5G與4G承載核心頻段帶來的空中損耗差異

摘要：

針對(duì)5G與4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中覆蓋差異及損耗問題，通過理論分析和精確、嚴(yán)格的測試，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)主用頻段3 500 MHz與4G網(wǎng)絡(luò)主用頻段1 800 MHz進(jìn)行了對(duì)比，得出5G與4G網(wǎng)絡(luò)天線口EIRP相同的情況下的空口損耗差異，較現(xiàn)有引用的方法修正了約5.39 dB，并提出該差異值的計(jì)算和測試方法及應(yīng)用建議，為5G/4G的網(wǎng)絡(luò)方案及策略的制定提供參考。

01

概述

2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，標(biāo)志著我國5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正式進(jìn)入建設(shè)元年。除5G網(wǎng)絡(luò)典型技術(shù)外，各大運(yùn)營商均基于4G現(xiàn)網(wǎng)站址和結(jié)構(gòu)進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)。因而5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)面臨的最大問題是5G網(wǎng)絡(luò)所采用3.5 GHz核心頻段下的射頻網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的差異。

針對(duì)5G射頻網(wǎng)絡(luò)而言，首次引入了3.5 GHz頻段和4.9 GHz頻段，后期也會(huì)考慮引入毫米波。隨著移動(dòng)通信向高帶寬、高容量、超低時(shí)延、大連接的方向演進(jìn)，引入高頻段是不可避免的。在此情況下，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)而言，更需要對(duì)高頻網(wǎng)絡(luò)下電磁傳播特征以及與現(xiàn)網(wǎng)頻段特性差異，特別是直射、衍射、反射、透射、散射等射傳播頻特征進(jìn)行研究。這直接決定運(yùn)營商5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的方向以及5G網(wǎng)絡(luò)最終的性能和用戶業(yè)務(wù)感知。

運(yùn)營商在規(guī)劃5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通常都要和4G現(xiàn)網(wǎng)鏈路級(jí)性能進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估，具體如表1所示。

表1 5G與4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃鏈路預(yù)算差異表（常規(guī)）

表1是具有典型代表意義的4G、5G特征鏈路差異預(yù)算表。從表1可以看出，存在兩大類的因素：

a)技術(shù)因素，如5G采用的MassiveMIMO、發(fā)射功率等參數(shù)。

b)5G引用新的更高的3.5 GHz頻段帶來的空中損耗差異。

其中針對(duì)技術(shù)因素，基于實(shí)驗(yàn)室算法/測試，通過鏈路級(jí)預(yù)算已經(jīng)可以較為精確地估算和確定，其精確度差異往往在dB級(jí)，且網(wǎng)絡(luò)配置如果確定，其鏈路影響基本確定，相對(duì)簡單。

針對(duì)頻段空口損耗差異，雖有理論計(jì)算方法，但5G移動(dòng)通信業(yè)務(wù)場景多為低空地面覆蓋網(wǎng)絡(luò)，受建筑體、山體、樹木等影響，其實(shí)際損耗值與理論計(jì)算有較大差異。本文將結(jié)合理論分析與實(shí)際精準(zhǔn)測試，給出5G與4G承載核心頻段帶來的空中損耗差異，供相關(guān)的方案規(guī)劃及設(shè)計(jì)參考。

02

理論分析

2.1 問題分析

目前，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中引入3 500 MHz頻段，而4G核心頻段為1 800 MHz，較之前2G引入3G或3G引入4G而言，頻段上出現(xiàn)大幅度變化，如表2所示。

表2 網(wǎng)路規(guī)劃建設(shè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與新建網(wǎng)絡(luò)頻段差異

對(duì)于5G引入的3.5GHz高頻段，該頻段原為C頻段衛(wèi)星/微波使用頻段，因其高頻特征主要用于視距通信。而在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，往往用于地面、建筑全覆蓋，大部分屬于地面網(wǎng)絡(luò)下的非視距通信通信。而這樣應(yīng)用場景下的電磁波傳播的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累非常少。

為此，需要從理論及實(shí)踐測試2個(gè)方面確定其空口損耗上的差異，以便更好地在鏈路預(yù)算評(píng)估及網(wǎng)絡(luò)建模仿真進(jìn)行更為科學(xué)、合理地應(yīng)用。

2.2自由空間損耗理論計(jì)算

自由空間電磁波傳播損耗計(jì)算是電磁傳播計(jì)算的基礎(chǔ)，可由式（1）計(jì)算：

其中Ls自由空間損耗，單位dB；

F為載波頻率，單位MHz；

D為傳播距離，單位 KM。

注意，這里自由空間傳播是指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，該環(huán)境定義的是電磁波傳播的理想傳播環(huán)境。在該環(huán)境下，電磁波在傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射、散射或折射等。其主要表明電磁波在理想空間傳播時(shí)能量擴(kuò)散特征。

在這樣條件限定下，顯然與目前5G、4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，建筑體阻擋、反射、折射、吸收透射等，山體反射及陰影阻擋，城市環(huán)境的樹木綠植的吸收投射、阻擋反射等計(jì)算環(huán)境存在差異。

而目前5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)多采用基于自由空間損耗公式來評(píng)估頻段差異，具體如下：

根據(jù)以式（2）得出，其頻率差約為5.78 dB，與表1常用的鏈路損耗差異數(shù)值基本一致。目前，較多的鏈路級(jí)評(píng)估采用該值進(jìn)行評(píng)估。顯然，其與實(shí)際電磁波傳播環(huán)境存在重大偏差。

2.3經(jīng)驗(yàn)傳播模型啟示

基于大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征形成的經(jīng)驗(yàn)傳播模型是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)優(yōu)化必備的基本工具。目前，使用最為廣泛的電磁傳播模型為Okumura模型。

該模型得名于奧村，其在20世紀(jì)60年代日本東京，基于不同頻率、不同天線高度、不同距離等無線電磁傳播的特征因素進(jìn)行大量數(shù)據(jù)測試，基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，得出對(duì)無線信號(hào)傳播損耗進(jìn)行估測的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

在Okumura模型的基礎(chǔ)上，以其市區(qū)傳播模型作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其他區(qū)域進(jìn)行了修正，進(jìn)一步提升預(yù)測的精確程度。形成了Okumura-Hata模型，其簡化表達(dá)式為：

其中：A1, A2, A3, B1, B2,B3為Hata 參數(shù)；f頻段(MHz）；hBS 有效的基站天線高度(m) ；d收發(fā)機(jī)之間的距離( km) ；

a(hm)移動(dòng)終端天線高度修正函數(shù)；Cclutter為地貌修正函數(shù)。可以看出，其由于頻率損耗特征公式為：

經(jīng)過一些測試與校正，得出900 MHz與1 800 MHz的A2典型值分別為26.16和27.50。

基于理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢缘贸?00MHz與1800MHz網(wǎng)絡(luò)空口損耗不同算法理論計(jì)算值，如表3所示。

表3 900MHz與1800MHz網(wǎng)絡(luò)空口損耗

不同算法理論計(jì)算值

這里需要說明下，由于該模型頻段適用范圍的限制，此處使用900 MHz和1 800 MHz重在說明頻段差將影響A2的取值，以此類推到1 800 MHz與3 500 MHz的空中損耗差異。從表3可以看出：

a)自由空間與移動(dòng)環(huán)境下，不同頻率引起的損耗有所增加，表明不同頻段的電磁波傳播特性將影響A2的取值，這與相關(guān)的理論分析結(jié)論一致。

b)實(shí)際修正較60年代東京測試等均有所增加，表明該參數(shù)將隨著無線環(huán)境阻擋等因素，會(huì)相應(yīng)增加修正系數(shù)。

c)基于現(xiàn)有1 800 MHz、900 MHz頻率衰減特征可以推出3 500 MHz特征隨著城市環(huán)境差異，損耗較自由空間計(jì)算值將更大。

d)該參數(shù)的修正應(yīng)在嚴(yán)格環(huán)境下的現(xiàn)場測試得出。

e)由于該模型往往計(jì)算1 km外，目前5G重點(diǎn)1 km內(nèi)，故測試應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在1 km內(nèi)，5G特征覆蓋區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)特征。

03

無線測試環(huán)境搭建

3.1現(xiàn)有測試方法缺陷分析

目前， 3 500 MHz與1 800 MHz多基于試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拉網(wǎng)/DT測試，該方式將引入其他因素，導(dǎo)致結(jié)果偏差，具體如下。

a)測試區(qū)域內(nèi)，5G與4G站點(diǎn)規(guī)模、位置、結(jié)構(gòu)存在差異。

b)同一站址的5G與4G站點(diǎn)掛高與具體安裝位置差異。

c)同一站址下5G與4G站點(diǎn)饋線及接頭損耗、天線配置、天線方向性圖等存在差異。

以上因素，因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)站點(diǎn)往往量級(jí)較大，很難針對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致、精確地修正，同時(shí)測試手機(jī)接收性能差異也會(huì)影響結(jié)果的評(píng)估，而得出的5G與4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的差異，可以用來做簡要的評(píng)估，但無法進(jìn)行鏈路級(jí)性能的計(jì)算。

3.2本文測試方法

針對(duì)常規(guī)測試存在的問題，此次測試采用在同一位置架設(shè)同一高度的發(fā)射天線，并采用射頻功率計(jì)分別測試天線口功率差，再考慮全向天線增益及方向性圖差異，滿足發(fā)射端EIRP的統(tǒng)一。發(fā)射端發(fā)射30 kHz窄帶CW信號(hào)。

在接收端，采用高精度高頻數(shù)字掃頻接收儀，同時(shí)監(jiān)測1 800 MHz與3 500 MHz窄帶信號(hào)，以確保接收端無其他因素導(dǎo)致的差異，如圖1所示。

圖1 測試結(jié)構(gòu)及設(shè)備方框圖

在這樣的配置下，選擇在國內(nèi)一線城市，確定3個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行測試，3個(gè)站點(diǎn)均位于該城市城區(qū)范圍。

在結(jié)果處理時(shí)，充分考慮不同頻段配置差異，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格地均化、過濾等，最終得出3 500 MHz與1 800 MHz空中損耗的差異。

在各測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)情況如表4所示。

表4 900MHz與1800MHz測試數(shù)據(jù)量級(jí)統(tǒng)計(jì)

從表4可以看出，本文在某一線城市城區(qū)環(huán)境選擇了典型的無線環(huán)境場景，并選擇了3個(gè)具備代表性的站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)均進(jìn)行了海量數(shù)據(jù)測采集，測試路線涵蓋站點(diǎn)下所有主要道路，滿足常規(guī)意義上CW測試無線環(huán)境及特征站點(diǎn)等相關(guān)要求。

3.3測試結(jié)果及分析

針對(duì)以上3個(gè)站點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)，按照位置進(jìn)行不同頻段柵格化均化，再按照均化后的位置與站點(diǎn)位置進(jìn)行距離計(jì)算，最終得出距離站點(diǎn)不同位置下，3 500 MHz、1 800 MHz的空中損耗差異。

為更明顯地看出其對(duì)數(shù)正態(tài)衰落特征，如圖2~圖4所示，此次數(shù)據(jù)處理按照每多個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)平均（圖2~圖4中黑色曲線），可以從感性趨勢角度再分析頻段差異帶來的損耗變化。表5給出了900 MHz與1 800 MHz口空損耗差異的量化統(tǒng)計(jì)。

圖2 站點(diǎn)1 3500MHz與1800MHz損耗與距離關(guān)系示意

圖3 站點(diǎn)2 3500MHz與1800MHz損耗與距離關(guān)系示意

圖4 站點(diǎn)3 3500MHz與1800MHz損耗與距離關(guān)系示意

表6 900MHz與1800MHz口空

損耗差異一覽

從圖2~圖4以及表5可以得出：

a)最終3個(gè)站點(diǎn)3 500 MHz與1 800 MHz差異約為11.17 dB，較其他多處按照自由空間核算頻率差5.78 dB約修正5.39 dB。該測試值可直接用于鏈路評(píng)估及預(yù)算中。

b)圖2~圖4中趨勢可以看出，其3 500 MHz與1 800 MHz慢衰落特征與距離呈規(guī)則遞減，且建筑物影響、衍射/發(fā)射特征2個(gè)頻段整體呈規(guī)則差異，局部快衰特征存在一定差異。故從長遠(yuǎn)來看，頻段影響估算或預(yù)算時(shí)可以直接采用11.17 dB的差值，而具體站點(diǎn)/扇區(qū)級(jí)的仿真預(yù)測，還應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的建模計(jì)算。

c)使用中，如進(jìn)行嚴(yán)格的CW模型校正，無論采用三維射線跟蹤模型或傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型，均已經(jīng)考慮相關(guān)頻段影響，估算中如要進(jìn)行覆蓋距離計(jì)算則直接可用電磁傳播模型來計(jì)算，而估算電平級(jí)可直接應(yīng)用測試值11.17 dB，如建模仿真使用，則建議使用嚴(yán)格校正的模型來預(yù)測計(jì)算。

04

總結(jié)

本文詳細(xì)分析了5G 3 500 MHz與4G 1 800 MHz頻段損耗差異問題。針對(duì)該問題，本文結(jié)合理論分析與實(shí)際精準(zhǔn)測試，給出5G與4G承載核心頻段帶來的空中損耗差異，供相關(guān)的方案規(guī)劃及設(shè)計(jì)參考。

來源：郵電設(shè)計(jì)技術(shù)（ydsjjs）公眾號(hào)

原文標(biāo)題：5G與4G主用頻段空口損耗差異淺析

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