針對 5G 與 4G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中覆蓋差異及損耗問題，通過理論分析和精確,、嚴格的測試,，對 5G 網(wǎng)絡(luò)主用頻段 3 500 MHz 與 4G 網(wǎng)絡(luò)主用頻段 1 800 MHz 進行了對比，得出 5G 與 4G 網(wǎng)絡(luò)天線口 EIRP 相同的情況下的空口損耗差異,，較現(xiàn)有引用的方法修正了約 5.39 dB,，并提出該差異值的計算和測試方法及應(yīng)用建議，為 5G/4G 的網(wǎng)絡(luò)方案及策略的制定提供參考,。
01,、概述
2019 年 6 月 6 日，工信部正式向中國電信,、中國移動,、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放 5G 商用牌照,，標(biāo)志著我國 5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)正式進入建設(shè)元年,。除 5G 網(wǎng)絡(luò)典型技術(shù)外，各大運營商均基于 4G 現(xiàn)網(wǎng)站址和結(jié)構(gòu)進行 5G 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè),。因而 5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)面臨的最大問題是 5G 網(wǎng)絡(luò)所采用 3.5 GHz 核心頻段下的射頻網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性與現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡(luò)的差異,。
針對 5G 射頻網(wǎng)絡(luò)而言，首次引入了 3.5 GHz 頻段和 4.9 GHz 頻段,，后期也會考慮引入毫米波,。隨著移動通信向高帶寬、高容量,、超低時延,、大連接的方向演進，引入高頻段是不可避免的,。在此情況下,，對于 5G 網(wǎng)絡(luò)而言，更需要對高頻網(wǎng)絡(luò)下電磁傳播特征以及與現(xiàn)網(wǎng)頻段特性差異,，特別是直射,、衍射、反射,、透射,、散射等射傳播頻特征進行研究。這直接決定運營商 5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的方向以及 5G 網(wǎng)絡(luò)最終的性能和用戶業(yè)務(wù)感知,。
運營商在規(guī)劃 5G 網(wǎng)絡(luò)時,，通常都要和 4G 現(xiàn)網(wǎng)鏈路級性能進行對比和評估,，具體如表 1 所示。
表 1 5G 與 4G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃鏈路預(yù)算差異表（常規(guī)）
表 1 是具有典型代表意義的 4G,、5G 特征鏈路差異預(yù)算表,。從表 1 可以看出，存在兩大類的因素：
a）技術(shù)因素,，如 5G 采用的 MassiveMIMO,、發(fā)射功率等參數(shù),。
b）5G 引用新的更高的 3.5 GHz 頻段帶來的空中損耗差異,。
其中針對技術(shù)因素，基于實驗室算法 / 測試,，通過鏈路級預(yù)算已經(jīng)可以較為精確地估算和確定,，其精確度差異往往在 dB 級，且網(wǎng)絡(luò)配置如果確定,，其鏈路影響基本確定,，相對簡單。
針對頻段空口損耗差異,，雖有理論計算方法,，但 5G 移動通信業(yè)務(wù)場景多為低空地面覆蓋網(wǎng)絡(luò)，受建筑體,、山體,、樹木等影響，其實際損耗值與理論計算有較大差異,。本文將結(jié)合理論分析與實際精準(zhǔn)測試,，給出 5G 與 4G 承載核心頻段帶來的空中損耗差異，供相關(guān)的方案規(guī)劃及設(shè)計參考,。
02,、理論分析
2.1 問題分析
目前，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中引入 3 500 MHz 頻段,，而 4G 核心頻段為 1 800 MHz,，較之前 2G 引入 3G 或 3G 引入 4G 而言，頻段上出現(xiàn)大幅度變化,，如表 2 所示,。
表 2 網(wǎng)路規(guī)劃建設(shè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與新建網(wǎng)絡(luò)頻段差異
對于 5G 引入的 3.5GHz 高頻段，該頻段原為 C 頻段衛(wèi)星 / 微波使用頻段,，因其高頻特征主要用于視距通信,。而在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，往往用于地面,、建筑全覆蓋,，大部分屬于地面網(wǎng)絡(luò)下的非視距通信通信,。而這樣應(yīng)用場景下的電磁波傳播的技術(shù)經(jīng)驗和技術(shù)積累非常少。
為此,，需要從理論及實踐測試 2 個方面確定其空口損耗上的差異,，以便更好地在鏈路預(yù)算評估及網(wǎng)絡(luò)建模仿真進行更為科學(xué)、合理地應(yīng)用,。
2.2 自由空間損耗理論計算
自由空間電磁波傳播損耗計算是電磁傳播計算的基礎(chǔ),，可由式（1）計算：
其中 Ls 自由空間損耗，單位 dB,；
F 為載波頻率,，單位 MHz；
D 為傳播距離,，單位 KM,。
注意，這里自由空間傳播是指天線周圍為無限大真空時的電波傳播,，該環(huán)境定義的是電磁波傳播的理想傳播環(huán)境,。在該環(huán)境下，電磁波在傳播時,，其能量既不會被障礙物所吸收,，也不會產(chǎn)生反射、散射或折射等,。其主要表明電磁波在理想空間傳播時能量擴散特征,。
在這樣條件限定下，顯然與目前 5G,、4G 移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,，建筑體阻擋、反射,、折射,、吸收透射等，山體反射及陰影阻擋,，城市環(huán)境的樹木綠植的吸收投射,、阻擋反射等計算環(huán)境存在差異。
而目前 5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)多采用基于自由空間損耗公式來評估頻段差異,，具體如下：
根據(jù)以式（2）得出,，其頻率差約為 5.78 dB，與表 1 常用的鏈路損耗差異數(shù)值基本一致,。目前,，較多的鏈路級評估采用該值進行評估。顯然,，其與實際電磁波傳播環(huán)境存在重大偏差,。
2.3 經(jīng)驗傳播模型啟示
基于大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征形成的經(jīng)驗傳播模型是移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,、設(shè)計、建設(shè)優(yōu)化必備的基本工具,。目前,，使用最為廣泛的電磁傳播模型為 Okumura 模型。
該模型得名于奧村,，其在 20 世紀(jì) 60 年代日本東京,，基于不同頻率、不同天線高度,、不同距離等無線電磁傳播的特征因素進行大量數(shù)據(jù)測試,，基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計，得出對無線信號傳播損耗進行估測的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>
在 Okumura 模型的基礎(chǔ)上,，以其市區(qū)傳播模型作為標(biāo)準(zhǔn),，對其他區(qū)域進行了修正，進一步提升預(yù)測的精確程度,。形成了 Okumura-Hata 模型，其簡化表達式為：
其中：A1, A2, A3, B1, B2,B3 為 Hata 參數(shù),；f 頻段（MHz）,；hBS 有效的基站天線高度（m） ；d 收發(fā)機之間的距離（ km） ,；
a（hm）移動終端天線高度修正函數(shù),；Cclutter 為地貌修正函數(shù)?？梢钥闯?，其由于頻率損耗特征公式為：
經(jīng)過一些測試與校正，得出 900 MHz 與 1 800 MHz 的 A2 典型值分別為 26.16 和 27.50,。
基于理論計算和經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂梢缘贸?900MHz 與 1800MHz 網(wǎng)絡(luò)空口損耗不同算法理論計算值,，如表 3 所示。
表 3 900MHz 與 1800MHz 網(wǎng)絡(luò)空口損耗
不同算法理論計算值
這里需要說明下,，由于該模型頻段適用范圍的限制,，此處使用 900 MHz 和 1 800 MHz 重在說明頻段差將影響 A2 的取值，以此類推到 1 800 MHz 與 3 500 MHz 的空中損耗差異,。從表 3 可以看出：
a）自由空間與移動環(huán)境下,，不同頻率引起的損耗有所增加，表明不同頻段的電磁波傳播特性將影響 A2 的取值,，這與相關(guān)的理論分析結(jié)論一致,。
b）實際修正較 60 年代東京測試等均有所增加，表明該參數(shù)將隨著無線環(huán)境阻擋等因素,，會相應(yīng)增加修正系數(shù),。
c）基于現(xiàn)有 1 800 MHz,、900 MHz 頻率衰減特征可以推出 3 500 MHz 特征隨著城市環(huán)境差異，損耗較自由空間計算值將更大,。
d）該參數(shù)的修正應(yīng)在嚴格環(huán)境下的現(xiàn)場測試得出,。
e）由于該模型往往計算 1 km 外，目前 5G 重點 1 km 內(nèi),，故測試應(yīng)重點關(guān)注在 1 km 內(nèi),，5G 特征覆蓋區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)特征。
03,、無線測試環(huán)境搭建
3.1 現(xiàn)有測試方法缺陷分析
目前,， 3 500 MHz 與 1 800 MHz 多基于試驗網(wǎng)絡(luò)進行拉網(wǎng) /DT 測試，該方式將引入其他因素,，導(dǎo)致結(jié)果偏差,，具體如下。
a）測試區(qū)域內(nèi),，5G 與 4G 站點規(guī)模,、位置、結(jié)構(gòu)存在差異,。
b）同一站址的 5G 與 4G 站點掛高與具體安裝位置差異,。
c）同一站址下 5G 與 4G 站點饋線及接頭損耗、天線配置,、天線方向性圖等存在差異,。
以上因素，因為區(qū)域內(nèi)站點往往量級較大,，很難針對單點進行細致,、精確地修正，同時測試手機接收性能差異也會影響結(jié)果的評估,，而得出的 5G 與 4G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的差異,，可以用來做簡要的評估，但無法進行鏈路級性能的計算,。
3.2 本文測試方法
針對常規(guī)測試存在的問題,，此次測試采用在同一位置架設(shè)同一高度的發(fā)射天線，并采用射頻功率計分別測試天線口功率差,，再考慮全向天線增益及方向性圖差異,，滿足發(fā)射端 EIRP 的統(tǒng)一。發(fā)射端發(fā)射 30 kHz 窄帶 CW 信號,。
在接收端,，采用高精度高頻數(shù)字掃頻接收儀，同時監(jiān)測 1 800 MHz 與 3 500 MHz 窄帶信號，以確保接收端無其他因素導(dǎo)致的差異,，如圖 1 所示,。
圖 1 測試結(jié)構(gòu)及設(shè)備方框圖
在這樣的配置下，選擇在國內(nèi)一線城市,，確定 3 個站點進行測試,，3 個站點均位于該城市城區(qū)范圍。
在結(jié)果處理時,，充分考慮不同頻段配置差異,，并對數(shù)據(jù)進行嚴格地均化、過濾等,，最終得出 3 500 MHz 與 1 800 MHz 空中損耗的差異,。
在各測點測試數(shù)據(jù)情況如表 4 所示。
表 4 900MHz 與 1800MHz 測試數(shù)據(jù)量級統(tǒng)計
從表 4 可以看出,，本文在某一線城市城區(qū)環(huán)境選擇了典型的無線環(huán)境場景,，并選擇了 3 個具備代表性的站點，每個站點均進行了海量數(shù)據(jù)測采集,，測試路線涵蓋站點下所有主要道路,，滿足常規(guī)意義上 CW 測試無線環(huán)境及特征站點等相關(guān)要求。
3.3 測試結(jié)果及分析
針對以上 3 個站點的測試數(shù)據(jù),，按照位置進行不同頻段柵格化均化,，再按照均化后的位置與站點位置進行距離計算，最終得出距離站點不同位置下,，3 500 MHz、1 800 MHz 的空中損耗差異,。
為更明顯地看出其對數(shù)正態(tài)衰落特征,，如圖 2~圖 4 所示，此次數(shù)據(jù)處理按照每多個測點進行移動平均（圖 2~圖 4 中黑色曲線）,，可以從感性趨勢角度再分析頻段差異帶來的損耗變化,。表 5 給出了 900 MHz 與 1 800 MHz 口空損耗差異的量化統(tǒng)計。
圖 2 站點 1 3500MHz 與 1800MHz 損耗與距離關(guān)系示意
圖 3 站點 2 3500MHz 與 1800MHz 損耗與距離關(guān)系示意
圖 4 站點 3 3500MHz 與 1800MHz 損耗與距離關(guān)系示意
表 6 900MHz 與 1800MHz 口空
損耗差異一覽
從圖 2~圖 4 以及表 5 可以得出：
a）最終 3 個站點 3 500 MHz 與 1 800 MHz 差異約為 11.17 dB,，較其他多處按照自由空間核算頻率差 5.78 dB 約修正 5.39 dB,。該測試值可直接用于鏈路評估及預(yù)算中。
b）圖 2~圖 4 中趨勢可以看出,，其 3 500 MHz 與 1 800 MHz 慢衰落特征與距離呈規(guī)則遞減,，且建筑物影響、衍射 / 發(fā)射特征 2 個頻段整體呈規(guī)則差異,，局部快衰特征存在一定差異,。故從長遠來看，頻段影響估算或預(yù)算時可以直接采用 11.17 dB 的差值，而具體站點 / 扇區(qū)級的仿真預(yù)測,，還應(yīng)進行詳細的建模計算,。
c）使用中，如進行嚴格的 CW 模型校正,，無論采用三維射線跟蹤模型或傳統(tǒng)的統(tǒng)計模型,，均已經(jīng)考慮相關(guān)頻段影響，估算中如要進行覆蓋距離計算則直接可用電磁傳播模型來計算,，而估算電平級可直接應(yīng)用測試值 11.17 dB,，如建模仿真使用，則建議使用嚴格校正的模型來預(yù)測計算,。
04,、總結(jié)
本文詳細分析了 5G 3 500 MHz 與 4G 1 800 MHz 頻段損耗差異問題。針對該問題,，本文結(jié)合理論分析與實際精準(zhǔn)測試,，給出 5G 與 4G 承載核心頻段帶來的空中損耗差異，供相關(guān)的方案規(guī)劃及設(shè)計參考,。