理
论研究与应用实践
电力信息与通信技术
2020年第18卷第8期
30
基金项目：国家电网有限公司总部科技项目资助“面向多业
务泛在接入的无线专网优化演进技术研究与应用”（5700-202019174A-0-0-00）。
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：2095-641X(2020)08-030-08 DOI：10.16543/j.2095-641x.electric.power.ict.2020.08.004著录格式：吕继, 段钧宝, 李健, 等. 5G 多频段覆盖性能的差异化分析[J]. 电力信息与通信技术, 2020, 18(8): 30-37.
5G 多频段覆盖性能的差异化分析
吕继1，段钧宝2，李健2，吴赛2，张健明1，张鑫1
（1.北京邮电大学电子工程学院，北京 100876；2.中国电力科学研究院有限公司，北京100192）
摘要：5G 作为支撑经济社会数字化转型的关键新型基础设施，成为加速我国数字化转型进程、助力经济高质量发展的重要引擎。700 MHz 是我国5G 发展过程中非常重要的一段频率资源，该频段具有信号准确、覆盖面广泛、穿透力强等特点。针对700 MHz 无线频段覆盖能力的研究是5G 网络规划和优化的重要工作，文章对5G 常用频段的无线信号传播损耗与传输距离、中心频率、穿透媒介材质、地形和建筑物阻挡等各种因素的量化关系进行了理论分析，并通过仿真，对5G 常用频段在典型应用场景下的覆盖能力进行分析，为5G 无线网络规划提供参考。关键词：5G；传播模型；路径损耗；无线覆盖
Abstract: As a key new infrastructure supporting the digital transformation of the economy and society, 5G has become an important engine for accelerating the process of digital transformation in my country and helping the high-quality development of the economy. 700 MHz frequency band is a very important resource in the development process of 5G today. The frequency band has the characteristics of accurate signals, w全身骨头酸痛
ide coverage, and strong penetration. Therefore, the analysis of 700 MHz wireless frequency band coverage will become an important development direction. This p
aper gives a theoretical analysis of the relationship between the propagation loss and path of 5G commonly ud frequency bands, the effect of different frequencies and materials on penetration loss, and the effect of different frequencies on diffraction loss. And further, the simulation results of coverage capabilities of 5G common frequency bands in typical scenarios provide a reference for 5G wireless network planning.Key words: 5G; propagation model; path loss; wireless coverage
Diffe文明礼仪教案
rential Analysis of 5G Multi-Band Coverage Performance
LV Ji 1, DUAN Junbao 2, LI Jian 2, WU Sai 2, ZHANG Jianming 1, 红茶种类
ZHANG Xin 1
(1. School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Bei三国赵子龙
jing 100876, China;
2. China Electric Power Rearch Institute Co., Ltd., Beijing 100192, China)
0 引言
随着社会的进步与技术的发展，万物之间信息的交互越来越频繁，这不仅体现在人与人之间信息的交互上，人与物、物与物之间信息的频繁交互也是大势所趋，于是5G 技术应运而生。5G 技术也即第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Networks ，5G ），是在第四代移动通信技术的的基础上进
行的一次延伸，故而也就继承了第四代移动通
信技术（4th Generation Mobile Networks ，4G ）的所有优点，并将这些优点进行了进一步发展。目前的5G 技术具备用户的体验感强、能耗低、热点容量高等特点[1]。此外5G 技术具备比4G 更高的信息传输的速率，能够极大地满足人们对网络的需求，使生活更加便捷与智能
[2-4]
。无线电频谱资源是实现这一
愿景和技术的资源保障，当前频谱资源紧缺，亟需对各个频段进行考虑分析，以便更加高效使用这些频 谱
[5]
。700 MHz 频段被称为通信的黄金频段，具有
传播损耗低、覆盖范围广、穿透力能力强及组网成本低等优势特性[6]。
国内外学者对5G 毫米波频段的传播能力进行
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31
了研究
[7-8]
，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project ，3GPP ）针对500 MHz~100 GHz 这个频段范围内的无线传播损耗也提出了经验计算模型
[9-12]
。本文通过5G 常用频段进行对比，在
路径损耗、穿透损耗、衍射损耗3方面进行理论分析，对其优缺点进行探讨。同时，将通过射线追踪仿真模型，对郊区宏站（Rural macrocell ，RMa ）、城区宏站（Urban macrocell ，UMa ）、城区微站（Urban microcell ，UMi ）3种典型5G 场景的仿真，对各频段覆盖能力进行分析，为5G 网络规划提供参考。
1 5G 各频段传播特性分析
对于5G 基站而言，覆盖范围是一个极为重要的指标。覆盖范围可以很大程度上影响建设成本，覆盖范围越广，则张家界大峡谷
建设成本越低。决定5G 基站覆盖范围的因素有很多，主要有：场景、频段、空口等。其中，频段因素主要包括各种损耗。本章将对700 MHz 、3.5 GHz 、4.5 GHz 及2扒肉条的做法
8 GHz 频段的损耗进行计算与仿真。1.1 路径损耗
无线电波携带信号或信息在无线通信系统中传播，路径损耗与频段、传播路径、地形地貌、基站和终端的高度密切相关。3GPP 信道模型来自于学术界和工业界的共同贡献，并通过了广泛的测量和射线追踪仿真
[12]
。通过仿真，分别获得了RMa 、UMa ，
UMi 场景在各个频段下路径损耗随距离的变化关系，主要分析视距（Line of Sight ，LOS ）及非视距
（Non Line of Sight ，NLOS ）2种情况下的路径损耗（Path Loss ，PL ）。1.1.1 RMa 路径损耗分析
RMa 路损损耗模型常用于发射天线高度大于35 m ，接收天线高度在1.5 m 的情况。RMa LOS 场景路径损耗公式由2部分组成，通过截断点距离d BP 区分，如式（1）所示。
PL d d ≤≤PL d f =+
12D BP
RMa LOS 2BP 2D 1
103D c 1.72
103D 1.72
103D 21BP 103D BP 10 m ,
10 km 20log (40/3)min(0.03,10)log ()min(0.044,14.77)0.002log ()()40log (/)
PL PL d d h d h h d PL PL d d d − = ≤≤
− +
=+ （1）式中：f c 为中心频率，单位为GHz ；d 2D 为发射机到接收器的水平二维（2-Dimension ，2D ）距离，单位为m ；d 3D 为发射机到接收器的三维（3-dimension ，3D ）距离，单位为m ；h 为建筑物平均高度，单位为m ；d BP 为二维（2D ）水平面距离，单位为m ；PL 1路径损耗单位为dB ，阴影衰落标准差为4 dB ；PL 2路径损耗单位为dB ，阴影衰落标准差为6 dB中国士兵怎么画
。式（1）中d BP 的计算公式为
d h h f c BP BS UT c 2/=
（2）
式中：c 为自由空间无线电波传播速度，为3.0108 m/s ；h BS 、h UT 分别为发射天线和接收天线的高度。
RMa NLOS 场景路径损耗公式由2部分组成，可表示为
RMaNLOS RMa LOS RMa NLOS RMaNLOS 10102
BS 10BS 10BS 103D 210UT max(,)1610471log ()75log () (243737(/))log ()497 (434231log ())(log ()3) (32(log (1175))20PL PL PL PL ..W +.h ..h h h ...h d ..h −
−−−′=′=−−−−+−−−+10c log ())
f
（3）式中：
W 为街道平均宽度；PL艾丁格啤酒
RMa-NLOS 阴影衰落标准差为8 dB 。式（3）适用于发射机到接收婚姻线图解
器的2D 距离d 2D 位于10 m~5 km 。选取h BS =35 m ，h UT =1.5 m ，W =20 m 以及h =5 m 进行仿真，结果如图1所示。
E #
% N
图1 RMa 路径损耗Fig.1 RMa path loss
由图1可以看出，在LOS 场景中，3.5 GHz 和4.5 GHz 较700 MHz 损耗增加6~16 dB ，28 GHz 较700 MHz 损耗增加22~32 dB 。在NLOS 场景中， 3.5 GHz 及4.5 GHz 较700 MHz 损耗增加16 dB 左
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右，28 GHz 较700 MHz 损耗增加32 dB 左右。
同一频段在相同的传播距离下，对于700 MHz ，NLOS 场景相比LOS 场景，链路损耗将增加0~22 dB ；对于3.5、4.5及28 GHz 频段，NLOS 场景相比LOS 场景，链路损耗将增加0~32 dB 。1.1.2 UMa 路径损耗分析
UMa 路损损耗模型常用于发射天线高度大于25 m ，接收天婚姻的真谛
线高度在1.5~22.5 m 。UMa LOS 场景路径损耗公式由2部分组成，通过截断点距离d ′BP 区分，如式（4）所示。
12D BP
UMaLOS 2BP 2D 1103D 10c 2
103D 10c 2210BP
BS UT 10m 5km 28.022log ()20log ()
28.040log ()20log () 9log (()())PL d d PL PL d d PL d f PL d f d h h −
′ ≤≤ = ′≤≤
=++ =++−
′+− （4）
式中：d ′BP 为2D 水平面距离，单位为m ；
PL 1，PL 2路径损耗单位为dB ，阴影衰落标准差为4 dB 。d ′BP 可表示为
BP
BS UT c 4/d h h f c ′′′= （5）
式中：
h ′BS 、h ′UT 为发射天线和接收天线的有效高度。UMa NLOS 场景路径损耗公式由2部分组成：
UMaNLOS UMa LOS UMa NLOS UMaNLOS 103D 10c UT max(,)13.5439.08log ()20log ()0.6( 1.5)PL PL PL PL d f h −
−−−′=
′=++
−−
（6）式中：PL UMa-NLOS 阴影衰落标准差为6 dB 。式（6）适用于发射机到接收器的2D 距离d 2D 位于10 m~ 5 km 。选取h BS =35 m ，h UT =1.5 m 进行仿真，结果如图2所示。
E #
% N
图2 UMa 路径损耗Fig.2 UMa path loss
由图2可以看出，在LOS 场景中，3.5 GHz 及4.5 GHz 较700 MHz 损耗增加3~15 dB ，28 GHz 较700 MHz 损耗增加20~31 dB 。在NLOS 场景中， 3.5 GHz 和4.5 GHz 较700 MHz 损耗增加16 dB 左右；28 GHz 较700 MHz 损耗增加32 dB 左右。
同一频段在相同的传播距离下，对于700 MHz ，NLOS 场景相比LOS 场景，链路损耗将增加9~28 dB ；对于3.5、4.5及28 GHz 频段NLOS 场景相比LOS 场景，链路损耗将增加10~40 dB 。1.1.3 UMi 路径损耗分析
UMi 路损损耗模型常用于发射天线高度10 m 左右，接收天线高度在1.5~22.5 m 。UMi LOS 场景路径损耗公式由2部分组成，通过截断点距离d ′BP 区分，如式（7）所示。
12D BP
UMi LOS
2BP 2D 1103D 10c 2
103D 10c 2210BP
BS UT 10m 5km 32.421log ()20log ()
32.440log ()20log () 9.5log (()())PL d d PL PL d d PL d f PL d f d h h −′ ≤≤ = ′≤≤
=++ =++−
′+−
（7）
式中，PL 1，PL 2路径损耗单位为dB ，阴影衰落标准差为4 dB 。式（7）中d ′BP 的计算公式与式（5）相同。
UMi NLOS 场景路径损耗公式由2部分组成：
UMi NLOS UMi LOS UMi
NLOS UMi NLOS 103D 10c UT max(,)35.3log ()22.421.3log ()0.3( 1.5)PL PL PL PL d f h −−−−′=
′=++
−−
（8）式中PL UMi-NLOS 阴影衰落标准差为7.82 dB 。式（8）适用于发射机到接收器的2D 距离d 2D 位于10 m~5 km 。选取h BS =10 m,h UT =1.5 m 进行仿真，结果如图3所示。
E #
% N
图3 UMi 路径损耗Fig.3 UMi path loss
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由图3可以看出，在LOS 场景中，3.5 GHz 及4.5 GHz 较700 MHz 损耗增加2~16 dB ，28 GHz 较 700 MHz 损耗增加16~32 dB 。在NLOS 场景中， 3.5 GHz 及4.5 GHz 较700 MHz 损耗增加16 dB 左右；28 GHz 较700 MHz 损耗增加34 dB 左右。
同一频段在相同的传播距离下，对于700 MHz ，NLOS 场景相比LOS 场景，链路损耗将增加6~21 dB ；对于3.5、4.5及28 GHz 频段NLOS 场景相比LOS 场景，链路损耗将增加8~32 dB 。1.2 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。对于5G 通信网络的建设，在进行室外到室内（Outdoor to Indoor ，O-to-I ）的覆盖分析时，穿透损耗是一个必须考虑的因素。
根据3GPP 38.901给出的建议，材料的穿透损耗与发射信号的频率f 成正比，单位为GHz ，具体如表1所示。
表1 穿透损耗与材质、频率的关系
Table 1 Relationship between penetration loss, material
and frequency
材料穿透损耗/dB 玻璃L glass =2+0.2f IIR 玻璃L IIRglass =23+0.3f 木制L wood =4.85+0.12f 混凝土
L concrete =5+4f
计算各频段穿透损耗，可得表2：
表2 不同材质、频率穿透损耗值
Table 2 Different materials, frequency penetration loss values
功率损耗/dB
玻璃IIR 玻璃木制混凝土700 MHz 2.1423.21 4.9347.8
3.5 GHz 2.72
4.05
5.27194.5 GHz 2.924.35 5.392328 GHz
7.6
31.4
8.21
117
O-to-I 穿透损耗模型分为高损耗（High loss ）和低损耗（Low loss ）2种，并根据这2种情况，给出不同频率穿透损耗推荐值，如表3—4所示。
表3 高、低损穿透损耗模型
Table 3 High and low loss penetration loss models
穿透损耗类型穿透损耗/dB
Low Loss glass
concrete
1010
10510log (0.3100.710)L L −−−⋅+⋅High Loss
IIRglass
concrete
10
10
10510log (0.710
0.310)
L L −−−⋅+⋅表4 不同频率穿透损耗典型值
Table 4 Typical values of penetration loss at different
frequencies
穿透损耗类型700 MHz 3.5 GHz 4.5 GHz 28 GHz Low Loss/dB 10.212.713.017.8High Los/dB
17.7
26.8
28.9
37.9
由表4可知，3.5、4.5及28 GHz 相比700 MHz ，在O2I Low loss 场景中，穿透损耗多2.1~20.2 dB ，在O2I High loss 场景中，穿透损耗多9.1~20.2 dB 。1.3 衍射损耗
在NLOS 场景中，计算信号场强必须要考虑衍射（绕射）的影响[13]。
单峰损耗[14]计算公式为：
0.452()0(1)
20lg(0.50.62)(01)20lg(0.5e )(10)(2.41)20lg(0.40.1184(0.10.38))
( 2.4)20lg(0.225/)v F dB v v v v v v v v =
≥ +≤≤ −≤≤ −≤≤−−−+ ≤− −
（9）式中v 为绕射常数，可表示为
122
(1/1/)
v H
d d =−+
（10）
式中：
H 为等效山峰高度；d 1为发射机到山峰的距离；
d 2为接收机到山峰的距离；为频段的波长。对700 MHz 、3.5 GHz 、4.5 GHz 和28 GHz 频段，采用发射机高度为15 m ，接收机高度为1.5 m ，d 1=100，d 2=80，衍射损耗如图4所示。
E #
N
图4 衍射损耗Fig.4 Diffraction loss
由图4可知，各频率路径损耗与山峰高度呈线性关系，当山峰高度大于6 m 后，损耗随山峰升高而增加。
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在对无线信号进行衍射损耗预估时，只计算第一菲涅尔内的障碍物产生的损耗。菲涅尔区半径与波长成正比，当频率增加时，波长变短，菲涅尔区半径缩小，此时影响衍射路径传播。当频率上升至10 GHz 以上（波长≤0.03 m ），位于第一菲涅尔区内的障碍物棱边数将变少，衍射带来的能量降低。
综上所述，700 MHz 相比于其他频段，更适合NLOS 场景覆盖。
2 典型场景分析
传统的传播建模方法分为经验模型和理论模型2种。经验模型是基于大量的实验测量，主要有Hata-Okumura 模型、COST-Hata 模型；理论模型比较简单，比如Friis 模型、Over-Rooftop 绕射模型等[15]。上述模型相对简单，不能提供准确的仿真结果。射线追踪模型采用电磁学计算方法
[16-18]
，能提供更为
准确的计算结果，更适用于5G 频段的研究。针对
RMa 、UMa 以及UMi 3种场景，使用射线追踪仿真工具，采用全向天线进行仿真，主瓣增益是11 dB ，选取参考信号接收指标（Reference Signal Receiving Power ，RSRP ）为覆盖指标进行覆盖仿真分析。2.1 RMa 场景
在RMa 场景中，基站高度较高，且由于建筑物相对较低，距离基站较远，对路径损耗影响相对较小。仿真中选取的RMa 场景如图5所示，场景内有湖泊、树木以及少量建筑物；仿真选取单端口天线，其发射功率为20 W ，令单载波带宽为20 MHz ，子载波带宽为15 kHz ，对各频段进行覆盖预测，各频段覆盖性能结果如图6所示。
从图5可以看出，RMa 实景图中A 区域为LOS 场景，路径损耗主要为传播损耗，覆盖性能良好；B 区
域中有少量低矮建筑物，对覆盖性能影响小，覆盖性能良好；C 区域为高大建筑物，对覆盖性能影响较
大，建筑物远离发射天线测覆盖性能较差；D 区域为低矮密集建筑物区，影响覆盖性能，若基站发射功率大，天线增益大时，可以达到覆盖要求，如700 MHz 频段；E 区域有高大建筑物，距离天线近的建筑物对距离天线远的建筑物有较大影响，导致后面建筑物覆盖效果较差。
图5 RMa 场景实景Fig.5 RMa scene reality
通过分析可知，700 MHz 频段天线方向在LOS 场景、NLOS 场景以及室内RSRP 大于–120 dBm ，1 km 半径内仅有少部分室内RSRP 小于–120 dBm ，无线覆盖良好。3.5 GHz 频段天线方向LOS 场景RSRP 相较于700 MHz 指标低14 dBm ，NLOS 场景低14~20 dBm ，部分NLOS 区域覆盖效果不良，室内低18 dBm ，部分室内覆盖不良。4.5 GHz 频段天线方向LOS 场景RSRP 指标相较于700 MHz 指标低16 dBm ，NLOS 场景低16~40 dBm ，部分NLOS 区域覆盖效果不良，室内低23 dBm ，部室内覆盖不良，覆盖效果略差于3.5 GHz 频段。28 GHz 频段天线方向LOS 场景RSRP 小于–90 dBm ，NLOS 场景小于–109 dBm ，室内小于–116 dBm ，整体覆盖效果不良。
对于RMa 场景，700 MHz 频段相较于其他频段具有显著优势；对于3.5 GHz 及4.5 GHz 频段，大部分区域可以达到覆盖要求；28 GHz 对于LOS 场景及
3431 E #N
B .)[ 3431
C ()[ 3431
D ()[ 3431
E ()[ 3431
图6 RMa 场景覆盖预测仿真结果示意图
Fig.6 The simulation results predicting a schematic view of the scene covered RMa
