高 帥，張忠皓，李福昌，延凱悅（中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

0 前言

30~300 GHz范圍的頻譜稱之為毫米波頻段，其波長(zhǎng)達(dá)到毫米級(jí)別。在通信發(fā)展早期，由于毫米波的工作波長(zhǎng)短、頻段寬以及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得毫米波主要用于軍事雷達(dá)通信［1］，后來(lái)毫米波技術(shù)逐漸被應(yīng)用到汽車?yán)走_(dá)、輻射監(jiān)測(cè)，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［2］。相較于6 GHz以下頻率，毫米波擁有更為豐富的可用頻譜資源，無(wú)線運(yùn)營(yíng)商所面臨的全球帶寬短缺，促使人們探索未充分利用的毫米波頻譜，并把它用于未來(lái)的寬帶蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)［3］。

毫米波通信系統(tǒng)可以通過(guò)波束賦形技術(shù)和多單元天線陣列的空間復(fù)用來(lái)達(dá)到更大的吞吐量，實(shí)現(xiàn)下行超過(guò)10 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，用以大容量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。然而相對(duì)于6 GHz以下頻段，5G毫米波落地應(yīng)用還面臨一系列問(wèn)題與挑戰(zhàn)，比如由于毫米波傳輸頻率較高而帶來(lái)自由空間損耗的增加，且毫米波極易受到陰影衰落導(dǎo)致信號(hào)中斷或間隙性傳輸?shù)葐?wèn)題［4］。運(yùn)營(yíng)商和各個(gè)行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始從系統(tǒng)應(yīng)用角度考慮5G毫米波部署和應(yīng)用問(wèn)題，但對(duì)毫米波鏈路特性和傳播特性的驗(yàn)證分析還較少。本文基于3GPP提出的毫米波視距傳輸（LOS）場(chǎng)景和非視距傳輸（NLOS）場(chǎng)景下的傳播特性模型，并結(jié)合外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果給出毫米波傳播和穿透損耗結(jié)果分析。還分析了毫米波穿透混凝土、玻璃、樹(shù)葉、人體等不同材質(zhì)的穿透損耗，最后依據(jù)毫米波鏈路傳播特點(diǎn)提出5G毫米波部署場(chǎng)景和部署位置的建議。

1 5G毫米波傳播特性分析

1.1 自由空間傳播路徑損耗分析

無(wú)線信道的傳播模型可分為大尺度（Large Scale）衰落傳播模型和小尺度（Small Scale）衰落傳播模型2種。大尺度衰落主要指數(shù)百米甚至上千米距離內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的變化情況，自由空間傳播模型是一種比較典型的大尺度衰落模型。在自由空間傳播中，可以認(rèn)為介質(zhì)是均勻分布的，一般來(lái)說(shuō)衛(wèi)星通信、空間通信和陸上的視距通信都是自由空間傳播［5］。自由空間衰落損耗與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線之間的距離以及載頻頻率有關(guān)，假設(shè)發(fā)射點(diǎn)以球面波輻射，則接收機(jī)處的功率如下式所示：

式中，Pt為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，Gt和Gr分別代表發(fā)射天線和接收天線的增益，λ代表波長(zhǎng)，λ=c/f，其中c為光速，即3×108m/s，f為載頻頻率，單位為Hz；d為發(fā)射天線和接收天線間的距離，L是系統(tǒng)損耗因子。這里將Gt和Gr取單位增益，可得到自由空間的傳播損耗PL如下式所示：

可以看出，在發(fā)射天線和接收天線間距離不變的情況下，載頻的頻率越高，自由空間損耗隨之增大。

1.2 LOS場(chǎng)景路徑損耗分析

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，電波通常在非規(guī)則的環(huán)境中傳播，3GPP TR 38.901規(guī)定了無(wú)線電波在城市區(qū)域內(nèi)直射路徑損耗模型［6］，如圖1所示，其應(yīng)用范圍為0.5~100 GHz的頻段，表達(dá)式如下：

圖1 城市場(chǎng)景室外直射路徑傳播示意圖

此處陰影衰落的分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置為σ=4，基站天線高度設(shè)置為25 m，接收天線終端高度為hUT，d3D為發(fā)射天線到接收天線的空間距離，d2D為發(fā)射天線到接收天線的水平距離，fc為載波頻率，單位為GHz。在上式中，斷點(diǎn)距離d'Bp=4 h'BSh'UTfc/c，這里c=3.0′108m/s代表光速，h'BS和h'UT分別代表發(fā)射端基站和接收端終端的有效天線高度。

圖2給出不同頻點(diǎn)相對(duì)于3.5 GHz頻點(diǎn)的路損差，假設(shè)f1與f2分別代表高低頻載波，則頻點(diǎn)帶來(lái)的路損差值計(jì)算為20×lg（f1/f2），計(jì)算得到28 GHz載波比 3.5 GHz載波路損高20×lg（28/3.5）≈18.06 dB，也即在發(fā)射天線和接收天線增益不變的情況下，3.5 GHz載波的理論傳播距離是28 GHz載波理論傳播距離的10（18.06/22）≈6.5倍。

3GPP TR 38.901同樣規(guī)定了室外覆蓋室內(nèi)的穿損模型［6］，如圖3所示。其中：

圖2 不同頻點(diǎn)相對(duì)于3.5 GHz頻點(diǎn)的路損差

圖3 城市場(chǎng)景室外覆蓋室內(nèi)示意圖

由圖3可知，基站發(fā)射信號(hào)穿透室內(nèi)時(shí)經(jīng)過(guò)墻壁或者玻璃的遮擋損失一部分性能，再經(jīng)過(guò)室內(nèi)傳播到達(dá)接收機(jī)天線處，穿損PL值計(jì)算如下：

上式中PLb為室外路徑損耗值，d3D分別用d3D-out和d3D-in替換，PLtw是無(wú)線電波穿透外墻建筑時(shí)的損耗，PLin是大樓內(nèi)部的鏈路損耗值，σP是樓內(nèi)穿透損耗的標(biāo)準(zhǔn)差。室內(nèi)穿透損耗PLin值計(jì)算如下式所示：

由式（5）可以看出，在室外覆蓋室內(nèi)的穿損模型中，建筑穿損PLtw占據(jù)重要的位置，不同的材質(zhì)對(duì)PLtw造成不同的影響。不同材質(zhì)的穿透損耗表達(dá)式也不同，普通多層玻璃：Lglass=2+0.2f；紅外反射玻璃：LⅡRglass=23+0.3f；混凝土：Lconcrete=5+4f；木板：Lwood=4.85+0.12f。

可以看出，不同材質(zhì)的穿透損耗值取決于載波的頻率，3.5~50 GHz電磁波經(jīng)過(guò)不同材質(zhì)的理論穿透損耗對(duì)比如圖4所示。

圖4 不同材質(zhì)下穿損值與頻點(diǎn)的對(duì)比圖

由圖4可以看出，3.5~50 GHz載波穿透普通多層玻璃和木板時(shí)的最大損耗約12 dB，而穿透紅外反射玻璃的最大損耗為38 dB，常用毫米波頻段26 GHz與28 GHz穿透紅外反射玻璃時(shí)的損耗分別為30.8 dB與31.4 dB?；炷翂υ?6 GHz頻點(diǎn)處的穿透損耗約為109 dB，可認(rèn)定為無(wú)法穿透。

1.3 NLOS場(chǎng)景路徑損耗分析

參考2.2節(jié)內(nèi)容，得知毫米波易被建筑阻擋，基本無(wú)法穿透混凝土墻，穿透紅外反射玻璃的效果也較差，因此毫米波在NLOS場(chǎng)景中會(huì)產(chǎn)生豐富的反射徑。3GPP TR 38.901定義了城市區(qū)域NLOS場(chǎng)景傳播模型如式（7）所示，設(shè)定10 m≤d2D≤5 km，其中σSF值為6：

1.4 近似LOS場(chǎng)景路徑損耗分析

毫米波在傳播過(guò)程中，容易受到降雨、樹(shù)叢遮擋、以及人體對(duì)電波的遮擋和吸收等影響［7-8］，若樹(shù)木或人體遮擋較少可看作近似LOS場(chǎng)景，這時(shí)需要額外考慮樹(shù)葉和人體遮擋帶來(lái)的損耗，其中考慮樹(shù)葉遮擋時(shí)需要考慮不同季節(jié)、不同品種的樹(shù)木對(duì)毫米波的遮擋情況，考慮人體遮擋時(shí)應(yīng)考慮身體部分遮擋和身體全遮擋等情況。

2 5G毫米波測(cè)試驗(yàn)證

2.1 LOS場(chǎng)景路徑損耗驗(yàn)證分析

在毫米波外場(chǎng)的LOS場(chǎng)景下進(jìn)行路損測(cè)試，3GPP定義的城市LOS標(biāo)準(zhǔn)模型PL曲線與測(cè)量所得PL擬合曲線對(duì)比如圖5所示。其中外場(chǎng)測(cè)試采用幀結(jié)構(gòu)DDDS，EIRP為58 dBm，載波頻率為26 GHz。

圖5中得到的路損測(cè)試擬合函數(shù)PL=28+20×lg26+22.29lgd，基本符合公式（4）中3GPP定義的城市LOS模型PL=28+20×lg26+22lgd，測(cè)試中26 GHz毫米波在100 m距離處大約有100.9 dB的路損。

由以上理論分析和實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，現(xiàn)有的高頻通信系統(tǒng)將受到直射路徑鏈路損耗帶來(lái)的極大影響，使得毫米波覆蓋能力大打折扣，因此應(yīng)考慮毫米波進(jìn)行短距離覆蓋，5G毫米波基站部署時(shí)應(yīng)該更加密集，趨向于熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋。

圖5 實(shí)際測(cè)試PL擬合曲線與城市LOS模型PL曲線對(duì)比圖

在外場(chǎng)測(cè)試的LOS場(chǎng)景也驗(yàn)證了不同材料遮擋時(shí)對(duì)毫米波性能的影響，5G毫米波穿透性能損耗測(cè)試結(jié)果表明：混凝土墻無(wú)法穿透；木門（5 cm）：6 dB；普通玻璃：5 dB；房車車體：17~23 dB。

測(cè)試中采用28 GHz毫米波進(jìn)行穿透測(cè)試，由測(cè)試結(jié)果可知，毫米波可以輕松穿透普通玻璃和木門，但是無(wú)法直接穿透混凝土墻，因此5G毫米波室外覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景會(huì)導(dǎo)致無(wú)線鏈路損耗過(guò)大，接收端信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降，無(wú)法滿足用戶的需求，在組網(wǎng)時(shí)不建議采用室外覆蓋室內(nèi)的組網(wǎng)方案。

2.2 NLOS場(chǎng)景路徑損耗驗(yàn)證分析

如圖6所示，毫米波外場(chǎng)測(cè)試中測(cè)試了NLOS場(chǎng)景對(duì)比LOS場(chǎng)景下的SSB-RSRP衰減為10~14 dB，測(cè)試載波頻點(diǎn)為28 GHz。因此可以判定毫米波適合部署在信號(hào)反射豐富的室外NLOS場(chǎng)景下，比如商業(yè)區(qū)或?qū)懽謽恰?/p>

圖6 NLOS與LOS接收信號(hào)對(duì)比

2.3 近似LOS場(chǎng)景路徑損耗驗(yàn)證分析

在室外近似LOS場(chǎng)景中，考慮到城市中夏季樹(shù)木的遮擋情況，在外場(chǎng)測(cè)試中對(duì)樹(shù)葉遮擋進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試時(shí)選擇28 GHz頻段，測(cè)試樹(shù)木樹(shù)冠直徑約為4 m，TUE1、TUE2和基站距離相等。當(dāng)接收終端TUE2被樹(shù)木完全遮擋時(shí)，接收信號(hào)SSB-RSRP相對(duì)于直射路徑下TUE1的SSB-RSRP衰減了20 dB左右，證明樹(shù)葉遮擋對(duì)毫米波的傳播影響較大，部署毫米波時(shí)應(yīng)充分考慮樹(shù)葉遮擋情況。

為了測(cè)試室外近似LOS場(chǎng)景中人體遮擋對(duì)毫米波信號(hào)造成的影響，外場(chǎng)測(cè)試中分別對(duì)1人、2人、4人遮擋終端場(chǎng)景進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)選擇28 GHz頻段，最終得到接收終端被人體遮擋時(shí)較未被遮擋時(shí)信號(hào)衰減11~28 dB?？梢缘弥谌巳好芗h(huán)境中，部署毫米波應(yīng)充分考慮人體穿透損耗，在人群密集場(chǎng)景應(yīng)將毫米波基站部署在較高位置，比如部署在屋頂或樓頂處。

在外場(chǎng)測(cè)試中沒(méi)有進(jìn)行雨雪等惡劣天氣對(duì)于毫米波的影響測(cè)試，參考文獻(xiàn)［9］包含了對(duì)毫米波雨衰的分析，不同的降雨量和雨水密集程度都會(huì)對(duì)毫米波造成不同的影響，毫米波速率也因此會(huì)有不同程度的下降。

3 5G毫米波部署場(chǎng)景建議

考慮到毫米波相對(duì)于6 GHz以下頻段在直射路徑下?lián)p耗較大［10］，因此部署初期應(yīng)考慮毫米波以短距離熱點(diǎn)覆蓋為主，搭配其他通信系統(tǒng)保證接收終端的通信質(zhì)量，并需要充分考慮惡劣天氣如雨、雪、霧對(duì)毫米波的影響。

在LOS場(chǎng)景或近似LOS場(chǎng)景下推薦的部署地點(diǎn)包括大型露天體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、大型廣場(chǎng)等地點(diǎn)。此類場(chǎng)景阻擋物少或無(wú)遮擋，用戶密度高、具有整體流動(dòng)性，流量需求大等特點(diǎn)，毫米波在此類場(chǎng)景下用以提供高速的內(nèi)容下載和高清直播觀看。

毫米波同樣適用反射路徑豐富的NLOS場(chǎng)景，比如商業(yè)街、工廠等地點(diǎn)。此類場(chǎng)景反射路徑豐富，終端接入量大，毫米波在此類場(chǎng)景下用以提供大容量的終端接入以及高速率的內(nèi)容上傳和下載。