5G传播损耗及链路预算
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作者:赵伟康
【摘要】 本文研究了不同频率下5G传播损耗随路径的关系，以及不同频率、材质对穿透损耗的影响。并进一步通过链路预算分析，提供了3.5G频率下不同场景和边缘速率对站间距的要求，为5G无线网络规划提供参考。
【关键词】 5G 传播模型 链路预算 穿透损耗 路径损耗
一、前言
无线网络规划是5G部署的重要一环，而对5G基站的覆盖预测又决定了5G网络的部署方法与规模。传播模型反映了相应频段的无线信号在不同环境传播损耗的情况，是覆盖规划中的重要输入。3GPP 38.901文档提供了最新的适用于0.5GHz-100GHz频率范围内的5G传播模型，其包含视距&非视距概率传播模型、大尺度空间损耗模型以及穿透损耗模型。
在5G覆盖规划中，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，根据最大允许路径损耗，利用传播模型测算出站点的覆盖半径。本文通过研究5G传播模型，并结合链路预算，讨论分析了不同频率下5G信号的损耗情况，给出了不同边缘速率要求下站间距参考。
二、5G传播损耗
2.1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。3GPP 38.901文档定义了适用于5G的0.5-100GHz频率范围内空间损耗与距离的统计类数学模型，具体公式可查相关文档。本文通过MATLAB仿真，分别获得了城区宏站（UMa），以及郊区宏站（RMa）场景在各个频段下路径损耗随距离的变化关系。
图1展示了城区宏站不同频率损耗与距离的变化关系。由结果所示，频率越高，损耗越大。2.6GHz，3.5GHz与4.9GHz路径损耗各相差约3dB; 毫米波频段28GHz路径损耗相比3.5GHz要高约18dB左右。图2展示了郊区宏站不同频率损耗与距离的变化关系，结果类似于城区宏站。RMa农村场景，700MHz相比于3.5GHz，有约11dB损耗优势，可大大减少建站成本;2.6GHz，3.5GHz与4.9GHz路径损耗各相差约2dB;农村场景28GHz路径损耗相比于城区UMa场景要低约23dB。
2.2穿透损耗
穿透损耗是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。3GPP 38.901 定义了5G穿透损耗模型，包含针对不同材质的模型。表1为5G穿透损耗模型在不同频率、材料下损耗值。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20dB;玻璃，木制在C波段随频率增大，损耗增加并不明显，只有零点几dB;混凝土材质对频率上升尤其敏感，28G下损耗已达到117dB。
三、链路预算
5G和4G链路预算在基本概念上无差别，但5G引入了人体遮挡损耗、树木损耗、雨雪衰衰耗（尤其是mmWave）的影响。整体路径损耗计算如下公式：
路径损耗（dB）=基站发射功率（dBm）-10×log10（子载波数） + 基站天线增益（dBi）-基站馈线损耗（dB）-穿透损耗（dB）-植被损耗（dB） - 人体遮挡损耗（dB） - 干扰余量 （dB） - 雨/冰雪余量（dB-慢衰落余量（dB） - 人体损耗（dB） + UE天线增益（dB） - 热噪声功率（dBm） - UE 噪声系数（dB） - 解调门限 SINR （dB）
对于5G链路预算，首先要根据三大业务以及四类场景，确定设备选型，以及明确业务速率要求。根据设备选型以及边缘速率要求获得进行链路预算的各项参数（例如 发射功率，接收机灵敏度，天线增益等、解调门限SINR），然后对于5G传播模型路径损耗与距离的关系，最终求得最大允许路径损耗。
图3、4分别展示了3.5G频率下密集城区上下行路损对比以及站间距对比。由结果分析可知，5G上行路损小于下行，上行受限，站间距应以满足上行覆盖要求为准。密集城区满足上行5M，站间距230米;上行10M，站间距小于200米，站间距要求远高于4G要求。建网初期可考虑满足上行2M，下行50M，站间距312米。后期逐步提升边缘速率。郊区满足上行1M，站间距可达1500米。若满足上行5M，站间距则小于1000米。
四、结束语
本文通过进行5G传播损耗以及链路预算分析，研究了不同频率下5G路径损耗的差异，并给出了3.5G频率下上下行路损以及不同边缘速率下站间距建议，为5G无线网络规划提供了参考。
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。3GPP 38.901文档定义了适用于5G的0.5-100GHz频率范围内空间损耗与距离的统计类数学模型，具体公式可查相关文档。本文通过MATLAB仿真，分别获得了城区宏站（UMa），以及郊区宏站（RMa）场景在各个频段下路径损耗随距离的变化关系。
图1展示了城区宏站不同频率损耗与距离的变化关系。由结果所示，频率越高，损耗越大。2.6GHz，3.5GHz與4.9GHz路径损耗各相差约3dB; 毫米波频段28GHz路径损耗相比3.5GHz要高约18dB左右。图2展示了郊区宏站不同频率损耗与距离的变化关系，结果类似于城区宏站。RMa农村场景，700MHz相比于3.5GHz，有约11dB损耗优势，可大大减少建站成本;2.6GHz，3.5GHz与4.9GHz路径损耗各相差约2dB;农村场景28GHz路径损耗相比于城区UMa场景要低约23dB。
穿透损耗是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。3GPP 38.901 定义了5G穿透损耗模型，包含针对不同材质的模型。表1为5G穿透损耗模型在不同频率、材料下损耗值。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20dB;玻璃，木制在C波段随频率增大，损耗增加并不明显，只有零点几dB;混凝土材质对频率上升尤其敏感，28G下损耗已达到117dB。
3 链路预算
5G和4G链路预算在基本概念上无差别，但5G引入了人体遮挡损耗、树木损耗、雨雪衰衰耗（尤其是mmWave）的影响。整体路径损耗计算如下公式：
路径损耗（dB）=基站发射功率（dBm）-10×log10（子载波数） + 基站天线增益（dBi）-基站馈线损耗（dB）-穿透损耗（dB）-植被损耗（dB） – 人体遮挡损耗（dB） - 干扰余量 （dB） – 雨/冰雪余量（dB-慢衰落余量（dB） - 人体损耗（dB） + UE天线增益（dB） - 热噪声功率（dBm） - UE 噪声系数（dB） - 解调门限 SINR （dB）
对于5G链路预算，首先要根据三大业务以及四类场景，确定设备选型，以及明确业务速率要求。根据设备选型以及边缘速率要求获得进行链路预算的各项参数（例如 发射功率，接收机灵敏度，天线增益等、解调门限SINR），然后对于5G传播模型路径损耗与距离的关系，最终求得最大允许路径损耗。
图3、4分别展示了3.5G频率下密集城区上下行路损对比以及站间距对比。由结果分析可知，5G上行路损小于下行，上行受限，站间距应以满足上行覆盖要求为准。密集城区满足上行5M，站间距230米;上行10M，站间距小于200米，站间距要求远高于4G要求。建网初期可考虑满足上行2M，下行50M，站间距312米。后期逐步提升边缘速率。郊区满足上行1M，站间距可达1500米。若满足上行5M，站间距则小于1000米。
4 结束语
本文通过进行5G传播损耗以及链路预算分析，研究了不同频率下5G路径损耗的差异，并给出了3.5G频率下上下行路损以及不同边缘速率下站间距建议，为5G无线网络规划提供了参考。
参考文献
[1] 中国通信建设集团设计院有限公司. LTE组网与工程实践[M].人民邮电出版社，2014.
[2] 吕婷， 曹亘， 张涛， et al. 5G基站架构及部署策略[J]. 移动通信， 2018，
作者简介：赵伟康（ 1990-）男，汉族，河南郑州，博士研究生，助理工程师
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