基于UMa和RMa传播模型的5G覆盖性能研究

 　　【摘 要】与4G工作频段相比，5G的工作频段更高，频段的传播损耗和穿透损耗更大，其覆盖将面临严峻的挑战。首先，简述国外和国内5G频段分配现状;其次，基于5G频段UMa传播模型、RMa传播模型，通过仿真分析两种传播模型在城区和农村场景下5G的覆盖性能;最后结合链路预算表及传播模型，得出5G覆盖性能的结论。

　　【关键词】5G频段;UMa传播模型;RMa传播模型;链路预算表;覆盖性能

　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.001 中图分类号：TN929.53

　　文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2020)10-0001-06

　　《中兴通讯技术》的发行面覆盖中国移动、中国电信、中国联通、中国广电、中国卫通等各大运营商，军队、煤炭、石油、电力等专网部门以及相关高等院校、科研院所和电信制造商、新闻媒体、行业主管机构等领域。

　　0 引言

　　2019年工信部发放5G牌照，给运营商指明了发展的方向及后期测试和商用需要做的工作，促使我国运营商加快部署5G商用的步伐。作为新一代的移动通信系统，5G所应用的场景将更加多样化，如自动驾驶、远程医疗等场景，并融合多种无线接入方式[1]，其组网方式将由传统的单一频段演化为高、中、低在内的全频段方式。在5G建网初期，将使用低、中频段实现网络的广覆盖和深度覆盖，后期将使用高频段解决热点区域的容量问题，并兼顾加强深度覆盖。因此，5G建网初期覆盖性能将是后期规划和建设的有力依据，是值得研究的问题。鉴于此，本文通过分析UMa和RMa两种传播模型使用的场景及路径损耗，并结合仿真分析和链路预算表，得出5G系统的覆盖性能。

　　1 5G频段分配现状

　　1.1 国外5G频段分配现状

　　3GPP约定，5G NR所使用的频谱分成两个大的范围：FR1和FR2，一个是6 GHz频段，另一个是之前常说的毫米波高频段范围，而且5G NR物理层也根据这些范围定义了最大带宽及各类子载波间隔，在6 GHz频段，最大的带宽是100 MHz，而毫米波采用的最大带宽是400 MHz。在国际标准化组织3GPP定义的众多子载波间隔中，如15 kHz、30 kHz两种子载波间隔仅用于6 GHz以下频段，而另外一些特殊的子载波间隔比如120 kHz也只在毫米波频段使用。同时，一些子载波间隔比如60 kHz可以在这两个频段范围通用。如表1所示3GPP分配的5G使用的频段范围：

　　目前，5G频段资源的分配已在全球范围内逐步展开，全球主流运营商及主要国家及地区(中国、欧盟等)都分配了相应的5G频段资源，主要集中在6 GHz以下的频段作为5G使用;而美国主要把24 GHz以上频段用于5G使用。具体频段分配现状如图1所示。

　　1.2 国内5G频段分配现状

　　2017年11月，工业和信息化部发布通知，正式宣布5G系统的工作频段为3 300—3 600 MHz、4 800—5 000 MHz，其中3 300—3 400 MHz频段原则上限室内使用。同时，工信部不再受理和审批3 600 MHz和4 800 MHz附近新申请的用于地面固定业务、空间无线电台业务、空间无线电台测控的频段使用许可。

　　2018年12月6日，工业和信息化部正式向国内三大电信运营商发布“在全国范围内5G中低频段试验频率”的使用许可。中国移动获得2 515—2 675 MHz、4 800—4 900 MHz频段的5G试验频率资源，其中

　　2 515—2 575 MHz、2 635—2 675 MHz和4 800—4 900 MHz频段为新增频段，2 575—2 635 MHz频段为重耕中国移动现有的TD-LTE(4G)频段;而中国电信和中国联通分别获得3 400—3 500 MHz、3 500—3 600 MHz频段的5G试验频率资源。

　　2019年6月6日，工业和信息化部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电四家企业颁发了基础电信业务经营许可证，批准四家企业经营“第五代数字蜂窝移动通信业务”。5G牌照的发放推动5G产业发展，加快5G商用的进程。四家企业5G频段具体分配如表2所示：

　　2 UMa和RMa传播模型分析

　　2.1 UMa和RMa传播模型介绍

　　传统无线传播模型Okumura-Hata和COST231-Hata模型主要应用在2 GHz以下低頻段，而5G通信系统主要采用6 GHz以下的中低频段和24 GHz以上的高频段[2]组网，其部署方式也有别于传统室外宏站和室内分布系统方式，主要使用室外宏微站以及室内微微站相结合的方式。因此传统无线传播模型，无论从频率选择还是部署方式上都难以适用于5G通信系统基站的覆盖预测。

　　鉴于此，3GPP TR 38.901基于多个场景定义了适用于5G NR 0.5～100 GHz的传播模型，包含Uma、UMi、RMa和InH等四类场景[4-5]，具体适用范围如下所示。

　　(1)Uma(城区宏站)：适用于建筑物分布比较密集的区域。此场景主要包括各省会城市的商业中心和密集写字楼区域。该类场景基站天线挂高高于周围建筑物楼顶高度(如25～30 m)，用户在地平面高度(约1.5 m)，站间距不超过500 m。

　　(2)RMa(农村宏站)：适用于建筑物分布非常稀疏的区域。此类场景主要包括我国大部分的农村区域和少数不发达的乡镇区域。该类场景基站天线挂高在10 m至150 m之间，用户在地平面高度(约1.5 m)，站间距一直到5 000 m。

　　(3)UMi(城区微站)：旨在还原真实的城市街道、开放区域等场景，如城市或车站广场、城市主要干道;典型开放区域宽度约为50～100 m，包含用户密集的开阔场地和城市街道。该类场景基站天线挂高低于建筑物楼顶(如3～20 m)，用户在地平面高度(约1.5 m)，站间距等于或小于200 m。

　　(4)InH(室内热点)：旨在还原各种真实典型的室内部署场景。此类场景典型的办公环境包括开放式隔间区域、有围墙的办公室、开放区域、走廊等;购物中心通常高1～5层，可能包括几层共用的开放区域(或“中庭”)。其中，BS安装在天花板或墙壁上2～3 m的高度。

　　2.2 UMa和RMa传播模型仿真分析

　　考虑到目前5G产业链、终端普及、网络部署情况等因素，本文将重点对UMa和RMa两类传播模型LOS/NLOS场景下其覆盖性能进行分析研究。UMa和RMa传播模型主要包括视距&非视距(LOS&NLOS)概率传播损耗、大尺度空间损耗、穿透损耗三部分。通过对这三部分的分析研究，有助于更准确地评估5G覆盖性能。

　　(1)视距&非视距(LOS&NLOS)概率传播损耗

　　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)。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直线传播(非视距传播)。LOS&NLOS概率只是距离和地形环境的函数，和频率无关。总的路径损耗应综合考虑视距和非视距两种情况。

　　图2为3GPP 38.901定义城区、农村宏站直射传播(视距传播)的概率随传播距离的变化趋势。UMa代表城区宏站，RMa代表农村宏站。从图中我们可以看出，城区宏站直射概率随距离大幅度减小，传播以非直射NLOS路径为主，大于500 m基本无直射;而农村宏站呈缓慢减小趋势，在1 000 m还有40%概率为直射传播。由于农村视距概率远大于城区，在进行损耗计算时，农村损耗要远小于城区。

　　(2)空间损耗

　　空间损耗与频段、传播路径、所处的地物、基站和终端的高度密切相关。空间损耗一般用传播模型来预测地形、障碍物以及人为环境对电磁波传播中路径损耗的影响。UMa和RMa大尺度空间损耗模型[4-5]如下式。结合视距非视距传播概率结果以及空间损耗模型，可以得出频率、距离与空间损耗的关系，这样有助于更准确地评估5G覆盖性能。

　　UMa大尺度空间损耗模型在LOS/NLOS场景下传播损耗计算公式如下。

　　NLOS场景下损耗计算公式：

　　式中，天线适用范围及高度为1.5 m

　　LOS场景下损耗计算公式：

　　式中：天线适用范围及高度为1.5 m

　　RMa大尺度空间损耗模型在LOS/NLOS场景下传播损耗计算公式如下：

　　NLOS场景下损耗计算公式：

　　式中：天线适用范围及高度为1 m

　　LOS场景下损耗计算公式：

　　式中：天线适用范围及高度为hBS=35 m，hUT=1.5 m，阴影衰落为6 dB。

　　本文主要选用5G目前在使用的主流频段2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz频段，并引入后期将要使用的700 MHz、28 GHz(毫米波频段)频段，采用UMa和RMa两种传播模型在城区和农村场景下进行仿真分析。通过仿真分析比较五种频段在UMa和RMa两种传播模型下的路径损耗和覆盖性能预测。在两种传播模型下五种频段5G的路径损耗如图3、图4和圖5所示;在两种传播模型下五种频段5G覆盖性能预测如图6所示。

　　从图3中可以看出，UMa城区场景下，700 MHz相比于3.5 GHz，有约13 dB损耗优势;2.6 GHz、3.5 GHz与4.9 GHz路径损耗各相差约3 dB;28 GHz路径损耗相比3.5 GHz要高18 dB左右。

　　从图4中可以看出，RMa农村场景下，700 MHz相比于3.5 GHz，有约11 dB损耗优势;2.6 GHz、3.5 GHz与4.9 GHz路径损耗各相差约2 dB;农村场景28 GHz路径损耗相比于UMa场景要低约23 dB。

　　从图5中可以看出，Uma、RMa综合路径损耗介于LOS损耗和NLOS损耗之间;城区路径损耗在不同距离相比于农村大概多10～23 dB。

　　从图6中可以看出，UMa密集城区场景下，传播以NLOS路径为主，大于500 m基本无直射;RMa农村场景下，500 m以内LOS占比重较大，随距离增大以NLOS为主。

　　(3)穿透损耗

　　穿透损耗指当信号源在建筑物外时，建筑物外的接收信号强场与建筑物内的强场比值。穿透损耗与建筑物的结构、信号源位置和入射角度等有关。穿透损耗与频率直接相关，与空口技术没有直接关系。表3为5G信号在传统损耗模型下，不同频率、材料中的损耗值。可以看出各种材料在频率上升时，穿透损耗均有增加，普通玻璃损耗最低，跟木制相似，IIR玻璃相较普通玻璃损耗高约20 dB;混凝土材质对频率上升尤其敏感，28 G下损耗已达到117 dB。

　　研究传播模型，最终目的是为了得知基站覆盖范围，为无线网规划提供指引。通过链路预算可以确定最大允许路径损耗，获得满足网络要求情况下的最大单站覆盖半径以及站间距。

　　3 5G频段链路预算表

　　综合前文UMa和RMa两种传播模型仿真分析，在3.5 GHz频段下，以系统配置为64T64R、带宽100 MHz、时隙配比2.5 ms 双周期、RB总数为273、基站总发射功率53 dBm、子载波带宽30 kHz为例，可以计算出该配置条件下5G频段链路预算表，如表4所示。

　　從表4可以看出，在下行发射功率为53 dBm(发射天线64个，接收天线4个)，上行发射功率为26 dBm(发射天线2个，接收天线64个)条件下，下行和上行平均允许最大路径损耗分别为155.64 dB、147.57 dB，两者相差不大。如果在相同发射功率的情况下，同时增加发射天线和接收天线的数量，以增强下行和上行的接收敏感度，理论上可以降低路径损耗，有助于增大上下行覆盖距离。

　　根据上述链路预算表，可以测算出5G频段为3.5 GHz、系统配置为64T64R、RB总数为273、基站总发射功率53 dBm、带宽100 MHz条件下在城区的覆盖距离，如表5所示。

　　从表5可以看出，在最大允许路径损耗相同的情况下，密集城区单站覆盖半径为280 m，一般城区单站覆盖半径为380 m，郊区单站覆盖半径为540 m。综上可以看出，从市区到郊区，建筑物密度越来越小，信号的穿透损耗也越来越少，单站覆盖半径越来越大。由此可以推断出从市区到农村，在相同发射功率、发射天线数量和接收天线数量的情况下，理论上信号传播的损耗越来越小，单站覆盖半径越来越大。

　　考虑到后期5G网络将采用独立组网建设，为避免后期对大网网络结构进行频繁调整，针对不同场景的业务需求，建议在频段为3.5 GHz下，5G室外连续覆盖分场景的小区覆盖半径如表6所示。

　　4 结束语

　　5G频段的覆盖性能是对其系统进行评估的重要指标，覆盖区域的优劣直接影响了5G是否可以给用户带来稳定、可靠的业务感知。本文通过对影响5G覆盖性能的场景因素和路径损耗进行研究，并采用UMa和RMa两种传播模型进行仿真分析，结合传播模型和链路预算表，得出3.5 GHz频段下5G系统的覆盖性能，希望对从事5G频段覆盖研究的学者有所帮助。下一阶段会对5G其他频段的覆盖性能进行研究，并进一步考虑引入较复杂地理信息及其他模型进行分析，以提升覆盖性能研究的准确性。

　　参考文献：

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　　[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/.

《基于UMa和RMa传播模型的5G覆盖性能研究》

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文章名称： 基于UMa和RMa传播模型的5G覆盖性能研究

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