基于地理位置變化的5G小基站傳播特性研究

夏德政

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引 言

隨著5G時代的物聯(lián)網(wǎng)高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求挑戰(zhàn)，小基站越來越多地用于滿足熱點容量需求。具有弱衍射傳播特性的3.5 GHz頻段將用于小基站和熱點區(qū)域。由于3.5 GHz頻段通過擴展其工作頻率帶寬對環(huán)境產(chǎn)生相當大的影響，現(xiàn)有的信號強度特性分析很難預測3.5 GHz頻段的性能和工作特性。因此有必要根據(jù)環(huán)境的變化和位置特性，對3.5GHz頻段進行統(tǒng)計建模。

1 測量說明

最常見的傳播模型包括點對點的視線（LOS）和非視線（NLOS）傳播預測模型。根據(jù)街道上典型的小基站部署位置，測量地點選擇在典型的復雜城市環(huán)境。測量場景包括兩個發(fā)送機位置和接收信號路徑，Tx（發(fā)送機）位置固定在現(xiàn)場，Rx（接收機）沿著規(guī)劃路線行駛。測量范圍從LOS半徑20 m到500 m不等，測試過程同時保持良好的服務(wù)質(zhì)量。測量系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 測量系統(tǒng)的主要參數(shù)

2 位置和結(jié)果的統(tǒng)計分析

2.1 路徑損失的中值模型

位置百分比是指統(tǒng)計不同位置的無線信號強度的百分占比。本次測試路徑不限定最大半徑，從測試的結(jié)果顯示，隨著離Tx（發(fā)射機)距離的增加，路徑損耗值因距離越遠而變化顯著。通過短程LOS和遠程NLOS區(qū)域的清晰對比，兩個區(qū)域被急劇衰減分開，損耗顯著增加。PL（路徑損耗值）隨距離而變化，按照以下函數(shù)式進行分布：

式中，L0是初始損益值，n是損益指數(shù)，d是接收機收到信號的位置，dref為20 m。Xσ為標準偏差（STD）。這些數(shù)據(jù)通過對測量的接收數(shù)據(jù)進行回歸分析來估計。每個區(qū)域的參數(shù)如表2所示。

表2 位置特征推導參數(shù)

2.2 位置變化的最佳擬合分布

位置校正系數(shù)旨在根據(jù)信號的變化確定以概率密度函數(shù)（PDF）表示的最佳擬合分布。擬合和測量接收數(shù)據(jù)之間的差的概率密度函數(shù)顯示為最佳擬合分布。PDF的研究結(jié)果顯示，將位置變化的LOS和NLOS模型分別視為極值分布和邏輯分布是合理的。與NLOS區(qū)域相比，LOS區(qū)域在少量數(shù)據(jù)項上會出現(xiàn)一些偏差。在本次研究中，極值分布比邏輯分布更適合，因為極值分布與3.5 GHz信號位置變化趨勢相似。進一步說，將修正值加到LOS的中間值和NLOS路徑損耗是位置百分比的函數(shù)，函數(shù)式如下：

式中，?，δ是標準偏差（LOS為9.65 dB，NLOS為10.83 dB）；E-1(·)是反極值累積分布函數(shù)（CDF）；L0-1(·)是逆邏輯累積分布。

2.3 LOS距離推導

LOS和NLOS傳輸距離的位置圖百分比分布是計算路徑損耗的步驟，。

LOS距離dLos的函數(shù)式是：

式中，P是位置百分比（15%～100%），距離處的路徑損耗通過下式計算出：

式中，ω是LOS和NLOS之間的距離，典型距離是ω=20 m。

2.4 位置百分比的路徑損失結(jié)果

根據(jù)位置百分比結(jié)果顯示分析。位置百分比為50%時，距離發(fā)射機的半徑為255 m；75%時半徑為383 m；90%時半徑為459 m。如圖1所示。

圖1顯示基于位置百分比的路徑損耗，并突出顯示根據(jù)測量數(shù)據(jù)應(yīng)用位置百分比得到的結(jié)果。點代表測量數(shù)據(jù)，每行顯示通過應(yīng)用50%、75%、90%以及99%的定位百分比得到的結(jié)果。這種損耗隨著距離的增加而增加，在大約160 m位置開始迅速增加。造成信號迅速衰減的原因是拐角距離轉(zhuǎn)角點造成，圖1中的數(shù)據(jù)包含LOS和NLOS區(qū)域位置變化統(tǒng)計信息，同時為LOS和NLOS之間的轉(zhuǎn)角距離提供一個統(tǒng)計模型，信號衰減在市區(qū)一般為20 dB。

路徑損失的結(jié)果表明，空間變化的響應(yīng)存在差異，有必要對周圍環(huán)境下信道特性的變化進行統(tǒng)計建模。

3 用射線追蹤法驗證測量結(jié)果

為驗證測量結(jié)果的有效性，通過基于地理信息系統(tǒng)建立仿真條件和模擬環(huán)境，模擬環(huán)境要素包括建筑物和森林信息，建筑物的高度、道路的寬度、建筑物的密度以及材料（瀝青、金屬、水泥、木材等）等。每種模擬數(shù)據(jù)都給出不同的可靠性值，例如每種材料的介電常數(shù)、導電率和傳輸率（例如，其導電率為0.012），Rx天線高度為2 m，Tx天線高度為7.3 m。

通過仿真后模擬結(jié)果如圖2所示，圓點顯示射線跟蹤模擬的結(jié)果，帶圓圈的線顯示應(yīng)用位置百分比50%和90%的射線跟蹤模擬的結(jié)果。黑線顯示50%和90%位置百分比的實際測量結(jié)果。

射線追蹤模擬結(jié)果與測量結(jié)果對比，趨勢差異很小。考慮到總體趨勢是減少，只有10 dB的差異。因此，可以確定基于3.5 GHz的小基站傳播模型可靠性。

4 結(jié) 論

本文通過研究3.5 GHz頻段小基站傳播特性與傳播距離位置的關(guān)系，從位置百分比分析中，得到最適合的NLOS位置值和LOS的最佳位置選擇。通過與實際測量相似的仿真環(huán)境，將測量結(jié)果與三維射線跟蹤仿真結(jié)果進行比較分析，驗證該方法的有效性，有助于3.5 GHz頻段在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的小基站規(guī)劃。