基于地理位置變化的5G小基站傳播特性研究

夏德政

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引 言

隨著5G時代的物聯網高數據業務需求挑戰，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域。由于3.5 GHz頻段通過擴展其工作頻率帶寬對環境產生相當大的影響，現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。因此有必要根據環境的變化和位置特性，對3.5GHz頻段進行統計建模。

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境。測量場景包括兩個發送機位置和接收信號路徑，Tx（發送機）位置固定在現場，Rx（接收機）沿著規劃路線行駛。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質量。測量系統的主要參數如表1所示。

表1 測量系統的主要參數

2 位置和結果的統計分析

2.1 路徑損失的中值模型

位置百分比是指統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，從測試的結果顯示，隨著離Tx（發射機)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區域的清晰對比，兩個區域被急劇衰減分開，損耗顯著增加。PL（路徑損耗值）隨距離而變化，按照以下函數式進行分布：

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

表2 位置特征推導參數

2.2 位置變化的最佳擬合分布

位置校正系數旨在根據信號的變化確定以概率密度函數（PDF）表示的最佳擬合分布。擬合和測量接收數據之間的差的概率密度函數顯示為最佳擬合分布。PDF的研究結果顯示，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區域相比，LOS區域在少量數據項上會出現一些偏差。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，函數式如下：

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（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果

根據位置百分比結果顯示分析。位置百分比為50%時，距離發射機的半徑為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，并突出顯示根據測量數據應用位置百分比得到的結果。點代表測量數據，每行顯示通過應用50%、75%、90%以及99%的定位百分比得到的結果。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角點造成，圖1中的數據包含LOS和NLOS區域位置變化統計信息，同時為LOS和NLOS之間的轉角距離提供一個統計模型，信號衰減在市區一般為20 dB。

路徑損失的結果表明，空間變化的響應存在差異，有必要對周圍環境下信道特性的變化進行統計建模。

3 用射線追蹤法驗證測量結果

為驗證測量結果的有效性，通過基于地理信息系統建立仿真條件和模擬環境，模擬環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。每種模擬數據都給出不同的可靠性值，例如每種材料的介電常數、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。

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

射線追蹤模擬結果與測量結果對比，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 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境，將測量結果與三維射線跟蹤仿真結果進行比較分析，驗證該方法的有效性，有助于3.5 GHz頻段在5G網絡建設的小基站規劃。