基于地理位置变化的5G小基站传播特性研究

夏德政

（广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630）

0 引 言

随着5G时代的物联网高数据业务需求挑战，小基站越来越多地用于满足热点容量需求。具有弱衍射传播特性的3.5 GHz频段将用于小基站和热点区域。由于3.5 GHz频段通过扩展其工作频率带宽对环境产生相当大的影响，现有的信号强度特性分析很难预测3.5 GHz频段的性能和工作特性。因此有必要根据环境的变化和位置特性，对3.5GHz频段进行统计建模。

1 测量说明

最常见的传播模型包括点对点的视线（LOS）和非视线（NLOS）传播预测模型。根据街道上典型的小基站部署位置，测量地点选择在典型的复杂城市环境。测量场景包括两个发送机位置和接收信号路径，Tx（发送机）位置固定在现场，Rx（接收机）沿着规划路线行驶。测量范围从LOS半径20 m到500 m不等，测试过程同时保持良好的服务质量。测量系统的主要参数如表1所示。

表1 测量系统的主要参数

2 位置和结果的统计分析

2.1 路径损失的中值模型

位置百分比是指统计不同位置的无线信号强度的百分占比。本次测试路径不限定最大半径，从测试的结果显示，随着离Tx（发射机)距离的增加，路径损耗值因距离越远而变化显著。通过短程LOS和远程NLOS区域的清晰对比，两个区域被急剧衰减分开，损耗显著增加。PL（路径损耗值）随距离而变化，按照以下函数式进行分布：

式中，L0是初始损益值，n是损益指数，d是接收机收到信号的位置，dref为20 m。Xσ为标准偏差（STD）。这些数据通过对测量的接收数据进行回归分析来估计。每个区域的参数如表2所示。

表2 位置特征推导参数

2.2 位置变化的最佳拟合分布

位置校正系数旨在根据信号的变化确定以概率密度函数（PDF）表示的最佳拟合分布。拟合和测量接收数据之间的差的概率密度函数显示为最佳拟合分布。PDF的研究结果显示，将位置变化的LOS和NLOS模型分别视为极值分布和逻辑分布是合理的。与NLOS区域相比，LOS区域在少量数据项上会出现一些偏差。在本次研究中，极值分布比逻辑分布更适合，因为极值分布与3.5 GHz信号位置变化趋势相似。进一步说，将修正值加到LOS的中间值和NLOS路径损耗是位置百分比的函数，函数式如下：

式中，∂，δ是标准偏差（LOS为9.65 dB，NLOS为10.83 dB）；E-1(·)是反极值累积分布函数（CDF）；L0-1(·)是逆逻辑累积分布。

2.3 LOS距离推导

LOS和NLOS传输距离的位置图百分比分布是计算路径损耗的步骤，。

LOS距离dLos的函数式是：

式中，P是位置百分比（15%～100%），距离处的路径损耗通过下式计算出：

式中，ω是LOS和NLOS之间的距离，典型距离是ω=20 m。

2.4 位置百分比的路径损失结果

根据位置百分比结果显示分析。位置百分比为50%时，距离发射机的半径为255 m；75%时半径为383 m；90%时半径为459 m。如图1所示。

图1显示基于位置百分比的路径损耗，并突出显示根据测量数据应用位置百分比得到的结果。点代表测量数据，每行显示通过应用50%、75%、90%以及99%的定位百分比得到的结果。这种损耗随着距离的增加而增加，在大约160 m位置开始迅速增加。造成信号迅速衰减的原因是拐角距离转角点造成，图1中的数据包含LOS和NLOS区域位置变化统计信息，同时为LOS和NLOS之间的转角距离提供一个统计模型，信号衰减在市区一般为20 dB。

路径损失的结果表明，空间变化的响应存在差异，有必要对周围环境下信道特性的变化进行统计建模。

3 用射线追踪法验证测量结果

为验证测量结果的有效性，通过基于地理信息系统建立仿真条件和模拟环境，模拟环境要素包括建筑物和森林信息，建筑物的高度、道路的宽度、建筑物的密度以及材料（沥青、金属、水泥、木材等）等。每种模拟数据都给出不同的可靠性值，例如每种材料的介电常数、导电率和传输率（例如，其导电率为0.012），Rx天线高度为2 m，Tx天线高度为7.3 m。

通过仿真后模拟结果如图2所示，圆点显示射线跟踪模拟的结果，带圆圈的线显示应用位置百分比50%和90%的射线跟踪模拟的结果。黑线显示50%和90%位置百分比的实际测量结果。

射线追踪模拟结果与测量结果对比，趋势差异很小。考虑到总体趋势是减少，只有10 dB的差异。因此，可以确定基于3.5 GHz的小基站传播模型可靠性。

4 结 论

本文通过研究3.5 GHz频段小基站传播特性与传播距离位置的关系，从位置百分比分析中，得到最适合的NLOS位置值和LOS的最佳位置选择。通过与实际测量相似的仿真环境，将测量结果与三维射线跟踪仿真结果进行比较分析，验证该方法的有效性，有助于3.5 GHz频段在5G网络建设的小基站规划。