5G与4G承载核心频段带来的空中损耗差异

摘要： 

针对5G与4G网络规划中覆盖差异及损耗问题，通过理论分析和精确、严格的测试，对5G网络主用频段3 500 MHz与4G网络主用频段1 800 MHz进行了对比，得出5G与4G网络天线口EIRP相同的情况下的空口损耗差异，较现有引用的方法修正了约5.39 dB，并提出该差异值的计算和测试方法及应用建议，为5G/4G的网络方案及策略的制定提供参考。

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概述   

2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，标志着我国5G移动通信网络正式进入建设元年。除5G网络典型技术外，各大运营商均基于4G现网站址和结构进行5G网络的规划建设。因而5G网络规划建设面临的最大问题是5G网络所采用3.5 GHz核心频段下的射频网络覆盖特性与现有4G网络的差异。

针对5G射频网络而言，首次引入了3.5 GHz频段和4.9 GHz频段，后期也会考虑引入毫米波。随着移动通信向高带宽、高容量、超低时延、大连接的方向演进，引入高频段是不可避免的。在此情况下，对于5G网络而言，更需要对高频网络下电磁传播特征以及与现网频段特性差异，特别是直射、衍射、反射、透射、散射等射传播频特征进行研究。这直接决定运营商5G网络规划的方向以及5G网络最终的性能和用户业务感知。

运营商在规划5G网络时，通常都要和4G现网链路级性能进行对比和评估，具体如表1所示。

表1  5G与4G网络规划链路预算差异表（常规）

表1是具有典型代表意义的4G、5G特征链路差异预算表。从表1可以看出，存在两大类的因素：

a)技术因素，如5G采用的MassiveMIMO、发射功率等参数。

b)5G引用新的更高的3.5 GHz频段带来的空中损耗差异。

其中针对技术因素，基于实验室算法/测试，通过链路级预算已经可以较为精确地估算和确定，其精确度差异往往在dB级，且网络配置如果确定，其链路影响基本确定，相对简单。

针对频段空口损耗差异，虽有理论计算方法，但5G移动通信业务场景多为低空地面覆盖网络，受建筑体、山体、树木等影响，其实际损耗值与理论计算有较大差异。本文将结合理论分析与实际精准测试，给出5G与4G承载核心频段带来的空中损耗差异，供相关的方案规划及设计参考。

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理论分析

2.1 问题分析

目前，5G网络建设中引入3 500 MHz频段，而4G核心频段为1 800 MHz，较之前2G引入3G或3G引入4G而言，频段上出现大幅度变化，如表2所示。

表2  网路规划建设现有网络与新建网络频段差异

对于5G引入的3.5GHz高频段，该频段原为C频段卫星/微波使用频段，因其高频特征主要用于视距通信。而在移动通信网络中，往往用于地面、建筑全覆盖，大部分属于地面网络下的非视距通信通信。而这样应用场景下的电磁波传播的技术经验和技术积累非常少。

为此，需要从理论及实践测试2个方面确定其空口损耗上的差异，以便更好地在链路预算评估及网络建模仿真进行更为科学、合理地应用。

2.2自由空间损耗理论计算   

自由空间电磁波传播损耗计算是电磁传播计算的基础，可由式（1）计算：

其中Ls自由空间损耗，单位dB；

F为载波频率，单位MHz；

D为传播距离，单位 KM。

注意，这里自由空间传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播，该环境定义的是电磁波传播的理想传播环境。在该环境下，电磁波在传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射、散射或折射等。其主要表明电磁波在理想空间传播时能量扩散特征。

在这样条件限定下，显然与目前5G、4G移动网络环境下，建筑体阻挡、反射、折射、吸收透射等，山体反射及阴影阻挡，城市环境的树木绿植的吸收投射、阻挡反射等计算环境存在差异。

而目前5G移动通信网络多采用基于自由空间损耗公式来评估频段差异，具体如下：

根据以式（2）得出，其频率差约为5.78 dB，与表1常用的链路损耗差异数值基本一致。目前，较多的链路级评估采用该值进行评估。显然，其与实际电磁波传播环境存在重大偏差。

2.3经验传播模型启示  

基于大量数据的统计特征形成的经验传播模型是移动通信网络规划、设计、建设优化必备的基本工具。目前，使用最为广泛的电磁传播模型为Okumura模型。

该模型得名于奥村，其在20世纪60年代日本东京，基于不同频率、不同天线高度、不同距离等无线电磁传播的特征因素进行大量数据测试，基于数学统计，得出对无线信号传播损耗进行估测的经验模型。

在Okumura模型的基础上，以其市区传播模型作为标准，对其他区域进行了修正，进一步提升预测的精确程度。形成了Okumura-Hata模型，其简化表达式为：

其中：A1, A2, A3, B1, B2,B3为Hata 参数；f频段(MHz）；hBS 有效的基站天线高度(m) ；d收发机之间的距离( km) ；

a(hm)移动终端天线高度修正函数；Cclutter为地貌修正函数。可以看出，其由于频率损耗特征公式为：

经过一些测试与校正，得出900 MHz与1 800 MHz的A2典型值分别为26.16和27.50。

基于理论计算和经验模型可以得出900MHz与1800MHz网络空口损耗不同算法理论计算值，如表3所示。

表3  900MHz与1800MHz网络空口损耗

不同算法理论计算值

这里需要说明下，由于该模型频段适用范围的限制，此处使用900 MHz和1 800 MHz重在说明频段差将影响A2的取值，以此类推到1 800 MHz与3 500 MHz的空中损耗差异。从表3可以看出：

a)自由空间与移动环境下，不同频率引起的损耗有所增加，表明不同频段的电磁波传播特性将影响A2的取值，这与相关的理论分析结论一致。

b)实际修正较60年代东京测试等均有所增加，表明该参数将随着无线环境阻挡等因素，会相应增加修正系数。

c)基于现有1 800 MHz、900 MHz频率衰减特征可以推出3 500 MHz特征随着城市环境差异，损耗较自由空间计算值将更大。

d)该参数的修正应在严格环境下的现场测试得出。

e)由于该模型往往计算1 km外，目前5G重点1 km内，故测试应重点关注在1 km内，5G特征覆盖区域内的数据特征。

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无线测试环境搭建

3.1现有测试方法缺陷分析

目前， 3 500 MHz与1 800 MHz多基于试验网络进行拉网/DT测试，该方式将引入其他因素，导致结果偏差，具体如下。

a)测试区域内，5G与4G站点规模、位置、结构存在差异。

b)同一站址的5G与4G站点挂高与具体安装位置差异。

c)同一站址下5G与4G站点馈线及接头损耗、天线配置、天线方向性图等存在差异。

以上因素，因为区域内站点往往量级较大，很难针对单点进行细致、精确地修正，同时测试手机接收性能差异也会影响结果的评估，而得出的5G与4G网络覆盖的差异，可以用来做简要的评估，但无法进行链路级性能的计算。

3.2本文测试方法

针对常规测试存在的问题，此次测试采用在同一位置架设同一高度的发射天线，并采用射频功率计分别测试天线口功率差，再考虑全向天线增益及方向性图差异，满足发射端EIRP的统一。发射端发射30 kHz窄带CW信号。

在接收端，采用高精度高频数字扫频接收仪，同时监测1 800 MHz与3 500 MHz窄带信号，以确保接收端无其他因素导致的差异，如图1所示。

图1 测试结构及设备方框图

在这样的配置下，选择在国内一线城市，确定3个站点进行测试，3个站点均位于该城市城区范围。

在结果处理时，充分考虑不同频段配置差异，并对数据进行严格地均化、过滤等，最终得出3 500 MHz与1 800 MHz空中损耗的差异。

在各测点测试数据情况如表4所示。

表4  900MHz与1800MHz测试数据量级统计

从表4可以看出，本文在某一线城市城区环境选择了典型的无线环境场景，并选择了3个具备代表性的站点，每个站点均进行了海量数据测采集，测试路线涵盖站点下所有主要道路，满足常规意义上CW测试无线环境及特征站点等相关要求。

3.3测试结果及分析

针对以上3个站点的测试数据，按照位置进行不同频段栅格化均化，再按照均化后的位置与站点位置进行距离计算，最终得出距离站点不同位置下，3 500 MHz、1 800 MHz的空中损耗差异。

为更明显地看出其对数正态衰落特征，如图2~图4所示，此次数据处理按照每多个测点进行移动平均（图2~图4中黑色曲线），可以从感性趋势角度再分析频段差异带来的损耗变化。表5给出了900 MHz与1 800 MHz口空损耗差异的量化统计。

图2 站点1 3500MHz与1800MHz损耗与距离关系示意

图3 站点2 3500MHz与1800MHz损耗与距离关系示意

图4 站点3 3500MHz与1800MHz损耗与距离关系示意

表6  900MHz与1800MHz口空

损耗差异一览

从图2~图4以及表5可以得出：

a)最终3个站点3 500 MHz与1 800 MHz差异约为11.17 dB，较其他多处按照自由空间核算频率差5.78 dB约修正5.39 dB。该测试值可直接用于链路评估及预算中。

b)图2~图4中趋势可以看出，其3 500 MHz与1 800 MHz慢衰落特征与距离呈规则递减，且建筑物影响、衍射/发射特征2个频段整体呈规则差异，局部快衰特征存在一定差异。故从长远来看，频段影响估算或预算时可以直接采用11.17 dB的差值，而具体站点/扇区级的仿真预测，还应进行详细的建模计算。

c)使用中，如进行严格的CW模型校正，无论采用三维射线跟踪模型或传统的统计模型，均已经考虑相关频段影响，估算中如要进行覆盖距离计算则直接可用电磁传播模型来计算，而估算电平级可直接应用测试值11.17 dB，如建模仿真使用，则建议使用严格校正的模型来预测计算。

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总结

本文详细分析了5G 3 500 MHz与4G 1 800 MHz频段损耗差异问题。针对该问题，本文结合理论分析与实际精准测试，给出5G与4G承载核心频段带来的空中损耗差异，供相关的方案规划及设计参考。

来源：邮电设计技术（ydsjjs）公众号

原文标题：5G与4G主用频段空口损耗差异浅析

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责任编辑：haq