设备互联和远程交互应用需求，这种广域网全覆盖的特点为移动运营商构建统一的无线网络提供了可能。并且预计到2020年，随着互联网新兴技术与业务的迅速发展，数据流量业务与设备连接数量会发生井喷式增长。因此5G网络在新场景下有新的驱动与要求，不仅要求更高的网络接入数量、吞吐量和传输速度，也要能够有效拓宽覆盖面积，满足多区域不同用户的用网需求。构建5G网络的关键就是要针对新场景下的业务质量与通信质量要求，合理规划基站布置，以实现宏基站广域覆盖，微基站补充盲点的目的［5］。

因此，随着5G即将实现全面商用，针对站点布置与网络覆盖要求，对于新一代移动通信网络的通信距离、覆盖范围与信号接收质量必须要进行准确的预测与估计［6］。因此要构建一个能代表5G通信模式的传播模型，且针对具体地区的传播模型的校正研究就显得尤为重要。针对不同的频段，选择合适的传播模型并校正，是无线系统网络规划的基础。并且根据校正后的传播模型，可以进行网络的链路预算，获得网络的覆盖范围，能够有效评估无线通信系统的覆盖能力［7］。

本文主要针对5G新场景下无线网络规划中的传播模型优化及链路预算进行分析，通过对武汉已部署5G宏基站进行实地路测，并将路测数据处理后进行传播模型的校正，最终通过5G网络配置环境，进行相应的链路预算，得到可覆盖小区的最大半径，为即将实现全面商用的5G网络规划提供重要依据与参考价值。

1 5G信道传播模型

1.1 UM a模型

UMa模型是3GPP协议中定义的适用于当前5G高频发展趋势下的新型传播模型，信道测量频率范围为0.5 G～100 GHz，信号传播有效距离为10～5 000 m。该模型支持大信道带宽（高达载波频率的10%），并且能够适应用户终端高速迁移，移动速度最高可达500 km/h［8］。

3GPP协议38.901对UMa进行了定义，其经验公式如下。

在视距传播（LOS）条件下

其中，PL1与PL2计算如下

在非视距传播（NLOS）条件下

其中，PLUMa-LOS为视距传播下的路径损耗；PLUMa-NLOS为非视距传播下的路径损耗；d2D为移动终端至基站的水平距离；d′BP为该模型设置的断点距离；d3D为移动终端至基站的直线距离；fc为基站所采用的信号载频；hBS为基站天线有效高度；hUT为用户终端有效高度。

在非视距传播下的路径损耗也可简化为

此模型初始参数设置是基站天线高度为25 m，用户终端高度范围为1.5～22.5 m，因此根据实际基站布置、现实传播环境以及用户终端测量状况来对基础传播模型进行优化设计，以适应真实地区信号传播规律。

1.2 改进的信道传播模型

原始的UMa模型是在搭建5G局域网下根据大量测试数据统计分析后导出的数学公式的经验模型，具有普适性，但对于具体场景的预测精度有所不足。因此要根据具体环境对典型传播模型进行一定的校准与修正，从而得到匹配当前区域的准确的传播模型［9］。

在无线信道实际传输过程中，一般来说，在理想条件下即自由空间信道传播时信号传播的距离越远，信号所受到的损耗也就越大。但是在实际的应用场景中，特别是在传播环境较为复杂的密集城区，由于发射/接收天线的高度，信号的自然衰落，建筑物密度与高度，植被、水域等因素的影响，使得信号的衰落情况大不相同。

综合式（1）～式（6），可以发现在5G新型UMa模型下其路径损耗主要与基站到接收机的直线距离和基站载频成对数相关性，因此按fc，d3D进行变换后，加上损耗修正因子，可以得到在密集城区的通用公式

在本文提出的通用模型中，fc为固定载频，选定为3.5 GHz，因此其相应的系数也可直接确定，即k2=20，在Matlab中基于最小二乘法进行非线性拟合，求出k1与k3的值，即可确定在一定程度上符合当前传播规律的预测模型。

2 覆盖规划

5G覆盖规划主要包括网络覆盖区域分析、链路预算、单基站覆盖面积与站址规划等方面，如图1所示。网络覆盖区域分析主要是通过对目标上下行速率、业务质量和边缘覆盖概率等综合分析而确定的能最大程度保证通话质量与无线信号强度的复合区域。而链路预算是无线网络覆盖规划的重要前提，其主要内容是通过对信号从发射端到接收端传输过程中包括余量、损耗、增益等各个要素的核算，来获得在当前场景下满足覆盖要求所允许的最大路径损耗。且通过符合当前环境的传播模型，测算出单个宏基站的覆盖半径，继而根据5G布网要求进行区域的站址规划，减少覆盖盲区与弱覆盖区域，从而初步估算出无线网络系统的覆盖能力［10］。

一般来说，5G链路预算影响因素在低频段与LTE并没有较大的差别，但在毫米波频段需要额外考虑人体遮挡损耗、树木损耗与天气余量等因素的影响。结合TD-LTE链路预算模型与5G NR新型传输技术，给出以下适用于上下行的链路预算公式［11］

其中，MAPL为最大允许路径损耗，PTx为发射端功率，GTx为发射端天线增益，Lf为馈线损耗，Lp为穿透损耗，Ls为植被损耗，Lb为人体损耗，MI为干扰余量，Mf为阴影衰落余量，Mr为天气（雨/冰雪）余量，GRx为接收端功率，SRx为接收机灵敏度。其中，接收机灵敏度为保持接收机正常工作的最小可接受信号强度，可表示为

其中，NT0为热噪声功率，NF为噪声系数，SINR为接收机解调门限。

依据给出的链路计算模型结合5G新型传播技术，如大规模MIMO技术、超密度异构网络技术与非正交多址技术等，可以有效估算室外宏基站覆盖区域与覆盖范围，通过部署5G微基站与宏基站相互补充，从而优化5G网络架构，提升用户服务质量。

3 传播模型优化与链路预算

在实际场强与路损的测量过程中，由于其无线信道的复杂性，一般需要针对当地无线环境进行数据测试。本文是基于武汉密集城区内的典型宏基站实地测量所得到的路测数据。

数据采集的方法与原则是李氏定律。李氏定律是指在本征长度为40个波长，采样36～50个样点时，可使测试数据与实际本征均值之差小于1 dB。通过对周围28个基站进行地理勘察后，选取5～6个宏基站进行现网车载测试，通过车载测试，手机收集接收并记录各个基站导频信号功率数据。

由于城市道路环境的复杂性测量数据容易产生数据分布不均的情况，因此要进行数据的预处理［12］。数据的预处理主要分为以下几步：

（1）对多组不同基站测量数据进行基站抽样。即先按照基站编号进行随机抽样，得到典型基站，然后对该基站多组数据进行整合保存，得到一组能代表该密集城区基站传播情况的测量数据。

（2）对抽取的数据进行数据过滤。数据过滤的标准主要基于测试点与基站的距离（滤除100～2 000 m之外的数据点）与测试点的接收功率（滤除小于-120 dB·m与大于-50 dB·m的数据点）。

（3）对过滤后的数据进行地理平均。数据地理平均的目的是获取本地均值，将测试路线分段，每段取10 m，将该10 m内的数据取均值，并将取得的均值作为该路段中心点的接收电平强度。

（4）数据偏移修正。测试过程中可能有部分测试点经纬度与电子地图经纬度存在一定误差，导致相应地物地貌属性发生变化，需要对偏差数据使用专用地图软件进行修正以达到匹配。

（5）最终将经过多段处理后的路测数据整合保存，作为接下来传播模型校正的原始数据。

其预处理流程图如图2所示。

经过数据的预处理可以有效达到“消除快衰落、保留慢衰落”的目的，同时将路测数据按照等采集距离段均匀分布，获取较为理想的实测数据［13］。如图3与图4所示。

由图3与图4可知，接收信号功率在300 m范围内强度较高，说明基站信号覆盖能力较强。而在900～1 000 m处有所回升，这是由于接收端正好处于开阔地带，没有较多高层建筑物与植被的遮挡，信号传播形式趋于视距传播，使得该区域的接受信号强度短暂增强，而对于其他数据采集区域，伴随着测试点距发射基站的距离越远，其路径损耗越大，导致接收信号强度也就越差［14］。

如图5所示，可以得到路径损耗与传播距离的拟合曲线

将实测基站数据与校正前、后预测模型进行路径损耗仿真对比，如图6所示。可以明显看到校正后的预测模型更贴近实测数据，且误差更小。

表1为UMa传播模型校正前后的误差分布情况。由表1可知，在未校正前误差主要集中于10 dB·m以上，且校正前误差在15～30 dB·m范围内，占整体数量比例的59.56%，可见未校正的初始传播模型与实际城区传播环境还是有较大差异。而校正后的传播模型，误差主要集中在-5～5 dB·m，且基本分布在-10～10 dB·m范围内，没有较大偏差的数据。因此经过数据的预处理后再进行传播模型校正的方法使数据更具有代表性与准确性。

表1 校正前后误差统计

由表2可知，与校正前相比，校正后的误差更为集中，且误差比例更小。经过校正的数据误差均值降低了15 dB以上，达到了-0.013 8 dB，其满足误差均值要求在0～1 dB；校正后标准偏差为2.420 8 dB，其满足模型校正标准差要求小于8 dB，说明了校正后的传播模型与实测数据贴近程度更高，更符合实际无线电波传输过程中受到外界其他干扰后的路径损耗值。

表2 校正前后误差分析

为了验证该传播模型在武汉密集城区的普适性，从该区域其他基站路测数据中抽取2组经过预处理的数据来对当前已校正传播模型进行拟合对比，如图7所示。选取水果湖步行街与湖广大厦基站路测数据来分别进行对比分析，两组数据与校正模型误差均值与标准差均在允许范围内，表明模型校正是成功的，校正后模型与当地传播环境相匹配［15］。

结合本文路测基站配置，可以给出载频为3.5 GHz，带宽为100 MHz，子载波带宽30 kHz条件下的链路预算表，如表3所示。

通过对已知参数的核算，可以得到满足数据流量上下行质量的最大允许路径损耗分别为110.43 dB与118.43 dB，从而确定对应的单站覆盖半径为678.42 m与987.86 m。可知系统的上行覆盖半径小于下行覆盖半径，因此室外最大覆盖距离受限于上行链路，在覆盖估算时应以上行链路为依据来进行基站数量及站址的选择［16］。

表3 5G NR链路预算表

4 结束语

随着5G即将实现全面商用，本文针对武汉市内热点区域（密集城区）进行了模型的优化研究和链路预算。结合实地路测数据在已有5G新型模型——Uma模型上进行了系数的校正，得到匹配本地地物环境的传播模型，且校正后传播模型的误差均值与标准差均在可接受的参考误差范围内，表明模型校正较为成功，为后续5G建设获取密集城区的预测模型提供了一定的参考价值。同时结合校正好的新型传播模型分析了5G无线链路预算，得到了在保证一定服务质量下的允许最大路径损耗和单站上下行覆盖面积半径，为5G新型网络规划提供了理论基础。