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4G/5G主用頻段空口損耗差異

2020-10-09
來源:與非網
關鍵詞: 毫米波 5G 無線測試

  針對 5G 與 4G 網絡規(guī)劃中覆蓋差異及損耗問題,通過理論分析和精確、嚴格的測試,對 5G 網絡主用頻段 3 500 MHz 與 4G 網絡主用頻段 1 800 MHz 進行了對比,得出 5G 與 4G 網絡天線口 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算和測試方法及應用建議,為 5G/4G 的網絡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、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放 5G 商用牌照,標志著我國 5G 移動通信網絡正式進入建設元年。除 5G 網絡典型技術外,各大運營商均基于 4G 現(xiàn)網站址和結構進行 5G 網絡的規(guī)劃建設。因而 5G 網絡規(guī)劃建設面臨的最大問題是 5G 網絡所采用 3.5 GHz 核心頻段下的射頻網絡覆蓋特性與現(xiàn)有 4G 網絡的差異。

  針對 5G 射頻網絡而言,首次引入了 3.5 GHz 頻段和 4.9 GHz 頻段,后期也會考慮引入毫米波。隨著移動通信向高帶寬、高容量、超低時延、大連接的方向演進,引入高頻段是不可避免的。在此情況下,對于 5G 網絡而言,更需要對高頻網絡下電磁傳播特征以及與現(xiàn)網頻段特性差異,特別是直射、衍射、反射、透射、散射等射傳播頻特征進行研究。這直接決定運營商 5G 網絡規(guī)劃的方向以及 5G 網絡最終的性能和用戶業(yè)務感知。

  運營商在規(guī)劃 5G 網絡時,通常都要和 4G 現(xiàn)網鏈路級性能進行對比和評估,具體如表 1 所示。

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  表 1 5G 與 4G 網絡規(guī)劃鏈路預算差異表(常規(guī))

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

  a)技術因素,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。

  其中針對技術因素,基于實驗室算法 / 測試,通過鏈路級預算已經可以較為精確地估算和確定,其精確度差異往往在 dB 級,且網絡配置如果確定,其鏈路影響基本確定,相對簡單。

  針對頻段空口損耗差異,雖有理論計算方法,但 5G 移動通信業(yè)務場景多為低空地面覆蓋網絡,受建筑體、山體、樹木等影響,其實際損耗值與理論計算有較大差異。本文將結合理論分析與實際精準測試,給出 5G 與 4G 承載核心頻段帶來的空中損耗差異,供相關的方案規(guī)劃及設計參考。

  02、理論分析

  2.1 問題分析

  目前,5G 網絡建設中引入 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。

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  表 2 網路規(guī)劃建設現(xiàn)有網絡與新建網絡頻段差異

  對于 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。而在移動通信網絡中,往往用于地面、建筑全覆蓋,大部分屬于地面網絡下的非視距通信通信。而這樣應用場景下的電磁波傳播的技術經驗和技術積累非常少。

  為此,需要從理論及實踐測試 2 個方面確定其空口損耗上的差異,以便更好地在鏈路預算評估及網絡建模仿真進行更為科學、合理地應用。

  2.2 自由空間損耗理論計算

  自由空間電磁波傳播損耗計算是電磁傳播計算的基礎,可由式(1)計算:

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  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,其能量既不會被障礙物所吸收,也不會產生反射、散射或折射等。其主要表明電磁波在理想空間傳播時能量擴散特征。

  在這樣條件限定下,顯然與目前 5G、4G 移動網絡環(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、阻擋反射等計算環(huán)境存在差異。

  而目前 5G 移動通信網絡多采用基于自由空間損耗公式來評估頻段差異,具體如下:

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  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,較多的鏈路級評估采用該值進行評估。顯然,其與實際電磁波傳播環(huán)境存在重大偏差。

  2.3 經驗傳播模型啟示

  基于大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征形成的經驗傳播模型是移動通信網絡規(guī)劃、設計、建設優(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 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行大量數(shù)據(jù)測試,基于數(shù)學統(tǒng)計,得出對無線信號傳播損耗進行估測的經驗模型。

  在 Okumura 模型的基礎上,以其市區(qū)傳播模型作為標準,對其他區(qū)域進行了修正,進一步提升預測的精確程度。形成了 Okumura-Hata 模型,其簡化表達式為:

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  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)機之間的距離( km) ;

  a(hm)移動終端天線高度修正函數(shù);Cclutter 為地貌修正函數(shù)??梢钥闯?,其由于頻率損耗特征公式為:

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

  基于理論計算和經驗模型可以得出 900MHz 與 1800MHz 網絡空口損耗不同算法理論計算值,如表 3 所示。

  表 3 900MHz 與 1800MHz 網絡空口損耗

  不同算法理論計算值

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  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,這與相關的理論分析結論一致。

  b)實際修正較 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,會相應增加修正系數(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,損耗較自由空間計算值將更大。

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

  e)由于該模型往往計算 1 km 外,目前 5G 重點 1 km 內,故測試應重點關注在 1 km 內,5G 特征覆蓋區(qū)域內的數(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 多基于試驗網絡進行拉網 /DT 測試,該方式將引入其他因素,導致結果偏差,具體如下。

  a)測試區(qū)域內,5G 與 4G 站點規(guī)模、位置、結構存在差異。

  b)同一站址的 5G 與 4G 站點掛高與具體安裝位置差異。

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

  以上因素,因為區(qū)域內站點往往量級較大,很難針對單點進行細致、精確地修正,同時測試手機接收性能差異也會影響結果的評估,而得出的 5G 與 4G 網絡覆蓋的差異,可以用來做簡要的評估,但無法進行鏈路級性能的計算。

  3.2 本文測試方法

  針對常規(guī)測試存在的問題,此次測試采用在同一位置架設同一高度的發(fā)射天線,并采用射頻功率計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。

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

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  圖 1 測試結構及設備方框圖

  在這樣的配置下,選擇在國內一線城市,確定 3 個站點進行測試,3 個站點均位于該城市城區(qū)范圍。

  在結果處理時,充分考慮不同頻段配置差異,并對數(shù)據(jù)進行嚴格地均化、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)量級統(tǒng)計

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  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 個具備代表性的站點,每個站點均進行了海量數(shù)據(jù)測采集,測試路線涵蓋站點下所有主要道路,滿足常規(guī)意義上 CW 測試無線環(huán)境及特征站點等相關要求。

  3.3 測試結果及分析

  針對以上 3 個站點的測試數(shù)據(jù),按照位置進行不同頻段柵格化均化,再按照均化后的位置與站點位置進行距離計算,最終得出距離站點不同位置下,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)處理按照每多個測點進行移動平均(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。

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  圖 2 站點 1 3500MHz 與 1800MHz 損耗與距離關系示意

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  圖 3 站點 2 3500MHz 與 1800MHz 損耗與距離關系示意

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  圖 4 站點 3 3500MHz 與 1800MHz 損耗與距離關系示意

  表 6 900MHz 與 1800MHz 口空

  損耗差異一覽

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  從圖 2~圖 4 以及表 5 可以得出:

  a)最終 3 個站點 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估及預算中。

  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。故從長遠來看,頻段影響估算或預算時可以直接采用 11.17 dB 的差值,而具體站點 / 扇區(qū)級的仿真預測,還應進行詳細的建模計算。

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

  04、總結

  本文詳細分析了 5G 3 500 MHz 與 4G 1 800 MHz 頻段損耗差異問題。針對該問題,本文結合理論分析與實際精準測試,給出 5G 與 4G 承載核心頻段帶來的空中損耗差異,供相關的方案規(guī)劃及設計參考。

 

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