5G移動(dòng)通信各場(chǎng)景下毫米波強(qiáng)度衰減率分析

頻譜資源是無線通信稀缺的資源，中低頻段比高頻段可以傳播更遠(yuǎn)的距離，當(dāng)前國內(nèi)、國外移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的頻段是在3GHz以下的中低頻段，但是，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和業(yè)務(wù)速率的不斷提升，中低頻段可以用的頻譜越來越稀缺。為了滿足不斷發(fā)展的業(yè)務(wù)速率需求，在提升頻譜利用率的同時(shí)，也需要開拓空閑的更高頻段的頻譜資源，如6GHz及以上的頻譜來滿足未來移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）的業(yè)務(wù)需求，利用高頻段進(jìn)行通信也是滿足5G高諫業(yè)務(wù)需求的重要手段。毫米波通信技術(shù)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)10Gbit/s的傳輸速率，據(jù)預(yù)測(cè)，未來毫米波通信速率可快于光纖速率。但是，這些毫米波候選頻段頻率差別較大，傳播特性也不盡相同。

目前，學(xué)術(shù)界比較認(rèn)同的未來5G部署觀點(diǎn)是用較低的頻段實(shí)現(xiàn)1km級(jí)別范圍的無線覆蓋，而用較高的頻段實(shí)現(xiàn)100m級(jí)別范圍的無線覆蓋，主要包括室內(nèi)、密集住宅、露天集會(huì)等場(chǎng)景。毫米波可用于室內(nèi)短距離通信，也可為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)提供 Backhaul鏈路，其優(yōu)勢(shì)是可用頻帶寬，可提供幾十GHz帶寬，波束集中，能夠提高儀效，方向性好，受干擾影響小。各頻段無線電波對(duì)于不同環(huán)境、天氣的衰減率也不盡相同，如空氣干燥、空氣濕度、降雨以及沙塵天氣等對(duì)視距衰減率都有影響。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中需要對(duì)各場(chǎng)景下毫米波強(qiáng)度衰減率進(jìn)行分析，從而指導(dǎo)站點(diǎn)規(guī)劃。

1.空氣強(qiáng)度衰減率

無線電波在空氣中傳播時(shí)，受到空氣壓力、水汽壓力等影響，同時(shí)也受溫度的影響。溫度取常溫20°℃，水汽密度取7.5g/m2，取1013hPa，通過 Matlab仿真得到如圖1-1所示的空氣造成的不同頻率特征衰減，其中，無線電波在干燥空氣中隨頻率的增増加波動(dòng)較大，并岀現(xiàn)多個(gè)峰值;無線電波在水汽中的衰減率在低頻段比在干燥空氣中衰減率小，在高頻段衰減率比在干燥空氣中衰減率大，隨頻率變化波動(dòng)較大，出現(xiàn)多個(gè)峰值;在空氣中的總衰減率為干燥空氣導(dǎo)致的衰減率和水汽導(dǎo)致的衰減率相加，岀現(xiàn)波動(dòng)多峰值情況。

圖1-1 空氣造成的不同頻率特征衰減

無線電波在空氣中的總衰減率隨著水汽密度的不同，其衰減率也不同，水汽密度和頻率的變化關(guān)系如圖1-2所示，從圖1-2可以看出，隨著其密度的增加衰減率增加較為明顯。

圖1-2 衰減率隨不同頻率和水汽密度變化

2.雨水衰減率

并取頻率6GHz（未來5G可采用頻率），通過Matlab仿真得到衰減率隨著降雨量的變化關(guān)系，如圖1-3所示，從圖1-3中可以看出衰減率隨著降雨量的增加而增加，且增速較快。

圖1-3 衰減率隨降雨量變化關(guān)系

3.視距衰減率

通過Mat ab仿真得到無線電波在不同頻率、降雨的空氣中衰減率如圖1-4所示，從圖1-4中可以看出，降雨量增加導(dǎo)致衰減率增速比頻率増大導(dǎo)致的衰減率増速要快。

圖1-4 無線電波在不同頻率、降雨的空氣中衰減率

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，業(yè)務(wù)速率的提升和低頻頻譜資源的稀缺，5G采用的頻率比2G、3G、4G都要高，而且采用的頻譜更寬、更高，覆蓋站點(diǎn)越來越密，密集組網(wǎng)很多時(shí)候都為視距傳輸，所以對(duì)視距傳輸?shù)乃p率的分析很有必要。通過對(duì)不同頻率在干燥空氣、水汽和降雨氣候的衰減率分析，以及仿真得到的結(jié)果，從而可直觀地看到各頻率的視距衰減率與頻率、干燥空氣、水汽密度和降雨量的關(guān)系;同時(shí)，高頻段傳輸穿墻損耗非常大，不適合用于室外到室內(nèi)的通信覆蓋場(chǎng)景。但其頻率損耗可作為后續(xù)5G頻率選取以及站點(diǎn)規(guī)劃的參考。高頻段視距（LOS）的傳播損耗模型如下式所示。

高頻段視距（NLOS）傳播損耗模型如下式所示：

當(dāng)前高頻段用于5G覆蓋的有28GHz和73GHz，兩個(gè)頻段的傳播損耗參數(shù)值，見表1-1。

表1-1 LOS和NLOS無線傳播損耗模型參數(shù)值

對(duì)于熱點(diǎn)高業(yè)務(wù)容量區(qū)域，覆蓋主要是采用高頻段密集組網(wǎng)的微基站來完成，規(guī)劃站點(diǎn)可直接根據(jù)高頻段指標(biāo)要求;根據(jù)傳播損耗模型及參數(shù)值，對(duì)28GHz和73GHz兩個(gè)頻段進(jìn)行了LOS和NLOS仿真，仿真結(jié)果如圖1-5和圖1-6所示。

圖1-5 頻率28GHz無線傳播損耗損耗情況

圖1-6 頻率73GHz無線傳播損耗損耗情況

從仿真的結(jié)果來看，高頻段的損耗較大，NLS和LOS在距離較近時(shí)，損耗差距較小，隨著覆蓋距離的増大，損耗差距也増大;冋時(shí)，73GHz傳播損耗與8GHz傳播損耗差距也隨距離的增大而增大。從圖1-6中可以看出對(duì)于高業(yè)務(wù)量的熱點(diǎn)區(qū)域，超密集組網(wǎng)站間距在20~50m，這就需要部署至少10倍以上的現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)，站點(diǎn)數(shù)量增多、有線回傳成本大帽提高，從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本的角度考慮，不適宜為所有的UDN微基站鋪設(shè)光纖來提供有線回傳;同時(shí)，即插即用的組網(wǎng)要求，使有線回傳不能覆蓋所有υDN組網(wǎng)場(chǎng)景，利用和接入鏈路相同頻譜的無線回傳技術(shù)，由于高頻段可以提供足夠大的帶皃做無線回傳，優(yōu)選高頻段無線回傳，且需采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)LOS回傳。

編輯：hfy