5G傳播損耗及鏈路預算

【摘要】? ? 本文研究了不同頻率下5G傳播損耗隨路徑的關系，以及不同頻率、材質對穿透損耗的影響。并進一步通過鏈路預算分析，提供了3.5G頻率下不同場景和邊緣速率對站間距的要求，為5G無線網絡規劃提供參考。

【關鍵詞】? ? 5G 傳播模型? ? 鏈路預算? ? 穿透損耗? ? 路徑損耗

一、前言

無線網絡規劃是5G部署的重要一環，而對5G基站的覆蓋預測又決定了5G網絡的部署方法與規模。傳播模型反映了相應頻段的無線信號在不同環境傳播損耗的情況，是覆蓋規劃中的重要輸入。3GPP 38.901文檔提供了最新的適用于0.5GHz-100GHz頻率范圍內的5G傳播模型，其包含視距&非視距概率傳播模型、大尺度空間損耗模型以及穿透損耗模型。

在5G覆蓋規劃中，主要通過鏈路預算測算出滿足網絡覆蓋要求的最大路徑損耗，根據最大允許路徑損耗，利用傳播模型測算出站點的覆蓋半徑。本文通過研究5G傳播模型，并結合鏈路預算，討論分析了不同頻率下5G信號的損耗情況，給出了不同邊緣速率要求下站間距參考。

二、5G傳播損耗

2.1空間損耗

空間損耗與頻段、傳播路徑、所處的地物、基站和終端的高度密切相關。3GPP 38.901文檔定義了適用于5G的0.5-100GHz頻率范圍內空間損耗與距離的統計類數學模型，具體公式可查相關文檔。本文通過MATLAB仿真，分別獲得了城區宏站（UMa），以及郊區宏站（RMa）場景在各個頻段下路徑損耗隨距離的變化關系。

圖1展示了城區宏站不同頻率損耗與距離的變化關系。由結果所示，頻率越高，損耗越大。2.6GHz，3.5GHz與4.9GHz路徑損耗各相差約3dB; 毫米波頻段28GHz路徑損耗相比3.5GHz要高約18dB左右。圖2展示了郊區宏站不同頻率損耗與距離的變化關系，結果類似于城區宏站。RMa農村場景，700MHz相比于3.5GHz，有約11dB損耗優勢，可大大減少建站成本;2.6GHz，3.5GHz與4.9GHz路徑損耗各相差約2dB;農村場景28GHz路徑損耗相比于城區UMa場景要低約23dB。

2.2穿透損耗

穿透損耗是指當信號源在建筑物外時，建筑物外的接收信號強場與建筑物內的強場比值。穿透損耗與建筑物的結構、信號源位置和入射角度等有關。穿透損耗與頻率直接相關，與空口技術沒有直接關系。3GPP 38.901 定義了5G穿透損耗模型，包含針對不同材質的模型。表1為5G穿透損耗模型在不同頻率、材料下損耗值。可以看出各種材料在頻率上升時，穿透損耗均有增加，普通玻璃損耗最低，跟木制相似，IIR玻璃相較普通玻璃損耗高約20dB;玻璃，木制在C波段隨頻率增大，損耗增加并不明顯，只有零點幾dB;混凝土材質對頻率上升尤其敏感，28G下損耗已達到117dB。

三、鏈路預算

5G和4G鏈路預算在基本概念上無差別，但5G引入了人體遮擋損耗、樹木損耗、雨雪衰衰耗（尤其是mmWave）的影響。整體路徑損耗計算如下公式：

路徑損耗（dB）=基站發射功率（dBm）-10×log10（子載波數） + 基站天線增益（dBi）-基站饋線損耗（dB）-穿透損耗（dB）-植被損耗（dB） - 人體遮擋損耗（dB） - 干擾余量 （dB） - 雨/冰雪余量（dB-慢衰落余量（dB） - 人體損耗（dB） + UE天線增益（dB） - 熱噪聲功率（dBm） - UE 噪聲系數（dB） - 解調門限 SINR （dB）

對于5G鏈路預算，首先要根據三大業務以及四類場景，確定設備選型，以及明確業務速率要求。根據設備選型以及邊緣速率要求獲得進行鏈路預算的各項參數（例如 發射功率，接收機靈敏度，天線增益等、解調門限SINR），然后對于5G傳播模型路徑損耗與距離的關系，最終求得最大允許路徑損耗。

圖3、4分別展示了3.5G頻率下密集城區上下行路損對比以及站間距對比。由結果分析可知，5G上行路損小于下行，上行受限，站間距應以滿足上行覆蓋要求為準。密集城區滿足上行5M，站間距230米;上行10M，站間距小于200米，站間距要求遠高于4G要求。建網初期可考慮滿足上行2M，下行50M，站間距312米。后期逐步提升邊緣速率。郊區滿足上行1M，站間距可達1500米。若滿足上行5M，站間距則小于1000米。

四、結束語

本文通過進行5G傳播損耗以及鏈路預算分析，研究了不同頻率下5G路徑損耗的差異，并給出了3.5G頻率下上下行路損以及不同邊緣速率下站間距建議，為5G無線網絡規劃提供了參考。

空間損耗與頻段、傳播路徑、所處的地物、基站和終端的高度密切相關。3GPP 38.901文檔定義了適用于5G的0.5-100GHz頻率范圍內空間損耗與距離的統計類數學模型，具體公式可查相關文檔。本文通過MATLAB仿真，分別獲得了城區宏站（UMa），以及郊區宏站（RMa）場景在各個頻段下路徑損耗隨距離的變化關系。

圖1展示了城區宏站不同頻率損耗與距離的變化關系。由結果所示，頻率越高，損耗越大。2.6GHz，3.5GHz與4.9GHz路徑損耗各相差約3dB; 毫米波頻段28GHz路徑損耗相比3.5GHz要高約18dB左右。圖2展示了郊區宏站不同頻率損耗與距離的變化關系，結果類似于城區宏站。RMa農村場景，700MHz相比于3.5GHz，有約11dB損耗優勢，可大大減少建站成本;2.6GHz，3.5GHz與4.9GHz路徑損耗各相差約2dB;農村場景28GHz路徑損耗相比于城區UMa場景要低約23dB。

穿透損耗是指當信號源在建筑物外時，建筑物外的接收信號強場與建筑物內的強場比值。穿透損耗與建筑物的結構、信號源位置和入射角度等有關。穿透損耗與頻率直接相關，與空口技術沒有直接關系。3GPP 38.901 定義了5G穿透損耗模型，包含針對不同材質的模型。表1為5G穿透損耗模型在不同頻率、材料下損耗值。可以看出各種材料在頻率上升時，穿透損耗均有增加，普通玻璃損耗最低，跟木制相似，IIR玻璃相較普通玻璃損耗高約20dB;玻璃，木制在C波段隨頻率增大，損耗增加并不明顯，只有零點幾dB;混凝土材質對頻率上升尤其敏感，28G下損耗已達到117dB。

3 鏈路預算

5G和4G鏈路預算在基本概念上無差別，但5G引入了人體遮擋損耗、樹木損耗、雨雪衰衰耗（尤其是mmWave）的影響。整體路徑損耗計算如下公式：

路徑損耗（dB）=基站發射功率（dBm）-10×log10（子載波數） + 基站天線增益（dBi）-基站饋線損耗（dB）-穿透損耗（dB）-植被損耗（dB） – 人體遮擋損耗（dB） - 干擾余量 （dB） – 雨/冰雪余量（dB-慢衰落余量（dB） - 人體損耗（dB） + UE天線增益（dB） - 熱噪聲功率（dBm） - UE 噪聲系數（dB） - 解調門限 SINR （dB）

對于5G鏈路預算，首先要根據三大業務以及四類場景，確定設備選型，以及明確業務速率要求。根據設備選型以及邊緣速率要求獲得進行鏈路預算的各項參數（例如 發射功率，接收機靈敏度，天線增益等、解調門限SINR），然后對于5G傳播模型路徑損耗與距離的關系，最終求得最大允許路徑損耗。

圖3、4分別展示了3.5G頻率下密集城區上下行路損對比以及站間距對比。由結果分析可知，5G上行路損小于下行，上行受限，站間距應以滿足上行覆蓋要求為準。密集城區滿足上行5M，站間距230米;上行10M，站間距小于200米，站間距要求遠高于4G要求。建網初期可考慮滿足上行2M，下行50M，站間距312米。后期逐步提升邊緣速率。郊區滿足上行1M，站間距可達1500米。若滿足上行5M，站間距則小于1000米。

4 結束語

本文通過進行5G傳播損耗以及鏈路預算分析，研究了不同頻率下5G路徑損耗的差異，并給出了3.5G頻率下上下行路損以及不同邊緣速率下站間距建議，為5G無線網絡規劃提供了參考。

參考文獻

[1] 中國通信建設集團設計院有限公司. LTE組網與工程實踐[M].人民郵電出版社，2014.

[2] 呂婷， 曹亙， 張濤， et al. 5G基站架構及部署策略[J]. 移動通信， 2018，

作者簡介：趙偉康（ 1990-）男，漢族，河南鄭州，博士研究生，助理工程師