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5G移动通信系统的传播模型研究

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杨光陈锦浩

【摘要】5G移动通信系统正在建立试验网，需要选择合适的传播模型对5G传播中的电磁波传播特性进行预估和测试。3GPP组织给通信行业提供的标准协议38.901中描述了5G移动通信应用环境下各种场景的适用传播模型。针对38.901中的5G传播模型进行分析，与4G36.873传播模型进行对比，研究不同频率不同传播距离下的路径损耗规律，并提出路径损耗与覆盖距离的关系，为5G移动通信网络的建设规划和优化提供指导意见。

5G移动通信；传播模型；路径损耗

1引言

对移动通信网络的通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围进行估算时，电磁波传播损耗是其中一个非常关键的参数。为了保证移动用户的通话和通信质量，确保基站覆盖服务区内的通信业务，通信基站在建站时，设计人员必须使用传播模型仔细地计算和仿真收发天线间的空口传播损耗。无线传播模型用于描述发射机到接收机间信号的传播行为，主要与射频信号收发天线间的距离及路径损耗有关。

针对不同的频段，选择合适的传播模型，对于5G通信系统的空口规划和硬件选型都很重要，这是频谱规划和组网的基础，有助于工程师预测特定站址在实际环境下的传播损耗，为网络规划及优化奠定基础。由于5G试验网刚刚开建，所能获取的相关有用数据非常有限，目前缺乏针对不同场景的合理传播模型。5G移动通信使用的频率在0.45GHz—6GHz和毫米波24.25GHz以上，路径损耗、阴影衰减、穿透损耗、植被损耗、人体损耗、大气损耗、雨衰损耗等都会引起无线电波传播时的衰减损耗。

2G/3G/4G系统建站时，采用的传播模型大多是基于现有的常用经验传播模型，并在此基础上根据路测数据进行模型校正，以尽量准确地反映真实场景下的传播损耗。尽管可以通过模型校正使所采用的模型能够基本控制在要求的范围之内，然而由于不同传播模型的侧重点、适用场景以及参数选择等不完全一致，导致各个传播模型之间的结果校正后仍然存在较大差异[1]。因此，针对不同的地貌及环境特点，选用相应适宜的5G传播模型，尽可能准确地描述特定场景下的传播模型，这对于今后5G网络规划及优化的准确性将起到非常重要的作用。

2自由空间传播模型简介

自由空间是相对介電常数及相对磁导率均为1的理想介质，电磁波能量不会损耗。自由空间传播损耗是指天线辐射的电磁波在视距路径中传播时，由于传播距离的不断增大引起的能量自然扩散现象。

自由空间传播损耗实际上是球面波的扩散损耗，其模型表示为[2]：

（1）

式（1）中，d是收发天线的间距，单位为km；λ指工作波长；f的单位是GHz；c是自由空间传播的光速，单位是m/s。

将上述公式转化为以频率为参数的dB形式，可得到：

（2）

从式（2）可以看出，电磁波频率f越大或者传播距离d越远，自由空间的传播损耗Lfs，dB就越大[3]，Lfs，dB越大说明接收端接收到的功率非常小。这个传播模型是自由空间中的理想情况，也是各种传播模型的基础公式。在实际通信应用规划和优化中，需要针对不同频率、不同场景进行模型优化、校正和预测，以得到符合实际通信应用场景的传播模型。

35G传播模型组织和文献

5G移动通信发展日新月异，大量组织和研究人员对5G移动通信无线传播模型展开研究，有4个主要组织各自发布了5G传播模型[4]，频率适用范围都是0.5GHz—

100GHz，分别是：

（1）3GPP。3GPP提供连续的工作进展报告，为5G行业提供国际标准，5G传播模型文档为3GPPTR38.901-e30[5]，对应频率范围是0.5GHz—100GHz，必威体育精装版版本发布于2017年12月（Release14，V14.3.0）。3GPP另外还有3GPPTR38.900V14.3.1（2017-07）[6]，对应频率范围是6GHz—100GHz，并没有包含6GHz以下的场景。

（2）5GCM（5GChannelModel）。5GCM是由15家公司和大学合作组成的特设小组，根据广泛的测量活动，对3GPP的开发模型进行补充和修正。5G传播模型文档[7]的必威体育精装版版本发布于2016年10月。

（3）METIS2020（MobileandwirelesscommunicationsEnablefortheTwenty-twentyInformationSociety）。METIS2020是由欧联赞助的大型研究项目组。5G传播模型文档[8]的必威体育精装版版本发布于2016年6月。

（4）mmMAGIC。mmMAGIC是由欧联赞助的另外一个大型研究项目组。5G传播模型文档[9]的必威体育精装版版本发布于2017年5月。

需要说明的是，5GCM、METIS2020、mmMAGIC发布的传播模型，都是在3GPP发布的模型基础