5G信号传播模式与频段选择分析

张 晨

（中国电信股份有限公司上海分公司，上海 200050）

0 引 言

根据IMT-2020规范要求，5G的用户体验速率需达到100 Mb·s-1以上，对于热点高容量场景速率需达到1 Gb·s-1以上（峰值速率20 Gb·s-1）， 单位面积容量提升到10 Mb·s-1·m-2，并确保 500 km·h-1高速移动中的通信业务质量[1]。这些指标相对于4G的IMT-Advanced标准[2]有大幅提升。为满足需求，论证移动通信信号传播模式不选择地表波和天波的原因，从基础理论的角度分析频段高低对覆盖、容量及质量的影响，提出除了国内运营商选择的2.5～2.7 GHz（n41）、3.4～3.6 GHz（n78）以及4.8～4.9 GHz（n79）频段[3]以外其余频段的分配方法，以满足不同场景的需求。

1 信号传播模式的选择

无线电波的传播模式分为地表波、天波及空 间波。

地表波传播容易受地形影响。对于导电性能好且中等起伏的地形，如平静的河海，电波损耗小，通信质量高。然而，5G技术主要应用于经济高度发展的大城市，且面向物联网；城市中的沥青路面在干燥环境中的电导率偏低[4]，对电波的吸收作用明显，且城市地形以不规则地形为主，建筑物密布，同样阻碍地表波的传播。

天波传播可靠性差。由于电波传播路途远且电离层的时变特性明显，因此多径衰落严重[5]；电离层自身也会对电波产生吸收作用[6]，尤其在白天，吸收损耗更大；太阳黑子活动也会进一步加剧吸收损耗[7]。

除此之外，适合地表波和天波传播的频段只有甚高频（Very High Frequency，VHF）以下的低频频段，容量有限。

空间波传播不可紧贴地面进行传播，这是空间波与地表波的本质区别之一。因此，需通过新建基站来解决阴影衰落问题，并提高天线高度以增大传播余隙，使其大于第一菲涅尔区半径[8]，从而增大传播距离。这种传播模式的优点是电波受地形影响小，可靠性高。尽管建设成本大，但确保业务质量是需要优先考虑的。因此，5G移动通信只可选择空间波传播模式。

2 信号频段的选择

2.1 信号频段对覆盖的影响

2.1.1 从大气穿透损耗角度分析

根据自由空间的传播损耗公式：

式中：d为发射机与接收机之间的距离，单位为km；f为无线电波的频率，单位为MHz；传播损耗L的单位为dB。对式（1）取反对数，传播损耗与距离和频率均成正比。电波频率增加到n倍，如控制传播损耗不变，则覆盖半径会下降至原来的1/n。

2.1.2 从雨衰角度分析

雨衰分为吸收衰减和散射衰减，其中吸收衰减更为严重[9]。在低于100 GHz的频率范围内，雨衰与电波的频率正相关；在低于10 GHz的频率范围内，雨衰与电波频率的关系曲线的一阶导数较大，增长率明显。

2.1.3 从固体介质损耗角度分析

对于同一种建筑物介质，无论是入射介质时的反射损耗，还是在介质内部的吸收损耗，均随电波频率的增大而增大[10]，而且电波的绕射能力与其频率反相关，低频率电波可以到达高频率电波难以到达的地方。

2.1.4 覆盖问题改善措施

在不改变频段的前提下，能显著提升覆盖率的有增大发射机功率和增加基站数量两种措施。

（1）增大发射机功率。这一措施的施工量小，但是对于信号覆盖的边缘地带，由于环境的高随机变化性，信号稳定性难以保证，而且单一提升发射功率会导致电力成本剧增。

（2）增加基站数量。这一措施可确保边缘地带的信号稳定性，但施工量较大，而且基站数量增多，总耗电量也会增大。除此之外，基站密度增加时，站址规划需更周密严谨，以避免导频污染。

因此要原则性地改善覆盖问题，应选择低频率的频段。

2.2 信号频段对容量的影响

2.2.1 从理论容量角度分析

根据香农公式：

式中：B为信道带宽；S为信号功率；n0为噪声功率谱密度。信道容量对业务的影响有两方面。一方面，对于单一接入业务，信道容量越大，最高传输速率也越大；另一方面，当传输速率为定值时，信道容量越大，可同时容纳的接入业务数越多。当信号功率和噪声功率谱密度不可调整时，唯一能提高信道容量的方法是增大频宽。移动通信的载频一般选择位于特高频（Ultra High Frequency，UHF）的分米波、位于超高频（Super High Frequency，SHF）的厘米波以及位于极高频（Extremely High Frequency，EHF）的毫米波，波长每缩短一个数量级，频宽则增大一个数量级。

2.2.2 从频谱占用率角度分析

目前，国内运营商的2G、3G及4G无线网络的占用频段集中在300～3 000 MHz的UHF。尽管2G和3G无线网络正在逐步退网，可进行频谱重耕[11]，但UHF不仅频宽窄而且总体频谱占用率高，难以应对集中且同时在线的业务需求。一旦不同信号的中心频率在窄带频段上的排列过于紧密，并且不采取干扰抑制措施，就容易发生同频干扰和邻道干扰。即使引入了干扰抑制技术，如果频谱混叠过于严重，仍会使接收机底噪抬升，信号与干扰加噪声比下降，从而使信道容量下降，最高传输速率下降，可同时容纳的接入业务数下降。

2.2.3 容量问题分析总结

SHF的总频宽是UHF的10倍，EHF的总频宽是UHF的100倍，理论容量非常大。国内还未对这两种频段进行充分开发，频谱占用率也极低。因此，为满足容量需求，应选择高频率的频段。

2.3 信号频段对质量的影响

根据多普勒频移的计算公式：

式中：v为发射机与接收机之间的相对运动速度；λ为无线电波的波长；θ为发射机相对接收机的运动方向与无线电波的传播方向之间的夹角。将波长换算为频率后可得，电波频率越大，多普勒频移越严重。多普勒频移会导致接收端误码率增大。对于高铁掉话问题，运动速度快是其中一个原因，而电波频率高是另一原因。

有关覆盖、容量及质量的综合评价如表1所示。

表1 3种频段技术指标的综合评价

3 几种常见5G应用场景的频段分配建议

不同频段的优缺点不同，不同应用场景的频段分配应视具体情况而定。

3.1 高铁动车场景

高铁动车行驶速度非常快，如分配过高的频段会进一步加剧多普勒频移。对于沿铁道建设的基站，站与站之间的距离必须拉大，否则会因为列车通过不同基站的间隔时间过短而导致切换频繁。但基站之间的距离增加，高频段的传播损耗则会变得更大。另外，高铁动车经过的地区一般人口密度低，业务量不大，对系统容量的要求不高。因此，综合来看，对于高铁动车场景，建议分配UHF的中低频段。

3.2 山区峡谷场景

山区峡谷场景的阴影衰落问题严重，且不方便基站建设，一般只能选择在山顶相对开阔平坦的位置建设基站[12]。为使高山上的信号成功覆盖到山谷，必须考虑绕射损耗问题，因此，该场景仅适合分配低频率的频段。另外，山岭地带不适合长期居住，用户稀少，业务量不大，不需要太高的系统容量。综合来看，对于山区峡谷场景，建议分配UHF的中低频段。

3.3 城市室外场景

城市室外场景的主要特征是人口稠密、高楼聚集，且存在大量面向物联网的业务，因此，需要缜密考虑信号覆盖与系统容量两方面的需求。除此之外，室外物联网业务一般全天24 h不间断运行，因此也需要考虑功耗问题。综合来看，应在确保容量的前提下尽量选择低频段。建议分配SHF的中低频段，并引入大规模MIMO技术[13]，在规避导频污染[14]的前提下，利用空间复用和空间分集，最大限度地提高频谱效率和传输可靠性，以增大系统容量。也可直接分配带宽更广的SHF的高频段，但需注意不能干扰正常运营的射电天文业务（23.5～ 24 GHz）、卫星地球探测业务（24.6～27.5 GHz）以及无线电导航业务（31.6～33.7 GHz）等[15]。

3.4 城市室内场景

相比于室外场景，室内场景的业务量更大，分布更加集中，且同样面向物联网，对系统容量的要求极高。如果室内场景选择了高频段，则电波穿过建筑物时的穿透损耗会很大，用传统的室外宏站解决室内覆盖难以满足需求。综合来看，建议先采用有线光纤将传输信号引入室内，然后采用Small Cell[16]与室内分布式天线系统结合的方式解决覆盖问题，频段可分配SHF乃至EHF以满足容量需求，同时，利用毫米波波束窄和方向性好的优势，可与MIMO技术相结合，实现精细覆盖。

4 结 语

由于传播环境的限制以及业务质量的要求，5G网络的信号传播模式只能选择空间波传播。信号频段的选择需视具体场景而定，需考虑覆盖、容量及质量3个方面，同时留意成本问题。另外，低时延也是5G相对4G的巨大提升之一[17]，业界提出了新型多址技术以满足低时延的需求，这些新技术也会对容量产生影响。在进行无线通信系统的分析设计时需综合考虑多方面因素。