5G移动通信系统的传播模型研究
杨光 陈锦浩
【摘 要】5G移动通信系统正在建立试验网，需要选择合适的传播模型对5G传播中的电磁波传播特性进行预估和测试。3GPP组织给通信行业提供的标准协议38.901中描述了5G移动通信应用环境下各种场景的适用传播模型。针对38.901中的5G传播模型进行分析，与4G 36.873传播模型进行对比，研究不同频率不同传播距离下的路径损耗规律，并提出路径损耗与覆盖距离的关系，为5G移动通信网络的建设规划和优化提供指导意见。
5G移动通信；传播模型；路径损耗
1 引言
对移动通信网络的通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围进行估算时，电磁波传播损耗是其中一个非常关键的参数。为了保证移动用户的通话和通信质量，确保基站覆盖服务区内的通信业务，通信基站在建站时，设计人员必须使用传播模型仔细地计算和仿真收发天线间的空口传播损耗。无线传播模型用于描述发射机到接收机间信号的传播行为，主要与射频信号收发天线间的距离及路径损耗有关。
针对不同的频段，选择合适的传播模型，对于5G通信系统的空口规划和硬件选型都很重要，这是频谱规划和组网的基础，有助于工程师预测特定站址在实际环境下的传播损耗，为网络规划及优化奠定基础。由于5G试验网刚刚开建，所能获取的相关有用数据非常有限，目前缺乏针对不同场景的合理传播模型。5G移动通信使用的频率在0.45 GHz—6 GHz和毫米波24.25 GHz以上，路径损耗、阴影衰减、穿透损耗、植被损耗、人体损耗、大气损耗、雨衰损耗等都会引起无线电波传播时的衰减损耗。
2G/3G/4G系统建站时，采用的传播模型大多是基于现有的常用经验传播模型，并在此基础上根据路测数据进行模型校正，以尽量准确地反映真实场景下的传播损耗。尽管可以通过模型校正使所采用的模型能够基本控制在要求的范围之内，然而由于不同传播模型的侧重点、适用场景以及参数选择等不完全一致，导致各个传播模型之间的结果校正后仍然存在较大差异[1]。因此，针对不同的地貌及环境特点，选用相应适宜的5G传播模型，尽可能准确地描述特定场景下的传播模型，这对于今后5G网络规划及优化的准确性将起到非常重要的作用。
2 自由空间传播模型简介
自由空间是相对介電常数及相对磁导率均为1的理想介质，电磁波能量不会损耗。自由空间传播损耗是指天线辐射的电磁波在视距路径中传播时，由于传播距离的不断增大引起的能量自然扩散现象。
自由空间传播损耗实际上是球面波的扩散损耗，其模型表示为[2]：
（1）
式（1）中，d是收发天线的间距，单位为km；λ指工作波长；f的单位是GHz；c是自由空间传播的光速，单位是m/s。
将上述公式转化为以频率为参数的dB形式，可得到：
（2）
从式（2）可以看出，电磁波频率f越大或者传播距离d越远，自由空间的传播损耗Lfs，dB就越大[3]，Lfs，dB越大说明接收端接收到的功率非常小。这个传播模型是自由空间中的理想情况，也是各种传播模型的基础公式。在实际通信应用规划和优化中，需要针对不同频率、不同场景进行模型优化、校正和预测，以得到符合实际通信应用场景的传播模型。
3 5G传播模型组织和文献
5G移动通信发展日新月异，大量组织和研究人员对5G移动通信无线传播模型展开研究，有4个主要组织各自发布了5G传播模型[4]，频率适用范围都是0.5 GHz—
100 GHz，分别是：
（1）3GPP。3GPP提供连续的工作进展报告，为5G行业提供国际标准，5G传播模型文档为3GPP TR 38.901-e30[5]，对应频率范围是0.5 GHz—100 GHz，最新版本发布于2017年12月（Release 14， V14.3.0）。3GPP另外还有3GPP TR 38.900 V14.3.1（2017-07）[6]，对应频率范围是6 GHz—100 GHz，并没有包含6 GHz以下的场景。
（2）5GCM（5G Channel Model）。5GCM是由15家公司和大学合作组成的特设小组，根据广泛的测量活动，对3GPP的开发模型进行补充和修正。5G传播模型文档[7]的最新版本发布于2016年10月。
（3）METIS 2020（Mobile and wireless communications Enable for the Twenty-twenty Information Society）。METIS 2020是由欧联赞助的大型研究项目组。5G传播模型文档[8]的最新版本发布于2016年6月。
（4）mmMAGIC。mmMAGIC是由欧联赞助的另外一个大型研究项目组。5G传播模型文档[9]的最新版本发布于2017年5月。
需要说明的是，5GCM、METIS 2020、mmMAGIC发布的传播模型，都是在3GPP发布的模型基础上进行校正的，适用于特定的场景和环境。而3GPP组织则根据5G组织的最新测试情况，对3GPP传播模型进行及时更新，以满足各种应用场景下的链路预算分析。
4 5G与4G传播模型对比
2G/3G/4G移动通信系统在网络规划和优化过程中，有不少通用的无线传播模型，其中Okumura-Hata和Cost231-Hata的应用非常广泛。
Okumura-Hata通信传播模型是日本科学家奥村（Okumura）通过对城市进行大量无线电波传播损耗的测量，得出了一系列经验曲线用于无线蜂窝网络的规划设计。在这些经验曲线的基础上，推出了简化的Hata模型。它的频率范围是150 MHz—1 000 MHz，适用于GSM900和CDMA。
COST231-Hata传播模型是欧洲研究委员会（COST231）在Okumura-Hata模型的基础上修正得出的，是在2 GHz频段的有效扩展。COST231-Hata模型的天线高度适用范围较大，在应用到不同类型的城市时均能达到预期的效果，因此，该模型适用于城区地貌及郊区的无线网络规划。它的频率范围是800 MHz—2 000 MHz，适用于GSM、DCS、CDMA、CDMA2000、LTE。
3GPP 36.873（V12.7.0）是3GPP组织推出的针对4G移动通信的传播模型，频率范围是2 GHz—6 GHz。3GPP 38.901（V14.3.0）是3GPP推出的针对5G移动通信的传播模型，频率范围是0.5 GHz—100 GHz。36.873和38.901适用场景包括城区微站（UMi，Urban Microcell）、城区宏站（UMa，Urban Macrocell）、农村（RMa，Rural Macrocell）以及室内热点（InH，Indoor Hotspot）。每个场景又分为视距（LOS，Line-of-Sight）和非视距（NLOS，non-Line-of-Sight）两种情况。
因篇幅所限，Okumura-Hata传播模型、COST231-Hata传播模型[10]、3GPP 36.873 LTE传播模型[11]、3GPP 38.901 5G传播模型[5]的公式，在此没有列出，详细公式请查相关参考文献。4种传播模型说明和对比如表1所示。
3GPP 36.873对基站高度、用户端高度、建筑物高度、街道宽度和传播距离都有描述，而3GPP 38.901对这些参数的描述还不够完备，说明随着5G系统试验网开始进行试点，3GPP 38.901中介绍的5G传播模型和预测的基本方法需要以大量的测试数据作为基础，并通过不同有效的经验模型予以修正。
5 5G传播模型路径损耗计算
传播模型中路径损耗的最大值是场景情况下能覆盖的最大距离的损耗。路径损耗值与场景环境、基站端配置、用户端配置以及穿透损耗、人体损耗、植被损耗、雨衰以及阴影衰落余量有关。根据路径损耗的最大值，使用传播模型公式，可以对覆盖范围进行路径损耗估算，为网络规划和优化提供参考。
统计表明，目前4G移动网络中超过80%的业务发生在室内场景，对应于3GPP协议传播模型中的NLOS情况。3GPP各种场景下都是0.5 GHz—100 GHz频率范围，以下使用3GPP 38.901的NLOS传播模型进行链路预算分析。
传播模型与基站高度、用户高度、建筑物高度和路面宽度都相关，下面的模型讨论都是基于相同场景下这些参数条件相同。
5.1 三种传播模型2.6 GHz路径损耗对比
对于2.6 GHz，NLOS场景下，COST231-Hata模型、3GPP 36.873模型以及3GPP 38.901模型在城区微站（UMi）、城区宏站（UMa）、农村（RMa）在5 000 m以内的NLOS路径损耗如图1所示。
从图1可以看出，3个场景下的不同模型，相同距离时的路径损耗值是有一定差异的，只有在城区宏站（UMa）场景时，3个传播模型的路径损耗趋势基本一致。
5.2 36.873和38.901传播模型3.5 GHz/28 GHz/39 GHz
路径损耗对比
传播模型36.873（3.5 GHz）和38.901（3.5 GHz、28 GHz、39 GHz），在城区微站（UMi）、城区宏站（UMa）、农村（RMa）应用场景下，距离与NLOS路径损耗的关系图如图2所示。
由图2可以看出NLOS场景下：
（1）在不同应用场景（UMi/UMa/RMa）下，相同距离下，传播频率越高，路径损耗衰减值越大。
（2）在3.5 GHz时：
1）城区微站（UMi）在模型36.873和38.901下计算结果有差异，起始距离10 m处，传播模型36.873比38.901路径损耗差值高约4.3 dB，并且随着距离增加，这个差值也增加。
2）城区宏站（UMa）在模型36.873和38.901下的计算结果一致性很高，曲线基本重合，在2 000 m以内的路径损耗差值不超过1 dB。
3）农村（RMa）场景下，36.873和38.901模型公式模型完全一样，路径损耗计算结果曲线重合。
（3）28 GHz与3.5 GHz对比，城区微站（UMi）、城区宏站（UMa）和农村（RMa）场景下时，相同距离下，28 GHz的路径损耗比3.5 GHz高约18～19 dB。
5.3 38.901传播模型路径损耗与距离的关系
各种场景下最大路径损耗增加或者减小，能增大或者缩小5G基站的覆盖半径。最大路径损耗每增加1 dB，小区覆盖半径增加的百分比关系如表2所示。
由表2可以看出，各场景下使用5G传播模型估算时：
（1）最大路径损耗约增加11.5 dB，小区覆盖半径约增加一倍，计算方法为（1+0.062）的11.5次方约等于2。
（2）最大路径损耗每增加5 dB，小区覆盖半径增加约33%，站间距（小区覆盖半径的1.5倍距离）增加一倍。
6 结束语
根据无线电传播特性及移动网络所处区域的地理环境，来选择恰当的传播模型将是5G网络规划建设中一个十分重要的环节。本文首先介绍了自由空间传播模型的理论公式，然后引出5G通信行业中的四个主要组织针对5G传播模型在不同场景下的模型公式。计算出4G和5G模型在城区微站、城区宏站和农村的路径损耗衰减对比图，并计算5G传播模型在各个场景下最大路径损耗增加1 dB时，小区覆盖范围增加的百分比。通过对5G移动通信网络的传播模型进行分析研究，希望能对5G移动通信网络建设有所帮助。
参考文献：
[1] 赵明峰. LTE传播模型浅析[J]. 电信科学， 2013（9）： 117-121.
[2] H T Friis. A note on a simple transmission formula[J]. Proc Ire， 1946，34（5）： 254-256.
[3] 王璇. 5G地面移動通信系统中电波传播若干问题[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2015.
[4] Theodore S， Rappaport， Yunchou Xing， et al. Overview of Millimeter Wave Communications for Fifth-Generation （5G） Wireless Networks With a Focus on Propagation Models[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION， 2017，65（12）： 6213-6230.
[5] 3GPP TR 38.901 V14.3.0. Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz （Release 14）[R]. 2017.
[6] 3GPP TR 38.900 V14.3.1. Study on channel model for frequency spectrum above 6 GHz （Release 14）[R]. 2017.
[7] 5GCM. 5G Channel Model for bands up to100 GHz
（ Revised Version）[R]. 2016.
[8] METIS 2020. Radio Propagation Modeling for 5G Mobile and Wireless Communications[Z]. 2016.
[9] mmMAGIC. Measurement Results and Final mmMAGIC Channel Models[Z]. 2017.
[10] 丁方乐. 移动通信网络规划中电磁波传播模型的选择和应用[J]. 中国无线电， 2005（2）： 35-37.
[11] 3GPP TR 36.873. Study on 3D channel model for LTE （Release 12）[R]. 2017.
【摘 要】5G移动通信系统正在建立试验网，需要选择合适的传播模型对5G传播中的电磁波传播特性进行预估和测试。3GPP组织给通信行业提供的标准协议38.901中描述了5G移动通信应用环境下各种场景的适用传播模型。针对38.901中的5G传播模型进行分析，与4G 36.873传播模型进行对比，研究不同频率不同传播距离下的路径损耗规律，并提出路径损耗与覆盖距离的关系，为5G移动通信网络的建设规划和优化提供指导意见。
5G移动通信；传播模型；路径损耗
1 引言
对移动通信网络的通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围进行估算时，电磁波传播损耗是其中一个非常关键的参数。为了保证移动用户的通话和通信质量，确保基站覆盖服务区内的通信业务，通信基站在建站时，设计人员必须使用传播模型仔细地计算和仿真收发天线间的空口传播损耗。无线传播模型用于描述发射机到接收机间信号的传播行为，主要与射频信号收发天线间的距离及路径损耗有关。
针对不同的频段，选择合适的传播模型，对于5G通信系统的空口规划和硬件选型都很重要，这是频谱规划和组网的基础，有助于工程师预测特定站址在实际环境下的传播损耗，为网络规划及优化奠定基础。由于5G试验网刚刚开建，所能获取的相关有用数据非常有限，目前缺乏针对不同场景的合理传播模型。5G移动通信使用的频率在0.45 GHz—6 GHz和毫米波24.25 GHz以上，路径损耗、阴影衰减、穿透损耗、植被损耗、人体损耗、大气损耗、雨衰损耗等都会引起无线电波传播时的衰减损耗。
2G/3G/4G系统建站时，采用的传播模型大多是基于现有的常用经验传播模型，并在此基础上根据路测数据进行模型校正，以尽量准确地反映真实场景下的传播损耗。尽管可以通过模型校正使所采用的模型能够基本控制在要求的范围之内，然而由于不同传播模型的侧重点、适用场景以及参数选择等不完全一致，导致各个传播模型之间的结果校正后仍然存在较大差异[1]。因此，针对不同的地貌及环境特点，选用相应适宜的5G传播模型，尽可能准确地描述特定场景下的传播模型，这对于今后5G网络规划及优化的准确性将起到非常重要的作用。
2 自由空间传播模型简介
自由空间是相对介電常数及相对磁导率均为1的理想介质，电磁波能量不会损耗。自由空间传播损耗是指天线辐射的电磁波在视距路径中传播时，由于传播距离的不断增大引起的能量自然扩散现象。
自由空间传播损耗实际上是球面波的扩散损耗，其模型表示为[2]：
（1）
式（1）中，d是收发天线的间距，单位为km；λ指工作波长；f的单位是GHz；c是自由空间传播的光速，单位是m/s。
将上述公式转化为以频率为参数的dB形式，可得到：
（2）
从式（2）可以看出，电磁波频率f越大或者传播距离d越远，自由空间的传播损耗Lfs，dB就越大[3]，Lfs，dB越大说明接收端接收到的功率非常小。这个传播模型是自由空间中的理想情况，也是各种传播模型的基础公式。在实际通信应用规划和优化中，需要针对不同频率、不同场景进行模型优化、校正和预测，以得到符合实际通信应用场景的传播模型。
3 5G传播模型组织和文献
5G移动通信发展日新月异，大量组织和研究人员对5G移动通信无线传播模型展开研究，有4个主要组织各自发布了5G传播模型[4]，频率适用范围都是0.5 GHz—
100 GHz，分别是：
（1）3GPP。3GPP提供连续的工作进展报告，为5G行业提供国际标准，5G传播模型文档为3GPP TR 38.901-e30[5]，对应频率范围是0.5 GHz—100 GHz，最新版本发布于2017年12月（Release 14， V14.3.0）。3GPP另外还有3GPP TR 38.900 V14.3.1（2017-07）[6]，对应频率范围是6 GHz—100 GHz，并没有包含6 GHz以下的场景。
（2）5GCM（5G Channel Model）。5GCM是由15家公司和大学合作组成的特设小组，根据广泛的测量活动，对3GPP的开发模型进行补充和修正。5G传播模型文档[7]的最新版本发布于2016年10月。
（3）METIS 2020（Mobile and wireless communications Enable for the Twenty-twenty Information Society）。METIS 2020是由欧联赞助的大型研究项目组。5G传播模型文档[8]的最新版本发布于2016年6月。
（4）mmMAGIC。mmMAGIC是由欧联赞助的另外一个大型研究项目组。5G传播模型文档[9]的最新版本发布于2017年5月。
需要说明的是，5GCM、METIS 2020、mmMAGIC发布的传播模型，都是在3GPP发布的模型基础上进行校正的，适用于特定的场景和环境。而3GPP组织则根据5G组织的最新测试情况，对3GPP传播模型进行及时更新，以满足各种应用场景下的链路预算分析。
4 5G与4G传播模型对比
2G/3G/4G移动通信系统在网络规划和优化过程中，有不少通用的无线传播模型，其中Okumura-Hata和Cost231-Hata的应用非常广泛。
Okumura-Hata通信传播模型是日本科学家奥村（Okumura）通过对城市进行大量无线电波传播损耗的测量，得出了一系列经验曲线用于无线蜂窝网络的规划设计。在这些经验曲线的基础上，推出了简化的Hata模型。它的频率范围是150 MHz—1 000 MHz，适用于GSM900和CDMA。
COST231-Hata传播模型是欧洲研究委员会（COST231）在Okumura-Hata模型的基础上修正得出的，是在2 GHz频段的有效扩展。COST231-Hata模型的天线高度适用范围较大，在应用到不同类型的城市时均能达到预期的效果，因此，该模型适用于城区地貌及郊区的无线网络规划。它的频率范围是800 MHz—2 000 MHz，适用于GSM、DCS、CDMA、CDMA2000、LTE。
3GPP 36.873（V12.7.0）是3GPP组织推出的针对4G移动通信的传播模型，频率范围是2 GHz—6 GHz。3GPP 38.901（V14.3.0）是3GPP推出的针对5G移动通信的传播模型，频率范围是0.5 GHz—100 GHz。36.873和38.901适用场景包括城区微站（UMi，Urban Microcell）、城区宏站（UMa，Urban Macrocell）、农村（RMa，Rural Macrocell）以及室内热点（InH，Indoor Hotspot）。每个场景又分为视距（LOS，Line-of-Sight）和非视距（NLOS，non-Line-of-Sight）两种情况。
因篇幅所限，Okumura-Hata传播模型、COST231-Hata传播模型[10]、3GPP 36.873 LTE传播模型[11]、3GPP 38.901 5G传播模型[5]的公式，在此没有列出，详细公式请查相关参考文献。4种传播模型说明和对比如表1所示。
3GPP 36.873对基站高度、用户端高度、建筑物高度、街道宽度和传播距离都有描述，而3GPP 38.901对这些参数的描述还不够完备，说明随着5G系统试验网开始进行试点，3GPP 38.901中介绍的5G传播模型和预测的基本方法需要以大量的测试数据作为基础，并通过不同有效的经验模型予以修正。
5 5G传播模型路径损耗计算
传播模型中路径损耗的最大值是场景情况下能覆盖的最大距离的损耗。路径损耗值与场景环境、基站端配置、用户端配置以及穿透损耗、人体损耗、植被损耗、雨衰以及阴影衰落余量有关。根据路径损耗的最大值，使用传播模型公式，可以对覆盖范围进行路径损耗估算，为网络规划和优化提供参考。
统计表明，目前4G移动网络中超过80%的业务发生在室内场景，对应于3GPP协议传播模型中的NLOS情况。3GPP各种场景下都是0.5 GHz—100 GHz频率范围，以下使用3GPP 38.901的NLOS传播模型进行链路预算分析。
传播模型与基站高度、用户高度、建筑物高度和路面宽度都相关，下面的模型讨论都是基于相同场景下这些参数条件相同。
5.1 三种传播模型2.6 GHz路径损耗对比
对于2.6 GHz，NLOS场景下，COST231-Hata模型、3GPP 36.873模型以及3GPP 38.901模型在城区微站（UMi）、城区宏站（UMa）、农村（RMa）在5 000 m以内的NLOS路径损耗如图1所示。
从图1可以看出，3个场景下的不同模型，相同距离时的路径损耗值是有一定差异的，只有在城区宏站（UMa）场景时，3个传播模型的路径损耗趋势基本一致。
5.2 36.873和38.901传播模型3.5 GHz/28 GHz/39 GHz
路径损耗对比
传播模型36.873（3.5 GHz）和38.901（3.5 GHz、28 GHz、39 GHz），在城区微站（UMi）、城区宏站（UMa）、农村（RMa）应用场景下，距离与NLOS路径损耗的关系图如图2所示。
由图2可以看出NLOS场景下：
（1）在不同应用场景（UMi/UMa/RMa）下，相同距离下，传播频率越高，路径损耗衰减值越大。
（2）在3.5 GHz时：
1）城区微站（UMi）在模型36.873和38.901下计算结果有差异，起始距离10 m处，传播模型36.873比38.901路径损耗差值高约4.3 dB，并且随着距离增加，这个差值也增加。
2）城区宏站（UMa）在模型36.873和38.901下的计算结果一致性很高，曲线基本重合，在2 000 m以内的路径损耗差值不超过1 dB。
3）农村（RMa）场景下，36.873和38.901模型公式模型完全一样，路径损耗计算结果曲线重合。
（3）28 GHz与3.5 GHz对比，城区微站（UMi）、城区宏站（UMa）和农村（RMa）场景下时，相同距离下，28 GHz的路径损耗比3.5 GHz高约18～19 dB。
5.3 38.901传播模型路径损耗与距离的关系
各种场景下最大路径损耗增加或者减小，能增大或者缩小5G基站的覆盖半径。最大路径损耗每增加1 dB，小区覆盖半径增加的百分比关系如表2所示。
由表2可以看出，各场景下使用5G传播模型估算时：
（1）最大路径损耗约增加11.5 dB，小区覆盖半径约增加一倍，计算方法为（1+0.062）的11.5次方约等于2。
（2）最大路径损耗每增加5 dB，小区覆盖半径增加约33%，站间距（小区覆盖半径的1.5倍距离）增加一倍。
6 结束语
根据无线电传播特性及移动网络所处区域的地理环境，来选择恰当的传播模型将是5G网络规划建设中一个十分重要的环节。本文首先介绍了自由空间传播模型的理论公式，然后引出5G通信行业中的四个主要组织针对5G传播模型在不同场景下的模型公式。计算出4G和5G模型在城区微站、城区宏站和农村的路径损耗衰减对比图，并计算5G传播模型在各个场景下最大路径损耗增加1 dB时，小区覆盖范围增加的百分比。通过对5G移动通信网络的传播模型进行分析研究，希望能对5G移动通信网络建设有所帮助。
参考文献：
[1] 赵明峰. LTE传播模型浅析[J]. 电信科学， 2013（9）： 117-121.
[2] H T Friis. A note on a simple transmission formula[J]. Proc Ire， 1946，34（5）： 254-256.
[3] 王璇. 5G地面移動通信系统中电波传播若干问题[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2015.
[4] Theodore S， Rappaport， Yunchou Xing， et al. Overview of Millimeter Wave Communications for Fifth-Generation （5G） Wireless Networks With a Focus on Propagation Models[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION， 2017，65（12）： 6213-6230.
[5] 3GPP TR 38.901 V14.3.0. Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz （Release 14）[R]. 2017.
[6] 3GPP TR 38.900 V14.3.1. Study on channel model for frequency spectrum above 6 GHz （Release 14）[R]. 2017.
[7] 5GCM. 5G Channel Model for bands up to100 GHz
（ Revised Version）[R]. 2016.
[8] METIS 2020. Radio Propagation Modeling for 5G Mobile and Wireless Communications[Z]. 2016.
[9] mmMAGIC. Measurement Results and Final mmMAGIC Channel Models[Z]. 2017.
[10] 丁方乐. 移动通信网络规划中电磁波传播模型的选择和应用[J]. 中国无线电， 2005（2）： 35-37.
[11] 3GPP TR 36.873. Study on 3D channel model for LTE （Release 12）[R]. 2017.
