市区场景下700MHz，1.9GHz和2.6GHz频段路径损耗模型及对比分析

钱肇钧，李　伟，方　正，杨　淼，戴慧玲（国家无线电监测中心，北京 100037）

市区场景下700MHz，1.9GHz和2.6GHz频段路径损耗模型及对比分析

钱肇钧，李伟，方正，杨淼，戴慧玲
（国家无线电监测中心，北京 100037）

针对我国5G移动通信系统候选频段传播特性的研究，本文提出了一种用于大尺度电波传播特性测试的方法，并将该测试方法应用于我国实际市区场景下的测试工作中。通过后期数据处理，使用最小二乘法估计拟合出了700MHz、1.9GHz和2.6GHz等3个频段市区场景的大尺度的路径损耗曲线和公式，并与自由空间和ITU的相关建议书中的模型进行比较，证明了测试方案的合理性。测试表明，700MHz较1.9GHz和2.6GHz频段路径损耗小，传播范围更广，能够加强其覆盖能力，从而节省大量的网络建设费用和能源消耗。进一步说明，700MHz更适合用于移动通信系统，有利于5G移动通信系统在我国的部署。

路径损耗；电波传播；5G移动通信系统；对比分析

1　引言

近年来，全球业界早已普遍将研发重点投向面临2020年及未来的5G系统的研发上，IMT-2020(5G)推进组[1]指出，在关键能力要求中，5G需要可支持0.1～1Gb/s的用户体验速率，每平方千米100万的连接数密度，毫秒级的端到端时延等美好愿景。

无线电频谱资源是实现这一愿景和技术的资源保障，通过使用ITU[2]中相关建议书的工具，测算到5G移动通信系统频谱需求带宽高达1490～1810MHz频谱，而当前已规划的频谱资源只有687MHz频谱，明显不足，仍需要增加接近1GHz频谱。然而，未来5G系统的频谱资源依然紧缺，亟需对6GHz以下其他频段进行考虑，以便更加高效使用这些频谱。700MHz频段，因其频段低，有其独特的优势，具有更广的传播距离，可以有效降低基站部署数量，可以节省基站和移动端的无线电发射功率，节约能源，很有可能成为未来5G通信系统所使用的频率。有关专家建议[3]，尽快释放700MHz“数字红利”，将其应用于移动通信发展，将带来十分可观的经济社会价值，对拉动信息消费具有重要现实意义。欧洲[4]正在考虑将700MHz频段给公众移动通信使用。

国际上[5][6]早已开展了针对这些频段的研究工作，而且指出[7][8]宽带无线电波传播的建模研究工作已成为业界热点。由于各个国家的地理环境都不同，而做好针对我国市区场景下的电波传播特性的测量和建模的研究工作，对于我国未来5G移动通信系统的市区部署应用具有重要的意义。为此，我们开展了主要针对700MHz这一炙手可热的频段，以及1.9GHz和2.6GHz两个4G移动通信正在使用的频段，总共3个频段在相同市区环境下进行电波传播特性的对比验证测试，从而获取了我国真实的路径损耗模型，以便掌握其传播规律，真实地体现700MHz在无线电波传播方面独特的优势。

2　测试依据

通过查找相关文献，在测试采样点数量的选取、测试车辆的车速，以及测试GPS精度等方面寻找了依据，以期获得科学的测试方案，保证测试工作的可重复性和结果的准确性。

2.1测试天线

国际电信联盟[9]给出了确定无线覆盖而进行的移动场强测量标准，规定在测试期间，测量接收天线高度为1.5～3米。本次测试接收天线使用全向天线，高度距离地面2.3米。

2.2发射信号类型

William c y Lee[10]给出宽带信号接收功率计算公式为

式中，Pr为接受功率；K为与频率和带宽无关的系数；f0为宽带信号的中心频率；B为宽带信号的带宽。

当B→0时

与窄带信号计算得到的接收功率相同。接收宽为B的宽带信号与接收单载波信号的功率比为

根据表1，可以看出，本次发射信号，选用单载波或者1MHz，2MHz，5MHz带宽的宽带信号都不影响接收功率的计算，因此，我们选择发射2MHz带宽的宽带信号。

对数值为

表1　在3个中心频率的条件下，发射不同带宽的宽带信号与单载波信号的接收功率比

2.3采样间隔

William c y Lee[10]规定：为在实际中值附近获得1dB的信赖区间，在40λ的平均间隔范围内，测试点的抽样应选在每个0.8λ处，即40个波长内测得50个值。按照最小情况2550MHz的采样间隔，本次测量需在5m范围内测量至少50个采样点。

2.4车速

William c y Lee[10]规定：测试车的速度必须适合同时测量但频率不同的测试信号个数的波长以及测试接收机的可用最短测量时间。计算车速的公式为

式中，tr为接收机规范中规定的重访单频的最短时间。

通过对安捷伦信号分析仪N9020A采样分析，设置合理的分辨率带宽及读写文件频率，重访单频的最短时间为25毫秒，接收的最高频率为2550MHz，因此将这两个参数代入公式（5）令车速不大于13.6千米/小时满足测试需求。

2.5定位精度

国际电信联盟[11]规定：在市区测试数字为蜂窝系统时，要求位置信息的精度在几米以内。本次测试选用精度为3米的747 A+ GPS Trip Recorder设备，保证位置信息精度在几米内。

3　测试系统及环境

3.1测试系统

本次测试发射端放在北礼士路80号主楼11层天台制高点（约35米），发射端连接如图1所示；接收端安装在测试车车顶，满足1.5～3米的高度要求，接收端连接如图2所示。

图1　发射端设备连接图

图2　接收端设备连接图

3.2测试环境

场景测试地点为北京市西城区（阜成门地区），为市区场景，有多种环境，有高楼和树木遮挡。测试按照口字形路线进行，绕一圈约4千米，图3中黄色五角星代表发射机地点，黄色箭头线表示测试车行驶路线。接收测试车进行绕圈测试，每一个频点均绕三圈以上，保证测试数据的丰富，拟合曲线的准确。

图3　测试地图与路线

4　测试步骤

测试按照下列步骤进行：

（1）对准备使用的天线、馈线和功放进行校准。

（2）扫频并确定测试频点。为了避免外界信号对测试的影响，结合频率规划、分配和实测情况，找出相对“干净”的频率进行测试，确定对698MHz，1917MHz，2550MHz进行传播比对测试。

（3）连接好测试设备。

（4）对发射端进行设置。设置待发信号的中心频率，信号模式选择CW信号，适当设置发射功率；接通功放电源，打开功放上的RF开关，信号源开始发射。

（5）对接收端进行设置。接收设备由频谱分析仪和笔记本电脑组成。接收端人员设置好接收信号的频率，按照事先规划好的路线开车匀速行进，测试车辆的速度应不大于13.6千米/小时。

（6）配置数据记录系统参数。笔记本电脑上的程序自动记录频谱仪接收信号的trace数据和时间数据，并保存到硬盘。记录数据时应当确保，在所测信号40倍波长距离内至少采集50组trace数据。同时，通过GPS接收设备记录地理坐标及其对应的记录时间等信息。

（7）先后设置发射频率为698MHz，1917MHz，2550MHz，接收端测试人员重复步骤（5）～（6）中的测试。

（8）对数据进行后续处理，用最小二乘法拟合得出3个频段传播路径损耗曲线，并与自由空间损耗和ITU的UMa NLOS等传播模型进行比对。

5　测试结果

5.1数据处理

根据国际电信联盟[9]介绍，在对数据进行处理时，可以选用两种方法：平均值（计算一定区域内的全部采样点的算术平均）、中值（对一定区域内的全部采样点进行概率统计，在传播研究中，建议选用50%中值）。由于本次测试为传播研究，测量不同频段路损，重点关注于大尺度衰落，因此，采用50%中值。

5.2结果分析

由于LOS情况下的测量样点偏少，故对700MHz 等3个频段的测量结果的讨论基本上都是基于NLOS情况。

5.2.1698MHz测量结果

698MHz测试电波传播距离约在100至1,180米之间，路径损耗如图4所示。

拟合得到的路径损耗模型可表示为

路损指数n=3.77，大于自由空间传播损耗的系数，路损拟合曲线与ITU-R UMA-LOS模型接近。

5.2.21917MHz测量结果

1917MHz测试电波传播距离约在100～1,000米之间，路径损耗如图5所示。

图4　698MHz路径损耗

图5　1917MHz路径损耗

拟合得到的路径损耗模型可表示为

路损指数n=3.59，大于自由空间传播损耗的系数，路损拟合曲线与ITU模型斜率接近。

5.2.32550MHz测量结果

2550MHz测试电波传播距离约在100～855米之间，路径损耗如图6所示。

图6　2550MHz路径损耗

拟合得到的路径损耗模型可表示为路损指数n=3.39，大于自由空间传播损耗的系数，路损拟合曲线与ITU模型斜率接近。

5.2.4各频段测量结果对比

698MHz，1917MHz，2550MHz在NLOS环境下和一部分LOS环境下的路损拟合曲线对比图如图7所示。

图7　路损拟合曲线对比图

综合NLOS环境和一部分LOS环境下的各频段路损特性对比结果可知：由于受测试系统本身、地形地貌、人口流动、树木植被和大自然本身等的影响，3个频段的电波传播路径损耗均显然大于自由空间路径损耗，这是很正常的。

从698MHz至2550MHz，随着频率升高，同样距离下的路径损耗上升。取同样的功率门限，频率越高覆盖范围越小。3个频段的路损指数分别是3.77，3.59，3.39，与典型的市区环境路径损耗指数n 在2至5之间[12]相吻合，表明实测的这些频段路损真实可靠，拟合的曲线斜率基本一致。

此外，拟合的3个频段电波传播路径损耗曲线均与ITU Uma NLOS模型接近，不仅说明测试的结果真实可靠，还说明ITU模型在3GHz以下频段是可用的。

综上所述，698MHz，1917MHz，2550MHz在本次UMa NLOS环境下的测试结果显示，700MHz频段路损特性最好，能覆盖的范围最大。

6　结束语

本文主要针对700MHz，1.9GHz，2.6GHz频段，进行了实际市区环境下的电波传播特性对比测试，从测试的结果来看，我们获得了这3个频段的大尺度传播特性的路径损耗模型，提取了路径损耗的参数。通过对路径损耗模型的对比分析，进一步验证了700MHz频段的路径损耗显著小于其他三个频段，市区场景中，用于5G系统时，在相同的发射功率条件下700MHz频段单基站覆盖面积最广；若要覆盖相同大小的区域，使用1900MHz和2600MHz频段基站的数量要比700MHz频段基站的数量按上述倍数增加。相对于1900MHz、2600MHz等在用公众移动通信频段，700MHz频段在覆盖方面优势明显。因此，上述频段均可用于5G系统的候选频段，而且700MHz能够加强其覆盖能力，从而节省大量的网络建设费用和能源消耗。

[1] IMT-2020(5G)推进组．5G概念白皮书[R]．北京：IMT-2020(5G)推进组，2015

[2] ITU. Future spectrum requirements estimate for terrestrial IMT [R]. Geneva: ITU, 2014.

[3] 高辰，素文．释放700MHz“数字红利” 开闸信息消费洪流[J]．人民邮电报，2013,8

[4] 宋颖．欧洲缘何欲将700MHz赋予移动宽带?[J]．世界电信，2013,11:37-39

[5] 胡海波．各国在2.6GHz频段应用的发展动态与分析[J]． 中国无线电，2004(12):14-18

[6] 黄标．我国470-806MHz频段使用情况分析[J]． 数字通信世界，2011(03):20-23

[7] Kitao K;Ichitsubo S Path loss prediction formula for microcell in 400 MHz to 8 GHz band[J].ElectronicsLetters.2004,40(11);685-687.

[8] 李焱，张璐，许家栋．基于移动端多天线系统的无线衰落信道模型[J]．电波科学学报,2003,18(6):712-716

[9] ITU-R SM.1708-1 Field-strength measurements along a route with geographical coordinate registrations[R].Geneva: ITU,2011.

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[11] ITU-R Spectrum Monitoring[R].Geneva: ITU, 2011.

[12] Abhayawardhana V S; Wassell I J; Crosby D; Sellars M P. Comparison of empirical propagation path loss models for fixed wireless access systems[C].Vehicular Technology Conference 2005.VTC 2005-Spring IEEE 61st[C].2005,1:73-77.

Path Loss Model and Comparative Analysis of 700MHz, 1.9GHz and 2.6GHz Spectrum in the Urban Area

Qian Zhaojun, Li Wei, Fang Zheng, Yang Sen, Dai Huiling
(State Radio Monitoring Center, Beijing, 100037)

In this paper, we propose a method for measuring the characteristics of the candidate frequency band of 5G mobile communication system. By studying the relevant literature, we propose a method to test the large scale wave propagation characteristics. The test method is applied to the test work in the actual urban area. Through data processing, using the least square method to estimate the curve and formula of path loss of 700MHz 1.9GHz and 2.6GHz spectrum, and compared with the model of free space and ITU-R. The rationality of the test scheme is proved. Tests show that the 700MHz and 2.6GHz band path loss is small, the transmission range is wider, which can strengthen the coverage ability, thus saving a lot of network construction cost and energy consumption. Further, 700MHz is more suitable for mobile communication system, which is conducive to the deployment of 5G mobile communication system in China.

Path loss; Radio propagation; 5G mobile communication system; Comparative analysis

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.011

TN92文献标示码：A

1672-7274（2016）02-0058-05

钱肇钧，工程师，现在国家无线电监测中心频谱管理研究处工作，主要研究电波传播、大规模MIMO的相关技术等。李 伟，工程师，现在国家无线电监测中心频谱管理研究处工作，主要研究宽带移动通信、无线电波传播技术等。方 正，高级工程师，现在国家无线电监测中心频谱管理研究处工作，主要研究车联网技术、无线电波传播技术等。杨 淼，工程师，现在国家无线电监测中心频谱管理研究处工作，主要研究电波传播、认知无线电技术等。戴慧玲，助理工程师，现在国家无线电监测中心频谱管理研究处工作，主要研究宽带移动通信、电波传播技术等。