5G传播模型分析
江巧捷 林衡华 岳胜
【摘 要】围绕如何选取5G传播模型，以解决高频段覆盖规划现有传播模型无法使用的问题，分析了5G频段的使用情况，研究了几种常用传播模型的适用范围，对比分析了3GPP定义的两种UMa模型，通过传播模型校正对传播模型进行验证，提出5G传播模型使用的建议，为5G覆盖规划提供参考。
频谱；传播模型；UMa模型
1 引言
覆盖规划是无线网络规划中的重要一环，主要通过链路预算测算出满足网络覆盖要求的最大路径损耗（MAPL），根据MAPL利用传播模型测算出站点的覆盖半径，从而测算出覆盖区域内需要的站址数量。传播模型反映了相应频段的无线信号衰减特性，是覆盖规划中的重要输入。
相较于4G频谱主要集中在3.5 GHz以下，5G频谱多使用高于3.3 GHz的高频。高频段信号传播中衍射能力更弱，散射发生情况更多，现有中低频传播模型已经无法满足5G覆盖规划需求。本文分析了5G频段的使用情況，对比分析了3GPP定义的两种UMa模型，通过传播模型校正对传播模型进行对比验证，提出5G传播模型的使用建议。
2 5G频谱定义
2.1 协议定义5G频谱
根据3GPP协议TS38.101可知：5G频段可以分为两部分，第一部分为低频450 MHz—6 000 MHz频段；第二部分为高频24 250 MHz—52 600 MHz。
相较于4G频段编号，5G频段编号采用n+数字序号方式进行编号，相同频段数字序号沿用4G序号，同时对部分重叠的频段进行了合并。
双工模式在原FDD、TDD两种模式情况下新增了SUL（补充上行）和SDL（补充下行）两种模式作为5G覆盖的补充，提升5G覆盖范围。
3 300 MHz以下频段带宽绝大部分均小于100 MHz，针对未来5G特别是eMBB业务部署需要100 MHz频段情况可知，未来5G部署的主要频段将会大于3 300 MHz。
现阶段高频段划分为4个频带，频率均高于24 GHz，波长为毫米级。
各频段带宽较充裕，均大于800 MHz，频率资源充足，可以作为未来5G部署的容量补充解决热点区域容量问题。
2.2 我国5G频谱规划情况
2016年8月我国发布国家无线电管理规划（2016～
2020年），指出为IMT-2020（5G）储备不低于500 MHz
的频谱资源。2017年6月，工信部先后发布5G频谱规划。
低频：3.3 GHz—3.4 GHz、3.4 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5 GHz频段已经确定为中国6 GHz以下低频新增频段。
高频：工信部于2017年6月18日公开征集在毫米波频段规划第五代移动通信系统使用频率的意见，征集24.75 GHz—27.5 GHz频段以及37 GHz—42.5 GHz频段规划意见。
2016年1月，工信部已确定3.4 GHz—3.6 GHz频段用于北京和深圳两地5G技术试验，以验证5G关键技术性能。2017年7月14日，工信部首次批复了毫米波频段资源的申请，将4.8 GHz—5.0 GHz（200 MHz）、24.75 GHz—27.5 GHz（2.75 GHz）和37 GHz—42.5 GHz（5.5 GHz）频段用于我国5G技术研发试验，试验地点为中国信通院MTNet试验室以及北京怀柔、顺义的5G技术试验外场。
现有低频段主要集中于3.3 GHz—3.4 GHz、3.4 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5 GHz三个频段，从三个频段的特点可知，3.3 GHz—3.4 GHz由于与无线电定位业务共存，未来将主要部署于室内；3.4 GHz—3.6 GHz频段与卫星固定业务存在一定干扰，需要考虑对卫星的保护，但该产业成熟度比较高，是现在5G试验的主力频段，未来将是5G部署的核心频段；4.8 GHz—5 GHz与射电天文业务存在干扰且产业成熟度较弱，是后期室外部署的补充频段。我国5G频谱低频段情况如表1所示：
3 传播模型分析
3.1 无线信号传播特点
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），此时的传播方式主要为反射、衍射（绕射）或者散射。障碍物的几何形状决定了将发生这三种现象中的哪一种。
无线信号传播中的“反射”与其他电磁波（如光或声音）的反射相同。电磁波遇到尺寸大于信号平均波长的光滑障碍物而发生的信号方向改变，反射对电磁波能量造成的损失较小。
当电磁波在传播过程中遇到障碍物或者透过屏幕上的小孔时，会出现偏离原来入射方向的出射电磁波，这种现象称为衍射。带有锐边的物体（包括墙壁和桌子的角）会导致衍射。随着频段的增加，电磁波衍射能力越来越差。
“散射”是信号在许多不同方向上扩散或反射。散射发生在一个无线信号遇到尺寸比信号的波长更小的物体时。散射还与无线信号遇到的表面的粗糙度有关，表面越粗糙，信号遇到该表面时就越容易发生散射。在户外，树木和路标都会导致移动电话信号发生散射。
3.2 传播模型介绍
无线传播模型是为了更好更准确地研究无线传播而设计出来的一种模型。在无线网络规划中，传播模型主要分两种：一种是直接应用电磁理论计算出来的确定性模型，如射线跟踪模型；一种是基于大量测量数据的统计型模型，如Okumura-Hata、COST231 Hata、SPM、标准宏小区模型、UMa、Umi、RMa等。
确定性模型对于信号预测准确度较高，但是其对计算条件要求高：一般需要高精度三维电子地图，计算量较大，计算周期较长，确定性模型一般用于仿真预测。
统计型模型是一种比较成熟的数学公式，影响电磁波传播的一些主要因素，如天线挂高、频率、收发天线间距离、地物类型等都以变量函数在路径损耗公式中反映出来。统计型模型计算比较简单，但是模型各参数的适用范围有一定的局限性，需要对模型进行校正。
3.3 现有传播模型及存在的问题
在实际网络规划中，特别是在覆盖规划中常用的传播模型为Okumura-Hata、COST231-Hata、SPM、UMa等统计型模型。
（1）Okumura-Hata模型
Okumura-Hata模型在900 MHz GSM中得到了广泛应用，适用于宏蜂窝的路径损耗预测。Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在150 MHz到1 500 MHz之间，适用于小区半径大于1 km的宏蜂窝系统，基站有效天线高度在30 m到200 m之间，终端有效天线高度在0 m到1.5 m之间。
（2）COST231-Hata模型
COST231-Hata模型是EURO-COST组成的COST工作委员会开发的Hata模型的扩展版本，应用频率在1.5 GHz到2 GHz之间，适用于小区半径大于1 km的宏蜂窩系统，发射有效天线高度在30 m到200 m之间，接收有效天线高度在1 m到10 m之间。
（3）SPM模型
SPM（Stadard Propagation Model）模型应用频率在150 MHz到3 500 MHz之间，适用小区半径在1 km到20 km的宏蜂窝系统。
从适用频段可知，Okumura-Hata、COST231-Hata适用频段和SPM适用频段均小于2 GHz，SPM模型最高适用频段为3.5 GHz，由于5G主要频段在3.3 GHz以上，Okumura-Hata、COST231-Hata已经不能适用5G高频段，SPM也仅仅适用于3.5 GHz以下部分5G频段。随着频率的升高，无线信号在传播过程中的衍射能力越来越差，受到周围建筑物和道路的影响越来越大，现有传播模型仅仅考虑频率、天线挂高、接收高度、衍射损耗、距离等因素，但是建筑物高度、街道宽度等对高频段信号传播也有一定影响，这与现有传播模型存在一定的差异。
4 UMa模型分析
UMa模型是3GPP协议中定义的一种适合于高频的传播模型，适用频率在0.8 GHz到100 GHz之间，适用小区半径在10 m到5 000 m的宏蜂窝系统。
4.1 UMa模型定义
3GPP协议36.873和38.900均对UMa进行了定义，36.873的定义如表2所示。
在38.900中Uma模型针对36.873中UMa模型进行了简化，其定义如表3所示。
38.900中UMa模型与平均建筑物高度W、平均街道宽度h无关，仅与使用频率、接收天线高度、天线间距离有关，适用于天线挂高为25 m的场景。
4.2 平均建筑物高度与街道宽度设置
针对36.873定义的UMa模型，平均建筑物高度h、平均街道宽度W为新参数，两参数均为覆盖范围内建筑物形态的描述。
从模型定义可知，视距传播损耗（LOS）与h和W没关系，非视距传播损耗（NLOS）与h和W有关系。图1为h、W拟合对比曲线。
从传播模型定义和拟合曲线可知：
h与路径损耗成正比，h越大路径损耗越大，h越小路径损耗越小。W与路径损耗成反比，W越大路径损耗越小，W越小路径损耗越大。
h与W参数对路径损耗均有影响，特别是h对路径损耗影响更大，需要根据各覆盖场景的实际情况进行设置。
平均建筑物高度为覆盖范围内建筑物的加权平均高度，其计算公式如下：
（1）
其中，Si为第i个建筑物水平面面积，hi为第i个建筑物高度。
在实际使用中通过高精度电子地图可以计算出覆盖范围内各建筑物的水平面面积和相应建筑物高度，从而可以计算出覆盖范围内建筑物的平均高度。
平均街道宽度W为覆盖范围内各街道（含各建筑物间距离），其计算公式如下：
（2）
其中，Wi为第i条街道（建筑物间）宽度。
在实际使用中建议采用抽样方法对覆盖范围内的部分街道进行抽样。
5 传播模型验证
根据前文的分析，5G现在使用的3.5 GHz频段可以使用SPM和UMa两种传播模型，为了验证两种传播模型的适用情况，本次选取了XX市密集市区场景进行传播模型校正。
经测算该区域内平均建筑物高度为41 m，街道宽度为20 m，假设基站天线挂高为25 m，手机接收高度为1.5 m，将校正后SPM与两种定义UMa模型进行拟合，结果如图2所示。
从拟合曲线可知，两种定义的UMa模型视距传播损耗（LOS）重合；对于非视距传播损耗（NLOS）36.873定义UMa传播模型预测路损最大，校正后的SPM模型次之，38.900定义UMa模型最乐观。36.873定义UMa与校正后SPM相差较小，可以作为覆盖预测中使用的传播模型。
6 结束语
3.4 GHz—3.6 GHz频段与卫星固定业务存在一定干扰，需要考虑对卫星的保护，但该产业成熟度比较高，是现在5G试验的主力频段，未来将会成为5G部署的核心频段。
由于5G使用高频段，现有传播模型无法满足要求，建议在3.5 GHz以下频段使用校正后SPM模型或38.673定义UMa模型；在大于3.5 GHz频段建议使用38.673定义UMa模型。同时UMa模型使用中需要针对相应建筑物及道路情况测算覆盖范围平均建筑物高度和道路宽度使传播模型更能体现实际的传播特性。
参考文献：
[1] 3GPP TS 38.101-1 V15.2.0. User Equipment （UE） radio transmission and reception； Part 1： Range 1 Standalone （Release 15）[S]. 2018.
[2] 3GPP TS 38.101-2 V15.2.0. User Equipment （UE） radio transmission and reception； Part 2： Range 2 Standalone （Release 15）[S]. 2018.
[3] 3GPP TS 36.101 V15.3.0. User Equipment （UE） radio transmission and reception（Release 15）[S]. 2018.
[4] 3GPP TR 38.900 V14.3.1. Study on channel model for frequency spectrum above 6 GHz （Release 14）[R]. 2017.
[5] 3GPP TR 36.873 V12.7.0. Study on 3D channel model for LTE （Release 12）[R]. 2017.
[6] Atoll 3.1.2. 传播模型校正手册[Z]. 2013.
[7] 张华，李懿，尧文彬，等. 2.6 GHz频段传播模型校正及分析[J]. 电信工程技术与标准化， 2011，24（9）： 5-8.
【摘 要】围绕如何选取5G传播模型，以解决高频段覆盖规划现有传播模型无法使用的问题，分析了5G频段的使用情况，研究了几种常用传播模型的适用范围，对比分析了3GPP定义的两种UMa模型，通过传播模型校正对传播模型进行验证，提出5G传播模型使用的建议，为5G覆盖规划提供参考。
频谱；传播模型；UMa模型
1 引言
覆盖规划是无线网络规划中的重要一环，主要通过链路预算测算出满足网络覆盖要求的最大路径损耗（MAPL），根据MAPL利用传播模型测算出站点的覆盖半径，从而测算出覆盖区域内需要的站址数量。传播模型反映了相应频段的无线信号衰减特性，是覆盖规划中的重要输入。
相较于4G频谱主要集中在3.5 GHz以下，5G频谱多使用高于3.3 GHz的高频。高频段信号传播中衍射能力更弱，散射发生情况更多，现有中低频传播模型已经无法满足5G覆盖规划需求。本文分析了5G频段的使用情況，对比分析了3GPP定义的两种UMa模型，通过传播模型校正对传播模型进行对比验证，提出5G传播模型的使用建议。
2 5G频谱定义
2.1 协议定义5G频谱
根据3GPP协议TS38.101可知：5G频段可以分为两部分，第一部分为低频450 MHz—6 000 MHz频段；第二部分为高频24 250 MHz—52 600 MHz。
相较于4G频段编号，5G频段编号采用n+数字序号方式进行编号，相同频段数字序号沿用4G序号，同时对部分重叠的频段进行了合并。
双工模式在原FDD、TDD两种模式情况下新增了SUL（补充上行）和SDL（补充下行）两种模式作为5G覆盖的补充，提升5G覆盖范围。
3 300 MHz以下频段带宽绝大部分均小于100 MHz，针对未来5G特别是eMBB业务部署需要100 MHz频段情况可知，未来5G部署的主要频段将会大于3 300 MHz。
现阶段高频段划分为4个频带，频率均高于24 GHz，波长为毫米级。
各频段带宽较充裕，均大于800 MHz，频率资源充足，可以作为未来5G部署的容量补充解决热点区域容量问题。
2.2 我国5G频谱规划情况
2016年8月我国发布国家无线电管理规划（2016～
2020年），指出为IMT-2020（5G）储备不低于500 MHz
的频谱资源。2017年6月，工信部先后发布5G频谱规划。
低频：3.3 GHz—3.4 GHz、3.4 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5 GHz频段已经确定为中国6 GHz以下低频新增频段。
高频：工信部于2017年6月18日公开征集在毫米波频段规划第五代移动通信系统使用频率的意见，征集24.75 GHz—27.5 GHz频段以及37 GHz—42.5 GHz频段规划意见。
2016年1月，工信部已确定3.4 GHz—3.6 GHz频段用于北京和深圳两地5G技术试验，以验证5G关键技术性能。2017年7月14日，工信部首次批复了毫米波频段资源的申请，将4.8 GHz—5.0 GHz（200 MHz）、24.75 GHz—27.5 GHz（2.75 GHz）和37 GHz—42.5 GHz（5.5 GHz）频段用于我国5G技术研发试验，试验地点为中国信通院MTNet试验室以及北京怀柔、顺义的5G技术试验外场。
现有低频段主要集中于3.3 GHz—3.4 GHz、3.4 GHz—3.6 GHz和4.8 GHz—5 GHz三个频段，从三个频段的特点可知，3.3 GHz—3.4 GHz由于与无线电定位业务共存，未来将主要部署于室内；3.4 GHz—3.6 GHz频段与卫星固定业务存在一定干扰，需要考虑对卫星的保护，但该产业成熟度比较高，是现在5G试验的主力频段，未来将是5G部署的核心频段；4.8 GHz—5 GHz与射电天文业务存在干扰且产业成熟度较弱，是后期室外部署的补充频段。我国5G频谱低频段情况如表1所示：
3 传播模型分析
3.1 无线信号传播特点
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），此时的传播方式主要为反射、衍射（绕射）或者散射。障碍物的几何形状决定了将发生这三种现象中的哪一种。
无线信号传播中的“反射”与其他电磁波（如光或声音）的反射相同。电磁波遇到尺寸大于信号平均波长的光滑障碍物而发生的信号方向改变，反射对电磁波能量造成的损失较小。
当电磁波在传播过程中遇到障碍物或者透过屏幕上的小孔时，会出现偏离原来入射方向的出射电磁波，这种现象称为衍射。带有锐边的物体（包括墙壁和桌子的角）会导致衍射。随着频段的增加，电磁波衍射能力越来越差。
“散射”是信号在许多不同方向上扩散或反射。散射发生在一个无线信号遇到尺寸比信号的波长更小的物体时。散射还与无线信号遇到的表面的粗糙度有关，表面越粗糙，信号遇到该表面时就越容易发生散射。在户外，树木和路标都会导致移动电话信号发生散射。
3.2 传播模型介绍
无线传播模型是为了更好更准确地研究无线传播而设计出来的一种模型。在无线网络规划中，传播模型主要分两种：一种是直接应用电磁理论计算出来的确定性模型，如射线跟踪模型；一种是基于大量测量数据的统计型模型，如Okumura-Hata、COST231 Hata、SPM、标准宏小区模型、UMa、Umi、RMa等。
确定性模型对于信号预测准确度较高，但是其对计算条件要求高：一般需要高精度三维电子地图，计算量较大，计算周期较长，确定性模型一般用于仿真预测。
统计型模型是一种比较成熟的数学公式，影响电磁波传播的一些主要因素，如天线挂高、频率、收发天线间距离、地物类型等都以变量函数在路径损耗公式中反映出来。统计型模型计算比较简单，但是模型各参数的适用范围有一定的局限性，需要对模型进行校正。
3.3 现有传播模型及存在的问题
在实际网络规划中，特别是在覆盖规划中常用的传播模型为Okumura-Hata、COST231-Hata、SPM、UMa等统计型模型。
（1）Okumura-Hata模型
Okumura-Hata模型在900 MHz GSM中得到了广泛应用，适用于宏蜂窝的路径损耗预测。Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在150 MHz到1 500 MHz之间，适用于小区半径大于1 km的宏蜂窝系统，基站有效天线高度在30 m到200 m之间，终端有效天线高度在0 m到1.5 m之间。
（2）COST231-Hata模型
COST231-Hata模型是EURO-COST组成的COST工作委员会开发的Hata模型的扩展版本，应用频率在1.5 GHz到2 GHz之间，适用于小区半径大于1 km的宏蜂窩系统，发射有效天线高度在30 m到200 m之间，接收有效天线高度在1 m到10 m之间。
（3）SPM模型
SPM（Stadard Propagation Model）模型应用频率在150 MHz到3 500 MHz之间，适用小区半径在1 km到20 km的宏蜂窝系统。
从适用频段可知，Okumura-Hata、COST231-Hata适用频段和SPM适用频段均小于2 GHz，SPM模型最高适用频段为3.5 GHz，由于5G主要频段在3.3 GHz以上，Okumura-Hata、COST231-Hata已经不能适用5G高频段，SPM也仅仅适用于3.5 GHz以下部分5G频段。随着频率的升高，无线信号在传播过程中的衍射能力越来越差，受到周围建筑物和道路的影响越来越大，现有传播模型仅仅考虑频率、天线挂高、接收高度、衍射损耗、距离等因素，但是建筑物高度、街道宽度等对高频段信号传播也有一定影响，这与现有传播模型存在一定的差异。
4 UMa模型分析
UMa模型是3GPP协议中定义的一种适合于高频的传播模型，适用频率在0.8 GHz到100 GHz之间，适用小区半径在10 m到5 000 m的宏蜂窝系统。
4.1 UMa模型定义
3GPP协议36.873和38.900均对UMa进行了定义，36.873的定义如表2所示。
在38.900中Uma模型针对36.873中UMa模型进行了简化，其定义如表3所示。
38.900中UMa模型与平均建筑物高度W、平均街道宽度h无关，仅与使用频率、接收天线高度、天线间距离有关，适用于天线挂高为25 m的场景。
4.2 平均建筑物高度与街道宽度设置
针对36.873定义的UMa模型，平均建筑物高度h、平均街道宽度W为新参数，两参数均为覆盖范围内建筑物形态的描述。
从模型定义可知，视距传播损耗（LOS）与h和W没关系，非视距传播损耗（NLOS）与h和W有关系。图1为h、W拟合对比曲线。
从传播模型定义和拟合曲线可知：
h与路径损耗成正比，h越大路径损耗越大，h越小路径损耗越小。W与路径损耗成反比，W越大路径损耗越小，W越小路径损耗越大。
h与W参数对路径损耗均有影响，特别是h对路径损耗影响更大，需要根据各覆盖场景的实际情况进行设置。
平均建筑物高度为覆盖范围内建筑物的加权平均高度，其计算公式如下：
（1）
其中，Si为第i个建筑物水平面面积，hi为第i个建筑物高度。
在实际使用中通过高精度电子地图可以计算出覆盖范围内各建筑物的水平面面积和相应建筑物高度，从而可以计算出覆盖范围内建筑物的平均高度。
平均街道宽度W为覆盖范围内各街道（含各建筑物间距离），其计算公式如下：
（2）
其中，Wi为第i条街道（建筑物间）宽度。
在实际使用中建议采用抽样方法对覆盖范围内的部分街道进行抽样。
5 传播模型验证
根据前文的分析，5G现在使用的3.5 GHz频段可以使用SPM和UMa两种传播模型，为了验证两种传播模型的适用情况，本次选取了XX市密集市区场景进行传播模型校正。
经测算该区域内平均建筑物高度为41 m，街道宽度为20 m，假设基站天线挂高为25 m，手机接收高度为1.5 m，将校正后SPM与两种定义UMa模型进行拟合，结果如图2所示。
从拟合曲线可知，两种定义的UMa模型视距传播损耗（LOS）重合；对于非视距传播损耗（NLOS）36.873定义UMa传播模型预测路损最大，校正后的SPM模型次之，38.900定义UMa模型最乐观。36.873定义UMa与校正后SPM相差较小，可以作为覆盖预测中使用的传播模型。
6 结束语
3.4 GHz—3.6 GHz频段与卫星固定业务存在一定干扰，需要考虑对卫星的保护，但该产业成熟度比较高，是现在5G试验的主力频段，未来将会成为5G部署的核心频段。
由于5G使用高频段，现有传播模型无法满足要求，建议在3.5 GHz以下频段使用校正后SPM模型或38.673定义UMa模型；在大于3.5 GHz频段建议使用38.673定义UMa模型。同时UMa模型使用中需要针对相应建筑物及道路情况测算覆盖范围平均建筑物高度和道路宽度使传播模型更能体现实际的传播特性。
参考文献：
[1] 3GPP TS 38.101-1 V15.2.0. User Equipment （UE） radio transmission and reception； Part 1： Range 1 Standalone （Release 15）[S]. 2018.
[2] 3GPP TS 38.101-2 V15.2.0. User Equipment （UE） radio transmission and reception； Part 2： Range 2 Standalone （Release 15）[S]. 2018.
[3] 3GPP TS 36.101 V15.3.0. User Equipment （UE） radio transmission and reception（Release 15）[S]. 2018.
[4] 3GPP TR 38.900 V14.3.1. Study on channel model for frequency spectrum above 6 GHz （Release 14）[R]. 2017.
[5] 3GPP TR 36.873 V12.7.0. Study on 3D channel model for LTE （Release 12）[R]. 2017.
[6] Atoll 3.1.2. 传播模型校正手册[Z]. 2013.
[7] 张华，李懿，尧文彬，等. 2.6 GHz频段传播模型校正及分析[J]. 电信工程技术与标准化， 2011，24（9）： 5-8.
