5G信號傳播模式與頻段選擇分析

張 晨

（中國電信股份有限公司上海分公司，上海 200050）

0 引 言

根據IMT-2020規范要求，5G的用戶體驗速率需達到100 Mb·s-1以上，對于熱點高容量場景速率需達到1 Gb·s-1以上（峰值速率20 Gb·s-1）， 單位面積容量提升到10 Mb·s-1·m-2，并確保 500 km·h-1高速移動中的通信業務質量[1]。這些指標相對于4G的IMT-Advanced標準[2]有大幅提升。為滿足需求，論證移動通信信號傳播模式不選擇地表波和天波的原因，從基礎理論的角度分析頻段高低對覆蓋、容量及質量的影響，提出除了國內運營商選擇的2.5～2.7 GHz（n41）、3.4～3.6 GHz（n78）以及4.8～4.9 GHz（n79）頻段[3]以外其余頻段的分配方法，以滿足不同場景的需求。

1 信號傳播模式的選擇

無線電波的傳播模式分為地表波、天波及空 間波。

地表波傳播容易受地形影響。對于導電性能好且中等起伏的地形，如平靜的河海，電波損耗小，通信質量高。然而，5G技術主要應用于經濟高度發展的大城市，且面向物聯網；城市中的瀝青路面在干燥環境中的電導率偏低[4]，對電波的吸收作用明顯，且城市地形以不規則地形為主，建筑物密布，同樣阻礙地表波的傳播。

天波傳播可靠性差。由于電波傳播路途遠且電離層的時變特性明顯，因此多徑衰落嚴重[5]；電離層自身也會對電波產生吸收作用[6]，尤其在白天，吸收損耗更大；太陽黑子活動也會進一步加劇吸收損耗[7]。

除此之外，適合地表波和天波傳播的頻段只有甚高頻（Very High Frequency，VHF）以下的低頻頻段，容量有限。

空間波傳播不可緊貼地面進行傳播，這是空間波與地表波的本質區別之一。因此，需通過新建基站來解決陰影衰落問題，并提高天線高度以增大傳播余隙，使其大于第一菲涅爾區半徑[8]，從而增大傳播距離。這種傳播模式的優點是電波受地形影響小，可靠性高。盡管建設成本大，但確保業務質量是需要優先考慮的。因此，5G移動通信只可選擇空間波傳播模式。

2 信號頻段的選擇

2.1 信號頻段對覆蓋的影響

2.1.1 從大氣穿透損耗角度分析

根據自由空間的傳播損耗公式：

式中：d為發射機與接收機之間的距離，單位為km；f為無線電波的頻率，單位為MHz；傳播損耗L的單位為dB。對式（1）取反對數，傳播損耗與距離和頻率均成正比。電波頻率增加到n倍，如控制傳播損耗不變，則覆蓋半徑會下降至原來的1/n。

2.1.2 從雨衰角度分析

雨衰分為吸收衰減和散射衰減，其中吸收衰減更為嚴重[9]。在低于100 GHz的頻率范圍內，雨衰與電波的頻率正相關；在低于10 GHz的頻率范圍內，雨衰與電波頻率的關系曲線的一階導數較大，增長率明顯。

2.1.3 從固體介質損耗角度分析

對于同一種建筑物介質，無論是入射介質時的反射損耗，還是在介質內部的吸收損耗，均隨電波頻率的增大而增大[10]，而且電波的繞射能力與其頻率反相關，低頻率電波可以到達高頻率電波難以到達的地方。

2.1.4 覆蓋問題改善措施

在不改變頻段的前提下，能顯著提升覆蓋率的有增大發射機功率和增加基站數量兩種措施。

（1）增大發射機功率。這一措施的施工量小，但是對于信號覆蓋的邊緣地帶，由于環境的高隨機變化性，信號穩定性難以保證，而且單一提升發射功率會導致電力成本劇增。

（2）增加基站數量。這一措施可確保邊緣地帶的信號穩定性，但施工量較大，而且基站數量增多，總耗電量也會增大。除此之外，基站密度增加時，站址規劃需更周密嚴謹，以避免導頻污染。

因此要原則性地改善覆蓋問題，應選擇低頻率的頻段。

2.2 信號頻段對容量的影響

2.2.1 從理論容量角度分析

根據香農公式：

式中：B為信道帶寬；S為信號功率；n0為噪聲功率譜密度。信道容量對業務的影響有兩方面。一方面，對于單一接入業務，信道容量越大，最高傳輸速率也越大；另一方面，當傳輸速率為定值時，信道容量越大，可同時容納的接入業務數越多。當信號功率和噪聲功率譜密度不可調整時，唯一能提高信道容量的方法是增大頻寬。移動通信的載頻一般選擇位于特高頻（Ultra High Frequency，UHF）的分米波、位于超高頻（Super High Frequency，SHF）的厘米波以及位于極高頻（Extremely High Frequency，EHF）的毫米波，波長每縮短一個數量級，頻寬則增大一個數量級。

2.2.2 從頻譜占用率角度分析

目前，國內運營商的2G、3G及4G無線網絡的占用頻段集中在300～3 000 MHz的UHF。盡管2G和3G無線網絡正在逐步退網，可進行頻譜重耕[11]，但UHF不僅頻寬窄而且總體頻譜占用率高，難以應對集中且同時在線的業務需求。一旦不同信號的中心頻率在窄帶頻段上的排列過于緊密，并且不采取干擾抑制措施，就容易發生同頻干擾和鄰道干擾。即使引入了干擾抑制技術，如果頻譜混疊過于嚴重，仍會使接收機底噪抬升，信號與干擾加噪聲比下降，從而使信道容量下降，最高傳輸速率下降，可同時容納的接入業務數下降。

2.2.3 容量問題分析總結

SHF的總頻寬是UHF的10倍，EHF的總頻寬是UHF的100倍，理論容量非常大。國內還未對這兩種頻段進行充分開發，頻譜占用率也極低。因此，為滿足容量需求，應選擇高頻率的頻段。

2.3 信號頻段對質量的影響

根據多普勒頻移的計算公式：

式中：v為發射機與接收機之間的相對運動速度；λ為無線電波的波長；θ為發射機相對接收機的運動方向與無線電波的傳播方向之間的夾角。將波長換算為頻率后可得，電波頻率越大，多普勒頻移越嚴重。多普勒頻移會導致接收端誤碼率增大。對于高鐵掉話問題，運動速度快是其中一個原因，而電波頻率高是另一原因。

有關覆蓋、容量及質量的綜合評價如表1所示。

表1 3種頻段技術指標的綜合評價

3 幾種常見5G應用場景的頻段分配建議

不同頻段的優缺點不同，不同應用場景的頻段分配應視具體情況而定。

3.1 高鐵動車場景

高鐵動車行駛速度非常快，如分配過高的頻段會進一步加劇多普勒頻移。對于沿鐵道建設的基站，站與站之間的距離必須拉大，否則會因為列車通過不同基站的間隔時間過短而導致切換頻繁。但基站之間的距離增加，高頻段的傳播損耗則會變得更大。另外，高鐵動車經過的地區一般人口密度低，業務量不大，對系統容量的要求不高。因此，綜合來看，對于高鐵動車場景，建議分配UHF的中低頻段。

3.2 山區峽谷場景

山區峽谷場景的陰影衰落問題嚴重，且不方便基站建設，一般只能選擇在山頂相對開闊平坦的位置建設基站[12]。為使高山上的信號成功覆蓋到山谷，必須考慮繞射損耗問題，因此，該場景僅適合分配低頻率的頻段。另外，山嶺地帶不適合長期居住，用戶稀少，業務量不大，不需要太高的系統容量。綜合來看，對于山區峽谷場景，建議分配UHF的中低頻段。

3.3 城市室外場景

城市室外場景的主要特征是人口稠密、高樓聚集，且存在大量面向物聯網的業務，因此，需要縝密考慮信號覆蓋與系統容量兩方面的需求。除此之外，室外物聯網業務一般全天24 h不間斷運行，因此也需要考慮功耗問題。綜合來看，應在確保容量的前提下盡量選擇低頻段。建議分配SHF的中低頻段，并引入大規模MIMO技術[13]，在規避導頻污染[14]的前提下，利用空間復用和空間分集，最大限度地提高頻譜效率和傳輸可靠性，以增大系統容量。也可直接分配帶寬更廣的SHF的高頻段，但需注意不能干擾正常運營的射電天文業務（23.5～ 24 GHz）、衛星地球探測業務（24.6～27.5 GHz）以及無線電導航業務（31.6～33.7 GHz）等[15]。

3.4 城市室內場景

相比于室外場景，室內場景的業務量更大，分布更加集中，且同樣面向物聯網，對系統容量的要求極高。如果室內場景選擇了高頻段，則電波穿過建筑物時的穿透損耗會很大，用傳統的室外宏站解決室內覆蓋難以滿足需求。綜合來看，建議先采用有線光纖將傳輸信號引入室內，然后采用Small Cell[16]與室內分布式天線系統結合的方式解決覆蓋問題，頻段可分配SHF乃至EHF以滿足容量需求，同時，利用毫米波波束窄和方向性好的優勢，可與MIMO技術相結合，實現精細覆蓋。

4 結 語

由于傳播環境的限制以及業務質量的要求，5G網絡的信號傳播模式只能選擇空間波傳播。信號頻段的選擇需視具體場景而定，需考慮覆蓋、容量及質量3個方面，同時留意成本問題。另外，低時延也是5G相對4G的巨大提升之一[17]，業界提出了新型多址技術以滿足低時延的需求，這些新技術也會對容量產生影響。在進行無線通信系統的分析設計時需綜合考慮多方面因素。