許賢澤，方屹濤，鄭成林

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等各項技術(shù)的快速發(fā)展，海量的設(shè)備連接以及各種各樣差異化新型業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求也不斷提高。并且隨著場景應(yīng)用對技術(shù)的驅(qū)動，工業(yè)自動化、規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、自動駕駛等都對網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。為了更好地應(yīng)對未來移動數(shù)據(jù)的高速增長，5G（第五代移動通信技術(shù)）也就應(yīng)運而生［1］。

相比于現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用場景以密集商業(yè)區(qū)、高鐵、水域等地形地貌進行簡單的劃分，國際電信聯(lián)盟（ITU）為5G定義了三大應(yīng)用場景。分別是增強移動寬帶（eMBB），即面向以人為中心的應(yīng)用場景，主要面向移動互聯(lián)網(wǎng)爆炸式增長，為移動互聯(lián)網(wǎng)用戶提供更加極致的應(yīng)用體驗；超高可靠低延時通信（URLLC），主要面向工業(yè)控制、遠程醫(yī)療、移動駕駛等對低時延和可靠性具有極高要求的垂直行業(yè)應(yīng)用需求；海量機器類通信（mMTC），主要面向智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等以傳感與數(shù)據(jù)采集為目標的應(yīng)用需求［2-4］。

5G技術(shù)定義的三大場景不但覆蓋了高帶寬、低延時等傳統(tǒng)應(yīng)用場景，而且還能滿足工業(yè)環(huán)境下的設(shè)備互聯(lián)和遠程交互應(yīng)用需求，這種廣域網(wǎng)全覆蓋的特點為移動運營商構(gòu)建統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)提供了可能。并且預(yù)計到2020年，隨著互聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)與業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)流量業(yè)務(wù)與設(shè)備連接數(shù)量會發(fā)生井噴式增長。因此5G網(wǎng)絡(luò)在新場景下有新的驅(qū)動與要求，不僅要求更高的網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)量、吞吐量和傳輸速度，也要能夠有效拓寬覆蓋面積，滿足多區(qū)域不同用戶的用網(wǎng)需求。構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵就是要針對新場景下的業(yè)務(wù)質(zhì)量與通信質(zhì)量要求，合理規(guī)劃基站布置，以實現(xiàn)宏基站廣域覆蓋，微基站補充盲點的目的［5］。

因此，隨著5G即將實現(xiàn)全面商用，針對站點布置與網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求，對于新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的通信距離、覆蓋范圍與信號接收質(zhì)量必須要進行準確的預(yù)測與估計［6］。因此要構(gòu)建一個能代表5G通信模式的傳播模型，且針對具體地區(qū)的傳播模型的校正研究就顯得尤為重要。針對不同的頻段，選擇合適的傳播模型并校正，是無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)。并且根據(jù)校正后的傳播模型，可以進行網(wǎng)絡(luò)的鏈路預(yù)算，獲得網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，能夠有效評估無線通信系統(tǒng)的覆蓋能力［7］。

本文主要針對5G新場景下無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的傳播模型優(yōu)化及鏈路預(yù)算進行分析，通過對武漢已部署5G宏基站進行實地路測，并將路測數(shù)據(jù)處理后進行傳播模型的校正，最終通過5G網(wǎng)絡(luò)配置環(huán)境，進行相應(yīng)的鏈路預(yù)算，得到可覆蓋小區(qū)的最大半徑，為即將實現(xiàn)全面商用的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供重要依據(jù)與參考價值。

1 5G信道傳播模型

1.1 UM a模型

UMa模型是3GPP協(xié)議中定義的適用于當(dāng)前5G高頻發(fā)展趨勢下的新型傳播模型，信道測量頻率范圍為0.5 G～100 GHz，信號傳播有效距離為10～5 000 m。該模型支持大信道帶寬（高達載波頻率的10%），并且能夠適應(yīng)用戶終端高速遷移，移動速度最高可達500 km/h［8］。

3GPP協(xié)議38.901對UMa進行了定義，其經(jīng)驗公式如下。

在視距傳播（LOS）條件下

其中，PL1與PL2計算如下

在非視距傳播（NLOS）條件下

其中，PLUMa-LOS為視距傳播下的路徑損耗；PLUMa-NLOS為非視距傳播下的路徑損耗；d2D為移動終端至基站的水平距離；d′BP為該模型設(shè)置的斷點距離；d3D為移動終端至基站的直線距離；fc為基站所采用的信號載頻；hBS為基站天線有效高度；hUT為用戶終端有效高度。

在非視距傳播下的路徑損耗也可簡化為

此模型初始參數(shù)設(shè)置是基站天線高度為25 m，用戶終端高度范圍為1.5～22.5 m，因此根據(jù)實際基站布置、現(xiàn)實傳播環(huán)境以及用戶終端測量狀況來對基礎(chǔ)傳播模型進行優(yōu)化設(shè)計，以適應(yīng)真實地區(qū)信號傳播規(guī)律。

1.2 改進的信道傳播模型

原始的UMa模型是在搭建5G局域網(wǎng)下根據(jù)大量測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后導(dǎo)出的數(shù)學(xué)公式的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停哂衅者m性，但對于具體場景的預(yù)測精度有所不足。因此要根據(jù)具體環(huán)境對典型傳播模型進行一定的校準與修正，從而得到匹配當(dāng)前區(qū)域的準確的傳播模型［9］。

在無線信道實際傳輸過程中，一般來說，在理想條件下即自由空間信道傳播時信號傳播的距離越遠，信號所受到的損耗也就越大。但是在實際的應(yīng)用場景中，特別是在傳播環(huán)境較為復(fù)雜的密集城區(qū)，由于發(fā)射/接收天線的高度，信號的自然衰落，建筑物密度與高度，植被、水域等因素的影響，使得信號的衰落情況大不相同。

綜合式（1）～式（6），可以發(fā)現(xiàn)在5G新型UMa模型下其路徑損耗主要與基站到接收機的直線距離和基站載頻成對數(shù)相關(guān)性，因此按fc，d3D進行變換后，加上損耗修正因子，可以得到在密集城區(qū)的通用公式

在本文提出的通用模型中，fc為固定載頻，選定為3.5 GHz，因此其相應(yīng)的系數(shù)也可直接確定，即k2=20，在Matlab中基于最小二乘法進行非線性擬合，求出k1與k3的值，即可確定在一定程度上符合當(dāng)前傳播規(guī)律的預(yù)測模型。

2 覆蓋規(guī)劃

5G覆蓋規(guī)劃主要包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域分析、鏈路預(yù)算、單基站覆蓋面積與站址規(guī)劃等方面，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域分析主要是通過對目標上下行速率、業(yè)務(wù)質(zhì)量和邊緣覆蓋概率等綜合分析而確定的能最大程度保證通話質(zhì)量與無線信號強度的復(fù)合區(qū)域。而鏈路預(yù)算是無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的重要前提，其主要內(nèi)容是通過對信號從發(fā)射端到接收端傳輸過程中包括余量、損耗、增益等各個要素的核算，來獲得在當(dāng)前場景下滿足覆蓋要求所允許的最大路徑損耗。且通過符合當(dāng)前環(huán)境的傳播模型，測算出單個宏基站的覆蓋半徑，繼而根據(jù)5G布網(wǎng)要求進行區(qū)域的站址規(guī)劃，減少覆蓋盲區(qū)與弱覆蓋區(qū)域，從而初步估算出無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的覆蓋能力［10］。

一般來說，5G鏈路預(yù)算影響因素在低頻段與LTE并沒有較大的差別，但在毫米波頻段需要額外考慮人體遮擋損耗、樹木損耗與天氣余量等因素的影響。結(jié)合TD-LTE鏈路預(yù)算模型與5G NR新型傳輸技術(shù)，給出以下適用于上下行的鏈路預(yù)算公式［11］

其中，MAPL為最大允許路徑損耗，PTx為發(fā)射端功率，GTx為發(fā)射端天線增益，Lf為饋線損耗，Lp為穿透損耗，Ls為植被損耗，Lb為人體損耗，MI為干擾余量，Mf為陰影衰落余量，Mr為天氣（雨/冰雪）余量，GRx為接收端功率，SRx為接收機靈敏度。其中，接收機靈敏度為保持接收機正常工作的最小可接受信號強度，可表示為

其中，NT0為熱噪聲功率，NF為噪聲系數(shù)，SINR為接收機解調(diào)門限。

依據(jù)給出的鏈路計算模型結(jié)合5G新型傳播技術(shù)，如大規(guī)模MIMO技術(shù)、超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與非正交多址技術(shù)等，可以有效估算室外宏基站覆蓋區(qū)域與覆蓋范圍，通過部署5G微基站與宏基站相互補充，從而優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提升用戶服務(wù)質(zhì)量。

3 傳播模型優(yōu)化與鏈路預(yù)算

在實際場強與路損的測量過程中，由于其無線信道的復(fù)雜性，一般需要針對當(dāng)?shù)責(zé)o線環(huán)境進行數(shù)據(jù)測試。本文是基于武漢密集城區(qū)內(nèi)的典型宏基站實地測量所得到的路測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集的方法與原則是李氏定律。李氏定律是指在本征長度為40個波長，采樣36～50個樣點時，可使測試數(shù)據(jù)與實際本征均值之差小于1 dB。通過對周圍28個基站進行地理勘察后，選取5～6個宏基站進行現(xiàn)網(wǎng)車載測試，通過車載測試，手機收集接收并記錄各個基站導(dǎo)頻信號功率數(shù)據(jù)。

由于城市道路環(huán)境的復(fù)雜性測量數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)分布不均的情況，因此要進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理［12］。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要分為以下幾步：

（1）對多組不同基站測量數(shù)據(jù)進行基站抽樣。即先按照基站編號進行隨機抽樣，得到典型基站，然后對該基站多組數(shù)據(jù)進行整合保存，得到一組能代表該密集城區(qū)基站傳播情況的測量數(shù)據(jù)。

（2）對抽取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)過濾。數(shù)據(jù)過濾的標準主要基于測試點與基站的距離（濾除100～2 000 m之外的數(shù)據(jù)點）與測試點的接收功率（濾除小于-120 dB·m與大于-50 dB·m的數(shù)據(jù)點）。

（3）對過濾后的數(shù)據(jù)進行地理平均。數(shù)據(jù)地理平均的目的是獲取本地均值，將測試路線分段，每段取10 m，將該10 m內(nèi)的數(shù)據(jù)取均值，并將取得的均值作為該路段中心點的接收電平強度。

（4）數(shù)據(jù)偏移修正。測試過程中可能有部分測試點經(jīng)緯度與電子地圖經(jīng)緯度存在一定誤差，導(dǎo)致相應(yīng)地物地貌屬性發(fā)生變化，需要對偏差數(shù)據(jù)使用專用地圖軟件進行修正以達到匹配。

（5）最終將經(jīng)過多段處理后的路測數(shù)據(jù)整合保存，作為接下來傳播模型校正的原始數(shù)據(jù)。

其預(yù)處理流程圖如圖2所示。

經(jīng)過數(shù)據(jù)的預(yù)處理可以有效達到“消除快衰落、保留慢衰落”的目的，同時將路測數(shù)據(jù)按照等采集距離段均勻分布，獲取較為理想的實測數(shù)據(jù)［13］。如圖3與圖4所示。

由圖3與圖4可知，接收信號功率在300 m范圍內(nèi)強度較高，說明基站信號覆蓋能力較強。而在900～1 000 m處有所回升，這是由于接收端正好處于開闊地帶，沒有較多高層建筑物與植被的遮擋，信號傳播形式趨于視距傳播，使得該區(qū)域的接受信號強度短暫增強，而對于其他數(shù)據(jù)采集區(qū)域，伴隨著測試點距發(fā)射基站的距離越遠，其路徑損耗越大，導(dǎo)致接收信號強度也就越差［14］。

如圖5所示，可以得到路徑損耗與傳播距離的擬合曲線

將實測基站數(shù)據(jù)與校正前、后預(yù)測模型進行路徑損耗仿真對比，如圖6所示?？梢悦黠@看到校正后的預(yù)測模型更貼近實測數(shù)據(jù)，且誤差更小。

表1為UMa傳播模型校正前后的誤差分布情況。由表1可知，在未校正前誤差主要集中于10 dB·m以上，且校正前誤差在15～30 dB·m范圍內(nèi)，占整體數(shù)量比例的59.56%，可見未校正的初始傳播模型與實際城區(qū)傳播環(huán)境還是有較大差異。而校正后的傳播模型，誤差主要集中在-5～5 dB·m，且基本分布在-10～10 dB·m范圍內(nèi)，沒有較大偏差的數(shù)據(jù)。因此經(jīng)過數(shù)據(jù)的預(yù)處理后再進行傳播模型校正的方法使數(shù)據(jù)更具有代表性與準確性。

表1 校正前后誤差統(tǒng)計

由表2可知，與校正前相比，校正后的誤差更為集中，且誤差比例更小。經(jīng)過校正的數(shù)據(jù)誤差均值降低了15 dB以上，達到了-0.013 8 dB，其滿足誤差均值要求在0～1 dB；校正后標準偏差為2.420 8 dB，其滿足模型校正標準差要求小于8 dB，說明了校正后的傳播模型與實測數(shù)據(jù)貼近程度更高，更符合實際無線電波傳輸過程中受到外界其他干擾后的路徑損耗值。

表2 校正前后誤差分析

為了驗證該傳播模型在武漢密集城區(qū)的普適性，從該區(qū)域其他基站路測數(shù)據(jù)中抽取2組經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)來對當(dāng)前已校正傳播模型進行擬合對比，如圖7所示。選取水果湖步行街與湖廣大廈基站路測數(shù)據(jù)來分別進行對比分析，兩組數(shù)據(jù)與校正模型誤差均值與標準差均在允許范圍內(nèi)，表明模型校正是成功的，校正后模型與當(dāng)?shù)貍鞑キh(huán)境相匹配［15］。

結(jié)合本文路測基站配置，可以給出載頻為3.5 GHz，帶寬為100 MHz，子載波帶寬30 kHz條件下的鏈路預(yù)算表，如表3所示。

通過對已知參數(shù)的核算，可以得到滿足數(shù)據(jù)流量上下行質(zhì)量的最大允許路徑損耗分別為110.43 dB與118.43 dB，從而確定對應(yīng)的單站覆蓋半徑為678.42 m與987.86 m?？芍到y(tǒng)的上行覆蓋半徑小于下行覆蓋半徑，因此室外最大覆蓋距離受限于上行鏈路，在覆蓋估算時應(yīng)以上行鏈路為依據(jù)來進行基站數(shù)量及站址的選擇［16］。

表3 5G NR鏈路預(yù)算表

4 結(jié)束語

隨著5G即將實現(xiàn)全面商用，本文針對武漢市內(nèi)熱點區(qū)域（密集城區(qū)）進行了模型的優(yōu)化研究和鏈路預(yù)算。結(jié)合實地路測數(shù)據(jù)在已有5G新型模型——Uma模型上進行了系數(shù)的校正，得到匹配本地地物環(huán)境的傳播模型，且校正后傳播模型的誤差均值與標準差均在可接受的參考誤差范圍內(nèi)，表明模型校正較為成功，為后續(xù)5G建設(shè)獲取密集城區(qū)的預(yù)測模型提供了一定的參考價值。同時結(jié)合校正好的新型傳播模型分析了5G無線鏈路預(yù)算，得到了在保證一定服務(wù)質(zhì)量下的允許最大路徑損耗和單站上下行覆蓋面積半徑，為5G新型網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了理論基礎(chǔ)。