5G移動通信系統(tǒng)

5G移動通信系統(tǒng)

一T-h^'門i“二+-，山"］二:：I區(qū)聲俳I■

目錄

第1章5G需求與愿景

1.15G總體愿景

1.2驅(qū)動力和力場趨勢

1.3典型業(yè)務、場景與性能挑戰(zhàn)

1"可持續(xù)發(fā)展與效率需求

1.55G關鍵能力

1.6小結(jié)

參考文獻

第2章候選頻率與傳播特征

2.1候選頻譜

2.2傳播特性

2.3小結(jié)

參考文獻

第3章標準化展望

3.15G標準化組織概述

3.25G的標準化進展

3.3小結(jié)

參考文獻

第4章多天線技術的演進：3D-MIM0

4.1技術原理

4.2典型應用場景

4.33D-MIM0中波束成形傳輸方案

4.43DTHM0中的信道反饋方案

4.53D-M1M0性能評估

4.63D-MIM0樣機測試驗證

參考文獻

第5章非正交與多址

5.15G新型多址技術面臨的挑戰(zhàn)與設計框架

5.25G與非正交多址

5.3非正交容量界分析

5.4MUSA

5.5SCMA

5.6小結(jié)

參考文獻

第6章全雙工

6.1無線全雙工簡介

6.2全雙工自干擾抑制

6.3全雙工在蜂窩系統(tǒng)中面臨的挑戰(zhàn)

6.4小結(jié)

參考文獻

第7章編碼與鏈路自適應

7.15G鏈路自適應的新需求和新趨勢

7.2小數(shù)據(jù)分組編碼

7.3分組編碼技術

7.4軟HARQ技術

7.5小結(jié)

參考文獻

第8章網(wǎng)絡架構(gòu)

8.15G網(wǎng)絡架構(gòu)需求

8.2現(xiàn)有網(wǎng)絡存在的問題

8.35G網(wǎng)絡架構(gòu)特征

8.4NFV與SDN

8.5小結(jié)

參考文獻

第9章用戶無感知的移動性管理

9.15G移動性的特惠和需求

9.25G網(wǎng)絡中移動性的場景分析

9.3移動性解決方案

9.4小結(jié)

第10章用戶為中心的門治網(wǎng)絡

10.1用戶為中心的自治網(wǎng)絡需求

10.2潛在技術方向

10.3小結(jié)

第11章亳米波系統(tǒng)的設計與驗證

11.1毫米波信道傳播特性：理論和實際測量結(jié)果

11.2波束成形算法

11.3毫米波波束成形原型系統(tǒng)

11.4原型系統(tǒng)的試驗結(jié)果

11.5小結(jié)

參考文獻

第12章超密集網(wǎng)絡及小區(qū)虛擬化

12.1超密集網(wǎng)絡概述

12.2LTE系統(tǒng)的小區(qū)結(jié)構(gòu)及分析

12.3UDN虛擬化技術

12.45G小區(qū)虛擬化的關鍵支撐技術

12.5小結(jié)

參考文獻

第13章海量機器類通信

13.1機器類通信市場前景和現(xiàn)有技術

13.2海量機器類通信技術需求

13.3海量機器類通信的網(wǎng)絡功能

13.4海量機器類通佶的無線技術

13.5面向海量機器類通信的網(wǎng)絡架構(gòu)演進

13.6小結(jié)

第1章

5G需求與愿景

從20世紀80年代第一代(1G)移動通信的誕生開始，移動通信深刻改變了人們的

溝通方式。面向2020年及未來，移動數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長、設備連接數(shù)的海量增加、

各類新業(yè)務和應用場景的不斷涌現(xiàn)，將對現(xiàn)有網(wǎng)絡產(chǎn)生非常嚴峻且無法滿足的挑戰(zhàn)，第五

代(5G)移動通信系統(tǒng)應運而生。從5G網(wǎng)絡的兩大驅(qū)動力一一移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)出發(fā),

通過預測未來5G典型應用場景和典型業(yè)務，同時結(jié)合5G網(wǎng)絡運營面臨的挑戰(zhàn)，提出了

5G應具備的關鍵能力，并給出了5G總體愿景。

1.15G總體愿景

20世紀80年代，第一代移動通信誕生，“大哥大’出現(xiàn)在了人們的視野中。從此，移

動通信對人們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹挠绊懪c日俱增。移動通信發(fā)展回顧如圖1-1所示。1G,

“大哥大”作為高高在上的身份象征；2G,手機通話和短信成為了人們?nèi)粘贤ㄒ环N重要方

式：3G,人們開始用手機上網(wǎng)、看新聞、發(fā)彩信；4G,手機上網(wǎng)已經(jīng)成為了基本功能，

拍照分享、在線觀看視頻等，已經(jīng)成了手機上能做的再熟悉不過的事情。人們的溝通方式、

了解世界的方式，已經(jīng)因移動通信而改變。想要知道更多，想要更自由地獲取更多信息的

好奇心，不斷驅(qū)動著人們而更高性能移動通信的追求?？梢灶A見，未來的移動數(shù)據(jù)流量將

爆炸式地增長、設備連接數(shù)將海量增加、各類新業(yè)務和應用場景將不斷涌現(xiàn)。這些新的趨

勢，對于現(xiàn)有網(wǎng)絡來說將會是不可完成的任務，5G移動通信系統(tǒng)應運而生。

a100wn>

畫明?依?.限產(chǎn)?y*恕"餌陽圓

AMPStWIMAWiMAX

…TYKSTtJMA

圖1-1移動通信發(fā)展回顧

5G作為面向2020年及以后的移動通信系統(tǒng)，將深入社會的各個領域，作為基礎設

施為未來社會的各個領域提供全方位的服務，如圖1-2所示。5G將提供光纖般的接入速

度，“零”時延的使用體驗，使信息突破時空限制，為用戶即時呈現(xiàn)；5G將提供千億設備

的連接能力、極佳的交互體驗，實現(xiàn)人與萬物的智能互聯(lián)；5G將提供超高流量密度、超

高移動性支持，讓用戶隨時隨地獲得一致的性能體驗；同時，超過百倍的能效提升和超百

倍的比特成本降低，也將保證產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。超高速率、超低時延、超高移動性、超

強連接能力、超高流量密度，加上能效和成本超百倍改善，5G最終將實現(xiàn)“信息隨心至，

萬物觸手及"的美好愿景。

d，J"4

圖1-25G深入移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的各個領域

1.2驅(qū)動力和市場趨勢

移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，是當前及未來移動通信的熱門方向。根據(jù)IMT-2020(5G)推

進組預測⑴，2020年相比2010年，全球移動數(shù)據(jù)流量的增長將超過200倍，而到了

2030年更將進一步超過萬倍增長，如圖1-3所示；而物聯(lián)網(wǎng)終端的規(guī)模也將在2020年

達到與人口相當?shù)牧考?，后續(xù)將進一步發(fā)展至千億級別，如圖1-4所示。

■■

■2010-2020年■2010—2030年

圖1-3移動互聯(lián)網(wǎng)流量增長

圖1-4物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)增長

移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛增長，將為5G提供廣闊的前景。移動互聯(lián)網(wǎng)將推動人類

社會信息交互方式的進一步升級，為用戶提供增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、超高清(3D)視頻、

移動云等更加身臨其境的極致業(yè)務體驗。各種新業(yè)務不僅帶來超千倍的流量增長，更是對

移動網(wǎng)絡的性能提出了挑戰(zhàn)，必將推動移動通信技術和產(chǎn)業(yè)的新一輪變革。

物聯(lián)網(wǎng)則是將人與人的通信進一步延伸到人與物、物與物智能互聯(lián)，使移動通信技術

滲透至更加廣闊的行業(yè)和領域。在移動醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等

場景，將可能出現(xiàn)數(shù)以千億的物聯(lián)網(wǎng)設備，締造出規(guī)?？涨暗男屡d產(chǎn)業(yè)，并與移動互聯(lián)網(wǎng)

發(fā)生化學反應，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。

1.3典型業(yè)務、場景與性能挑戰(zhàn)

移動通信網(wǎng)絡已經(jīng)越來越多地融入人們的工作和生活中，未來的5G網(wǎng)絡將與人們的

居住、工作、休閑和交通等各個領域結(jié)合得更加緊密。當前，在一些特殊區(qū)域，例如體育

場、露天集會、地鐵、快速路、高鐵等，由于這些場景的超高流量密度、超高連接數(shù)密度、

超高移動性等特征，現(xiàn)有網(wǎng)絡情況下體驗還不理想；另外一些區(qū)域，例如密集住宅區(qū)、辦

公室、廣域覆蓋場景等，考慮到未來將出現(xiàn)的新業(yè)務，如增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、超高清視

頻、云存儲、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、OTT消息等，也對速率、時延等提出更為苛刻的要求。

對日常工作、生活中的各種環(huán)境以及其中可能出現(xiàn)的各類應用，以“高流量密度”“高

連接數(shù)密度”“高移動性”為依據(jù)進行篩選之后，列舉出一些5G的典型場景。結(jié)合各場景未

來可能的用戶分布、各類業(yè)務占比及對速率、時延等性能要求，可以得到各個應用場景下

的5G性能指標，主要包拈用戶體驗速率、連接數(shù)密度、端到端時延、流量密度、移動性

和用戶峰值速率，見表1-1。表1-2中，辦公室場景的最大性能挑戰(zhàn)是數(shù)十Tbit/s/km?的

流量密度，密集住宅場景的最大性能挑戰(zhàn)是Gbit/s用戶體驗速率，體育場和露天集會場

景的最大性能挑戰(zhàn)是100萬/knv的連接數(shù)，地鐵場景的最大性能挑戰(zhàn)是6人/m，的超高

用戶密度，快速路場景的最大性能挑戰(zhàn)是亳秒級端到端時延，高鐵場景的最大性能挑戰(zhàn)是

500km/h以上的高速移動，廣域覆蓋場景的最大性能挑戰(zhàn)是100Mbit/s的用戶體驗速率。

表1-15G性能指標

表1-25G性能指標

H?知*

鳥幢。5、口上.3.”--------------------------------------------

14可持續(xù)發(fā)展與效率需求

在滿足多種場景下的性能挑戰(zhàn)的同時，使整個網(wǎng)絡具備可持續(xù)發(fā)展的能力，5G網(wǎng)絡

在建設、部署、運營維護方面，也需要大幅提升效率。

目前的移動通信網(wǎng)絡在應對移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式發(fā)展時，可能會面臨以下問題:

能耗、每比特綜合成本、部署和維護的復雜度難以高效應對未來千倍業(yè)務流量增長和海量

設備連接：多制式網(wǎng)絡共存造成了復雜度的增長和用戶體驗下降：現(xiàn)網(wǎng)在精確監(jiān)控網(wǎng)絡資

源和有效感知業(yè)務特性方面的能力不足，無法智能地滿足未來用戶和業(yè)務需求多樣化的趨

勢；此外，無線頻譜從低頻到高頻跨度很大，且分布碎片化，干擾復雜。應對這些問題，

需要從如下兩方面提升5G系統(tǒng)能力，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

?在網(wǎng)絡建設和部署方面，5G需要提供更高網(wǎng)絡容量和更好覆蓋，同時降低網(wǎng)絡部

署，尤其是超密集網(wǎng)絡部署的復雜度和成本；5G需要具備靈活可擴展的網(wǎng)絡架構(gòu)以適應

用戶和業(yè)務的多樣化需求；5G需要靈活高效地利用多類頻譜，包括對稱和非對稱頻段、

已有頻譜和新頻譜、低頻段和高頻段、授權和非授權頻段等；另外，5G需要具備更強的

設備連接能力來應對海量物聯(lián)網(wǎng)設備的接入。

?在運營維護方面，5G需要改善網(wǎng)絡能效和比特運維成本，以應對未來數(shù)據(jù)迅猛增

長和各類業(yè)務應用的多樣化需求；5G需要降低多制式共存、網(wǎng)絡升級以及新功能引入等

帶來的復雜度，以提升用戶體驗；5G需要支持網(wǎng)絡對用戶行為和業(yè)務內(nèi)容的智能感知并

做出智能優(yōu)化；同時，5G需要能提供多樣化的網(wǎng)絡安全解決方案，以滿足各類移動互聯(lián)

網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)設備及業(yè)務的需求。

從可持續(xù)發(fā)展的角度，頻譜、能耗和成本是移動通信網(wǎng)絡可持續(xù)發(fā)展的3個關鍵因

素，見表1?3。5G系統(tǒng)相匕4G系統(tǒng)在這3方面需要得到顯著提升。具體來說，頻譜效率

需提高5~15倍，能耗效率和成本效率均要求有百倍以上提升。

表1-35G關鍵效率指標

1.55G關鍵能力

從5G的典型應用場景的性能要求，可以總結(jié)出5G應該具備的一些關鍵能力。

?速率方面：支持0.1~1Gbit/s的用戶體驗速率和高達10Gbit/s以上峰值速率;

?連接能力方面：支持每平方千米百萬量級的連接數(shù)密度；

?時延方面：支持毫秒級的端到端時延；

?流量密度方面：支持每平方千米數(shù)十Tbit/s的流量密度；

?移動性方面：支持500km/h以上的移動性。

其中，用戶體驗速率、連接數(shù)密度和時延為5G最基本的3個性能指標。

為了提升網(wǎng)絡建設、部署、運營方面的效率，5G還應具備如下關鍵能力。

?頻譜效率：相比4G提升5?15倍；

?能源效率：相比4G提升百倍以上；

?成本效率：相比4G提升百倍以上。

性能需求和效率需求共同定義了5G的關鍵能力，猶如一株綻放的鮮花。紅花綠葉，

相輔相成，“花瓣”代表了5G的六大性能指標，體現(xiàn)了5G滿足未來多樣化業(yè)務與場景需

求的能力，其中“花瓣”頂點代表了相應指標的最大值；“葉子”代表了3個效率指標，是實

現(xiàn)5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障。

1.6小結(jié)

5G網(wǎng)絡的目標，在于支持未來移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)巨量增長帶來的苛刻需求?？v觀

移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)可能滲透到的應用場景和新興業(yè)務，5G在性能方面的大幅提升將全

面提升用戶體驗。光纖般的接入速率，“零”時延的使用體驗，千億設備的連接能力，超高

流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動性等多場景的一致服務，將極大地提升移動互聯(lián)網(wǎng)

和物聯(lián)網(wǎng)的影響力。為了實現(xiàn)全行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，5G在能效和成本效率方面超百倍的

提升，也將使移動通信的應用更加普及和深入，為相關新技術和新業(yè)務提供更廣闊的發(fā)展

平臺，并最終實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的5G愿景。

參考文獻

[1]IMT-2020(5G)PromotionGroup.IMT-2020(5G)PG-whitepaperon5Gvisionand

requirements_V1,0:2014[S/OL],[2016-04-20].

/link?url=QhzvzFNJ8mh5ZIW0Q2Yvs

37g0rHogx0u2qOYpes687SdeoqP76OwAggAJ_MCaeGkwzBf]uGkIk3CstQmizZu7xqNI-

u2Wa-Nr9pkTfbGl-C.

第2章

候選頻率與傳播特征

為了滿足2020年以后移動通信業(yè)務量的井噴式發(fā)展，5G移動通信網(wǎng)絡的部署需要

更多的頻率資源、更高效的無線傳輸技術和更多的站址?？紤]到短期內(nèi)無線傳輸技術的整

體效率很難有量級上的突破，5G的成功將很大程度上依賴于可用的移動通信頻率。本章

從5G的頻率需求預測出發(fā)，詳細介紹我國在2020年前后的移動通信頻率需求、5G移動

通信可能的候選頻點、這些新頻率的傳播特性，為后續(xù)的關鍵技術研究和系統(tǒng)設計提供必

要的支撐。

2.1候選頻譜

頻率是移動通信系統(tǒng)設計和部署的基礎，頻率對5G的發(fā)展起著至關重要的作用。從

整個移動通信發(fā)展的歷史經(jīng)驗來看，全球統(tǒng)一劃分和規(guī)劃的移動通信頻率有助于全球移動

通信產(chǎn)業(yè)共享全球產(chǎn)業(yè)規(guī)模、降低設備成本的同時、簡化終端的實現(xiàn)、便捷用戶在全球運

營商之間的漫游。所以，面向5G候選頻率的征集，全球產(chǎn)業(yè)的共同呼聲是全球融合、統(tǒng)

一的頻率劃分。但是，考慮到各國的移動、衛(wèi)星、軍用雷達、航天等業(yè)務的發(fā)展不均勻，

各國能夠拿出的5G頻率有較大的差異，很難實現(xiàn)全球統(tǒng)一劃分的目標。

從移動通信業(yè)務未來發(fā)展的需求出發(fā)，介紹了國內(nèi)對5G頻率需求的預測結(jié)果，并結(jié)

合國內(nèi)無線電頻率已有劃分和相關業(yè)務的使用情況，對可能的5G候選頻率進行了分析，

并介紹了全球5G候選頻率的最新進展。

2.1.1需求

移動通信產(chǎn)業(yè)IMT發(fā)展現(xiàn)狀及市場趨勢

近年來，全球IMT產(chǎn)業(yè)保持較快增長，我國的增速尤其顯著。2013年1-9月，全

國移動電話用戶凈增9439.8萬戶，總數(shù)首次突破12億戶大關，達到12.07億戶。其中,

3G移動電話用戶凈增13479.4萬戶,對移動電話用戶的增長貢獻達到141.5%,3G用戶

總數(shù)達到3.79億戶，在移動電話用戶中滲透率由2012年同期的19.4%躍升至30.5%。

另外，值得注意的是，我國2G用戶自2012年底開始減少，2013年前9個月2G用戶累

計減少4039.6萬戶。

2014年，全球LTE商用網(wǎng)絡部署加快，我國移動通信網(wǎng)絡也處于由3G向4G發(fā)展

的關鍵階段。2013年12月4H,工業(yè)和信息化部（以下簡稱工信部）向中國移動通信

集團公司、中國電信集團公司和中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信集團有限公司頒發(fā)了“LTE/第四代數(shù)字

蜂窩移動通信業(yè)務（TD-LTE）”經(jīng)營許可。短短一年時間之后，我國已建成超過70萬個

4G基站，覆蓋全國300多個城市，成為全球最大規(guī)模的4G網(wǎng)絡，4G用戶突破8000萬

戶。4G手機終端款式不斷豐富，出貨量明顯增長。2015年2月27日，工信部又向中國

電信集團公司和中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信集團有限公司發(fā)放“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動通信業(yè)務

（LTEFDD）”經(jīng)營許可，允許TDD/FDD混合組網(wǎng)，標志著我國正式進入4G時代，在未

來3年內(nèi)，預計國內(nèi)4G累計投資額有望突破3000億元，其拉動的投資規(guī)模將可能達到

萬億元。我國為LTE商用共分配了357MHz頻譜（包含205MHzTDD頻譜和152MHz

FDD頻譜），頻譜數(shù)量上處于全球領先地位。正是在充足的頻譜資源支持和保障下，我

國的4G取得了巨大的商業(yè)成功。

5G頻譜需求

為了應對未來爆炸式移動數(shù)據(jù)流量增長、海量的設備連接、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務和

應用場景，5G移動通信系統(tǒng)將應運而生。5G將滲透到未來社會的各個領域，以用戶為中

心構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)。5G將使信息突破時空限制，提供極佳的交互體驗，為用

戶帶來身臨其境的信息盛宴：5G將拉近萬物的距離，通過無縫融合的方式，便捷地實現(xiàn)

人與萬物的智能互聯(lián)。5G將為用戶提供光纖般的接入速率，“零”時延的使用體驗，千億

設備的連接能力，超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動性等多場景的一致服務，業(yè)

務及用戶感知的智能優(yōu)化，同時將為網(wǎng)絡帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低,

最終實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的總體愿景。

根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會（以下簡稱國家發(fā)改委）、工信部和科技部聯(lián)合成立的

IMT-2020推進組發(fā)布的《5G愿景和需求白皮書》，預計我國2010-2020年移動數(shù)據(jù)流

量將增長300倍以上，2010-2030年將增長超4萬倍。發(fā)達城市及熱點地區(qū)的移動數(shù)據(jù)

流量增速更快，2010-2020年上海的增長率可達600倍，北京熱點區(qū)域的增長率可達

1000倍，這對我國未來頻譜資源的需求提出了更高的挑戰(zhàn)。根據(jù)ITU的預測，全球范圍

內(nèi)到2020年IMT總頻譜需求是1340?1960MHz,2018年無線局域網(wǎng)在5GHz頻段上

的最小頻譜需求約為880MHZo其中，我國到2020年IMT總頻譜需求是1490?1810

MHz,目前還存在800?1100MHz的頻譜資源缺口。

2.1.2候選頻譜

4G系統(tǒng)從數(shù)據(jù)速率、移動性和時延等維度來表征其系統(tǒng)的能力，而未來5G的需求

維度更廣，且與4G相同維度的能力也有大幅的提升。一方面，基于現(xiàn)有頻率資源，

3GPPLTE-Advanced（R12）技術至少在峰值速率和用戶體驗速率兩項關鍵能力上無法滿

足5G的需求，且存在較大差距，需要更大頻率帶寬來彌補這個差距。考慮3GHz以下頻

段已很難找到連續(xù)的大帶寬頻譜，5G需要向更高的頻段發(fā)展。另一方面，由于要滿足用

戶永遠在線的需求，保證用戶的高速移動性，還必須借助低頻段提供良好的網(wǎng)絡覆蓋。因

此，5G時代勢必需要采用高、低頻段結(jié)合的頻譜使用方式。

深耕現(xiàn)有IMT頻率資源，促進向5G平滑演進

在世界無線電大會2007(WorldRadiocommunicationConference,WRC-07).h,

國際電信聯(lián)盟(ITU)通過決議，將已劃分給IMT-2000技術(3G)的頻譜用于IMT技術

(3G/4G/5G等)，新劃分頻率也不再區(qū)分具體技術，統(tǒng)一劃分給IMT技術使用。因此,

從無線電規(guī)則講，已劃分給2G/3G/4G技術的頻率都可以被5G技術所使用，且由于已劃

分頻率大都屬于低頻段，相對于更高的頻率來說，具有更好的傳播特性和穿透特性，若能

深度挖掘其潛力，它們將成為5G部署的的重要頻率資源，滿足用戶移動性和時時在線的

需求。

表2-1給出不同頻段LTE承載12.2kbit/s語音業(yè)務時的覆蓋能力，900MHz頻段相

對1.8GHz和2.6GHz頻段的覆蓋增益明顯。1GHz以下低端頻率以其與生俱來的傳播優(yōu)

勢，勢必成為未來5G時代連續(xù)覆蓋和深度覆蓋的重要頻率。而目前很難在1GHz以下頻

段尋找到新的頻率，較好的方式是挖掘現(xiàn)有2G技術(CDMA/GSM)的850MHz/900

MHz頻段能力。隨著政府未來允許運營商根據(jù)市場和產(chǎn)業(yè)需求在上述頻段開展技術升級,

這些頻段將為未來5G的廣深覆蓋提供重要保證。

表2-1LTE承載12.2kbit/s語音覆蓋能力鏈路預算

WDMHr1??M?U?fW2AM>：M?wvinjoaxit>

WI

*tr上糖Fir

?J

<ta>131i

冷?Wa>?7>.M

挖掘新頻率，滿足5G吉比特業(yè)務速率需求

未來新型業(yè)務的發(fā)展以及用戶對于移動寬帶速率需求的極速提升，刺激著網(wǎng)絡管道流

量的需求增長，頻譜資源的缺口越來越大，未來移動通信網(wǎng)絡需要更多的連續(xù)大寬帶的頻

譜資源來滿足高速的數(shù)據(jù)增長以及吉比特的業(yè)務速率需求?？紤]到3GHz以下頻段使用

情況己經(jīng)相當擁擠，很難找到連續(xù)的大帶寬頻譜，5G需要向3?6GHz甚至6GHz以上更

高的頻段發(fā)展。

(1)充分利用已在ITU層面實現(xiàn)區(qū)域劃分的3400-3600MHz頻段

3400~3600MHz(3.5GHz)有望成為全球統(tǒng)一規(guī)劃的TDD頻段，為我國主導的

TDD技術的未來發(fā)展提供了重要機遇。2013-2014年，歐洲、英國、澳大利亞、美國、

加拿大、南非等地區(qū)和國家的頻率管理機構(gòu)均發(fā)出調(diào)研函咨詢3400?3600MHz頻段

TDD規(guī)劃建議，美國FCC計劃2015年2月發(fā)布3.5GHz最終規(guī)劃決定，2016年完成商

用網(wǎng)絡。2014年12月，日本總務省宣布發(fā)放TDD3.5GHz頻段總計120MHz頻譜牌照,

軟銀、DoCoMo、KDDI分別獲得40MHz頻譜。3家運營商承諾未來5年在3.5GHz基站

上投資總額高達36億美元，最遲在2016年3月31日前啟動3.5GHz網(wǎng)絡建設，并計

劃在2016年年底前正式商用。所以，3400?3600MHz頻段將是5G未來商用的重要頻

段。

我國在WRC-07時已經(jīng)在ITU無線電規(guī)則的3400~3600MHz頻段加入相關腳注，

將這200MHz頻率標識給IMT。2011-2014年，工信部電信研究院(現(xiàn)為中國信息通信

研究院)和頻率監(jiān)管機構(gòu)組織相關部門對3400?3600MHz頻段IMT系統(tǒng)與固定衛(wèi)星業(yè)

務(FSS)地面站的兼容性進行了理論研究，并開展了IMT系統(tǒng)單站與衛(wèi)星固定業(yè)務地面

站共存測試，掌握了IMT系統(tǒng)單站與衛(wèi)星固定業(yè)務地面站共存的基本條件。我國有望在

2016年完成3400?3600MHz國內(nèi)規(guī)劃，該頻段具有200MHz連續(xù)帶寬，必將成為5G

候選頻段中的黃金頻段。

(2)近期立足WRC-15,爭取6GHz以卜低頻段頻率

ITU在尋找未來移動通信的合適頻譜資源時，需要綜合考慮頻率的傳播特性、連續(xù)帶

寬的可能性、降低設備復雜性以及需要滿足系統(tǒng)的覆蓋、容量和性能的要求。

針對WRC-151.1議題的研究，JTG4-5-6-7最終確定了19個頻段作為IMT的潛在候

選頻段，歐洲I、美國、日本、韓國和中國對這些頻段的觀點見表2-2o我國目前支持

3300?3400MHz、4400?4500MHz、4800?4990MHz這3個頻段作為IMT的潛在候選

頻段。

3300?3400MHz頻段主要用于無線電定位業(yè)務，國內(nèi)該頻段目前分配給雷達定位業(yè)

務使用。考慮到該頻段的實際占用度不高，且與C波段頻率相鄰，可以與3400?3600

MHz連在一起，構(gòu)成一個較大的連續(xù)帶寬，滿足未來較高速率業(yè)務的需求。

表2-2世界主要國家和地區(qū)對KRC-15IMT候選頻段立場

務。在我國，這兩個頻段內(nèi)的主要業(yè)務是大容量微波接力干線網(wǎng)絡、移動業(yè)務和射電天文。

目前，大容量微波接力干線已經(jīng)逐漸被光纖替代。我國這兩個頻段中已經(jīng)登記的臺站數(shù)很

少，并且全國范圍內(nèi)的頻率占用度都非常低。而射電天文業(yè)務可以通過適當?shù)牡赜蛳拗七M

行保護。因此，以上兩個頻段引入IMT業(yè)務的條件相對寬松，適合作為【MT候選頻段。

（3）長期面向WRC-19,為5G儲備高頻段頻率

在3G、4G時代，由于各國和標準化組織的產(chǎn)業(yè)化模式、技術積累等因素存在差異，

其發(fā)展路線圖側(cè)重點不盡相同；然而，從全球5G發(fā)展而言，不同5G發(fā)展路線在需求、

部署場景、關鍵技術等方面存在相似性，未來的不同接入網(wǎng)絡會逐步走向融合。因此，尋

找6GHz以上潛在IMT候選頻率范圍，需要考慮頻段的全球融合問題；同時，選擇的候

選頻段需要充分考慮現(xiàn)有業(yè)務劃分，以確保業(yè)務劃分的有效性以及和現(xiàn)有業(yè)務的共存可能

性；另外，頻段選取需要結(jié)合國內(nèi)制造產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，并綜合考慮產(chǎn)品實現(xiàn)能力。6GHz以

上候選頻段選取原則可以歸納如下。

?合規(guī)：所選頻段為《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》中已劃分（或以腳注形

式標注）給移動業(yè)務的頻段。

?融合：在ITU3個區(qū)域有相似劃分和使用情況，便于全球范圍內(nèi)協(xié)調(diào)一致的頻段。

?安全：需充分考慮系統(tǒng)間電磁兼容問題，以確保對其他系統(tǒng)的保護以及移動通信系

統(tǒng)自身抗干擾。

?連續(xù)：高頻段的一大優(yōu)勢是具備連續(xù)的大寬帶頻譜資源（如大于500MHz）,以

此可確保系統(tǒng)獲得更高的效率。

?有效：結(jié)合高頻段的傳播特性，兼顧產(chǎn)業(yè)硬件制造能力，選擇適合的頻段以確保系

統(tǒng)的有效設計以及系統(tǒng)、終端、儀表等的可實現(xiàn)性。

遵照以上IMT候選頻率選取原則以及相關頻段我國無線電業(yè)務劃分、規(guī)劃和使用情

況，借鑒國際（如ITU）已開展共存研究結(jié)論，IMT-2020推進組頻率組初步提出我國在

6?100GHz范圍IMT潛在候選頻段如圖2-1所示。

C3

C3

C313

圖2-1我國6~100GHz頻段內(nèi)IMT候選頻段主要業(yè)務劃分

6?100GHz候選頻段的優(yōu)缺點分析及其他國家和地區(qū)業(yè)務劃分情況見表2-3。

表2-36~100GHz候選頻段優(yōu)缺點分析及其他國家和地區(qū)業(yè)務劃分情況

2016年7月14日，美國FCC正式劃定約11GHz的6GHz以上高頻資源，用于5G

部署，成為首個確定5G高頻段的國家。這些頻段包括27.5?28.35GHz、37.5?38.6GHz、

38.6?40GHz的授權頻譜以及64?71GHz的免授權頻譜。幾乎同時，美國政府宣布將投

入4億美元，用于搭建多城市的網(wǎng)絡測試平臺。5G在高頻段的部署很有可能從美國首先

開始。

2.123促進頻率使用新技術成熟，實現(xiàn)多業(yè)務的高效頻率復用

在頻率資源日益緊張、空白頻率基本使用殆盡的不利情況下，可以通過引入頻率使用

新技術，例如認知無線電（CR）和授權頻譜接入（LSA）、非授權頻段使用等技術，實現(xiàn)

移動業(yè)務和其他主業(yè)務的高效頻率復用，為5G開拓新的頻率資源空間。

（1）認知無線電（CR）和授權頻譜接入（LSA）技術

認知無線電是最常見的頻率共享技術。利用集中式和/或分布式的檢測方式或基于數(shù)

據(jù)庫的方式，在“時間”或“空間”維度主業(yè)務沒有使用時，次級業(yè)務將某段頻率使用起來；

當主業(yè)務重新使用該段頻率時，次級業(yè)務立即退出該段頻率的使用。

廣播電視業(yè)務使用的700MHz頻段不但具有良好的傳播特性和穿透特性，還具備良

好的時間維度和空間維度的“頻率空洞”，如圖2-2所示?？梢岳谜J知無線電的技術手段,

在廣播業(yè)務沒有使用的地區(qū)，將空閑頻率用于移動通信業(yè)務。

圖2-2北京某地區(qū)700MHz頻段頻率占用度測試結(jié)果

然而，移動通信系統(tǒng)若單純利用認知無線電技術使用其他業(yè)務頻率存在一些技術挑戰(zhàn)。

首先，當授權業(yè)務重新使用某一頻率時，使用認知無線電技術的設備必須立刻退出頻率使

用，導致'業(yè)務中斷，無法有效保證用戶體驗。其次，當多個設備同時檢測到某一頻率可用

并發(fā)起業(yè)務時，將產(chǎn)生相互之間的干擾，導致業(yè)務質(zhì)量的明顯下降。上述問題可以通過授

權共享接入（LSA）技術來解決。LSA與認知無線電技術最大的區(qū)別是LSA所使用的空閑

頻率也是授權頻率，當頻段內(nèi)主用戶暫時不使用時:僅允許付費的授權用戶（運營商）使

用。目前歐洲電信標準化協(xié)會（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute,ETSI）

正在研究在2300?2400MHz頻段利用LSA技術實現(xiàn)移動蜂窩技術與雷達、遙感及業(yè)余

無線電等系統(tǒng)實現(xiàn)頻率復用。美國聯(lián)邦通信委員會（FederalCommunications

Commission,FCC）也正在研究在3.5GHz頻段使用LSA技術，實現(xiàn)主用戶國防業(yè)務、優(yōu)

先接入用戶醫(yī)療、當?shù)卣畽C構(gòu)以及其他授權用戶（如無線手機用戶等）間的三層頻率復

用。在5G階段，我國可以考慮利用LSA技術在700MHz、2300MHz和3600?4200

MHz頻段實現(xiàn)移動蜂窩技術與廣播業(yè)務、無線電定位技術和固定衛(wèi)星技術進行頻率復用，

實現(xiàn)上述重要頻率的高效使用。

（2）非授權頻段接入

近年來，為了促進無線寬帶發(fā)展，全球范圍內(nèi)開放了大量非授權頻率給WLAN等業(yè)

務使用。如圖2-3所示，我國僅在5GHz頻段就已為WLAN等業(yè)務分配了325MHz頻率,

近期有望再分配255MHz頻率，達到與移動通信頻率數(shù)量相當?shù)目傆?80MHz頻率資源。

國內(nèi)運營商和個人用戶在5725?5850MHz頻段部署了大量的接入點，但在5150?5350

MHz、5470?5725MHz頻段卻較為空閑。

近黨有領分配

已分/

SISO5250SMOS47O2

圖2-3我國5GHz頻段非授權頻率分配情況

在5G階段，若能采用可靠性和性能都較高的5G技術將上述大量空閑、免費的非授

權頻率資源有效地利用起來，可大大緩解頻率資源的壓力。一種可行的方式是將豐授權頻

率與運營商已有的授權頻率使用載波聚合技術有機結(jié)合起來使用，利用授權頻率保證用戶

的基本業(yè)務質(zhì)量，非授權頻率提供額外的增值體驗，從而為用戶提供更具性價比、更高用

戶體驗的服務。可以預見，利用蜂窩技術使用非授權頻段將是面向5G產(chǎn)業(yè)界的下一研究

熱點，未來將有望成為運營商的低成本、高性能/收益比的數(shù)據(jù)分流方案。

(3)5G頻率演進思路

綜上所述，5G時代需從深耕現(xiàn)有2G/3G/4G頻率、挖掘新頻率和促進頻率使用新技

術成熟等方面綜合滿足未來移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的頻率需求。5G頻率發(fā)展策略如圖2-4

所示。

2.2傳播特性

頻率是移動通信的基礎，不同頻段的傳播特性影響移動通信系統(tǒng)的設計、規(guī)劃和未來

部署，所以，頻率的傳播特性對移動通信系統(tǒng)的應用影響深遠。本節(jié)概述頻率的傳播特性、

5G移動通信系統(tǒng)頻率的傳播特征及其研究思路，最后介紹一些正在開展的5G信道相關

的研究工作和研究成果。

2.2.1對系統(tǒng)設計的影響

在無線通信領域，系統(tǒng)設計首先要考慮的是覆蓋。使用的頻率越高，傳播損耗越大，

系統(tǒng)的覆蓋能力就越差。而從天線的角度，因為頻段越高，天線的尺寸也就越小，這將更

加方便終端和基站在相同的面積下集成更多的天線數(shù)目，從而利用波束成形增益來彌補高

頻段覆蓋受限的挑戰(zhàn)。另外，由于通信使用的頻段不斷變高，這將導致系統(tǒng)需要考慮更多

的大氣吸收、雨霧的衰減。而由于頻段升高，信號傳播的粒子性增強，會導致反射特性增

強，繞射和衍射的特性降低。因此，對于建筑物、植被的遮擋帶來的影響都需要在系統(tǒng)設

計和部署中考慮。

由于高頻段信號在空氣中傳播衰減較大，而因為粒子性又導致其傳播的方向性較強，

其能夠到達目標接收端的信號強度和多徑數(shù)目都將受到影響?；诜较蛐詡鬏?shù)臏y量結(jié)果

顯示，高頻信號因為反射現(xiàn)象在傳播中具有更重要的影響，導致多徑時延相比于低頻會大

大降低。這就會導致系統(tǒng)設計的時候，如果仍然采用OFDM的結(jié)構(gòu)，則循環(huán)前綴(CP)

的長度可以大大地縮短。而由于方向性大大增加，高頻信號傳播中能夠到達接收端的多徑

數(shù)目也將大大減少，這也給MIMO傳輸帶來了挑戰(zhàn)。隨著頻率越高，信號受到多普勒效

應的影響也將越強，這就導致高頻信號在時域的變化會更加劇烈，而通信系統(tǒng)對信道的估

計和追蹤都將變得更加頻繁，這對系統(tǒng)設計帶來了更高的要求。

2.2.2傳播特性分類

移動通信信道的傳播模型主要從大尺度衰落特性和小尺度衰落特性兩個部分參數(shù)考量。

其中，大尺度衰落主要包括路徑損耗、陰影衰落等相對慢速變化的衰落特性；而小尺度衰

落，則包含短時內(nèi)快速變化的信道波動特性，主要包含多徑的時延擴展、到達角度和離開

角以及擴展、每徑的功率分布、多普勒頻移等。

大尺度參數(shù)特征

人~%6?怎餐(2-?

高頻傳輸首先要面對的是更大衰落的問題。根據(jù)電磁波的空間自由傳播模型用，有：

其中，PT、PR表示發(fā)射功率和接收功率；GT和GR表示收發(fā)天線的天線增益；R為收

發(fā)端的間距；而入則表示載波的波長。

空間的傳播的損耗與載波頻率和距離有關，當載波頻率從6GHz提升到60GHz,則

相同距離的衰落會提升100倍。而在工程與學術研究中，通常以下面的形式來表征，路

徑損耗隨距離的變化方式：

PL=p+a-101gd(2-2)

其中，a為路徑損耗指數(shù)因子，表示路徑損耗隨距離變化的情況；而0則涵蓋了其他

影響傳播的損耗的因素，并在特定的場景下會抽象為一個常數(shù)。對于高頻傳輸，更多關注

的是路徑損耗的因子，因為其直接影響實際部署時的覆蓋范圍，表2-4是現(xiàn)有初步調(diào)研的

衰減因子。

表2-4路徑損耗衰減因子初步調(diào)研

maw,zasaOOMI)H

UMU2

NUMIM

根據(jù)上述調(diào)研的數(shù)據(jù)，可以看到更高頻段的衰減因子與低頻的衰減因子相差不多，而

差距僅為常數(shù)部分，會相差20?40dBo上述參數(shù)說明，高頻傳輸?shù)男盘査ヂ洳⒉粫S著

距離的增大而顯著提升，而僅僅是與低頻傳輸有固定的差距，說明高頻傳輸?shù)母髶p耗是

可以通過技術手段克服的。

在大尺度衰落方面，高頻相比于低頻新增了在近距離傳輸?shù)峭耆詹坏叫盘柕那闆r

(Outage),如圖2-5所示。由于頻率的升高，電磁傳播的粒子性增強，反射和衍射的特

性增強，散射特性降低，再考慮到本身傳播損耗就比較大，從而導致在部分情況下，即使

基站與終端距離很近，終端也有可能收不到信號。

圖2-5高頻傳輸中Outage的情況

因此，需要進一步明確在高頻傳輸時，在不同的場景下，出現(xiàn)完全沒有信號的情況以

及概率，為后續(xù)進一步的技術分析與評估提供條件。

另外兩個比較重要的大尺度參數(shù)是陰影衰落和穿透損耗。在低頻，穿透損耗一般假設

在20dB左右⑴；但是在高頻，在28GHz測量的穿墻損耗在28dB左右，對于鍍膜的玻

璃，損耗在40dB左右。另外，對于高頻，由人體帶來的阻擋或者擾動就會帶來額外的

20?35dB的損耗。陰影衰落主要是由于建筑物的遮擋，對信號傳播造成的額外損耗。初

步調(diào)研見表25o通常在低頻，信號在直射路徑上受到遮擋，通過電磁波的散射和衍射可

以讓建筑物后方的用戶收到信號。但是，由于高頻信號的粒子性很強，散射和衍射特性大

大降低，導致建筑物后方的信號損耗會更大。因此，高頻的陰影衰落比低頻更大，特別是

在沒有直射徑的情況下。

表2-5陰影衰落初步調(diào)研

nv(2-*cati>OCMri

un

MUX9

人體的遮擋、更大的路徑損耗及Outage的存在，都會導致高頻傳輸?shù)姆沁B續(xù)性，需

要在系統(tǒng)設計的時候加以考慮。更高頻段傳輸導致較大的路徑損耗，也會降低高頻段小區(qū)

的覆蓋范圍，這也是在系統(tǒng)設計的時候需要考慮的問題。

小尺度參數(shù)特征

小尺度衰落，是指信號短時的變化，主要考慮多徑的時延參數(shù)、功率、各種角度以及

多普勒頻移的影響。其中，多徑時延擴展將影響到系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的設計。如果繼續(xù)沿用

OFDM的調(diào)制方式，則需要保證符號的循環(huán)前綴大于最大多徑時延。經(jīng)過在不同場景的測

試結(jié)果，高頻的最大多徑時延維持在幾百納秒的量級，比如，美國紐約大學給出一次測量

中的多徑時延為344ns,這個參數(shù)相比于現(xiàn)有LTE假設的52要小很多，由此帶來的系

統(tǒng)設計也將有很大的不同。這部分將在后面的章節(jié)繼續(xù)討論。

高頻傳播的頻域響應和頻域擴展主要取決于接收端的移動以及周圍散射體的移動。通

常，室內(nèi)環(huán)境下，散射體移動較少，環(huán)境相對穩(wěn)定，室內(nèi)的多普勒頻移相對較低；而室外

環(huán)境，相對更加復雜一些，傳播路徑中的移動物體更加豐富，由此會導致室外的頻域響應

會更加劇烈。信道頻率域的響應是傳播路徑上所有多徑的多普勒效應的總疊加。由于高頻

信道下，載波頻點的升高，會導致頻率域的整體偏移(DopplerShift,多普勒偏移)會更

高。但是因為粒子性更強，散射更小，每個多徑內(nèi)的子徑傳播的環(huán)境很相似，會導致多普

勒擴展相比于低頻會更小。

高頻傳播另外一個顯著的特點是，由于粒子特性更加顯著，電磁的傳播主要依賴于反

射而不是散射，能夠到達接收端的多徑數(shù)目會大大減少，通常都在2?3個⑶。多徑的豐

富程度將大大影響MIMO技術的使用。由于多徑變少，會導致單用戶的多流傳輸受到限

制；但是因為多用戶信道的相關性降低，這將提高多用戶空間資源復用的性能增益。

2.2.35G信道傳播特性研究思路

面向更高頻段信道模型的研究，應該本著從系統(tǒng)設計的角度出發(fā)，基于更廣泛和豐富

的測量數(shù)據(jù)進行參數(shù)提取，基于新系統(tǒng)中考慮的特性進行建模。5G信道模型的研究應該

優(yōu)先定義場景，即基于已有的場景確定信道模型和測量中缺少的部分，然后基于場景確定

最優(yōu)的建模方式，再進行實際的信道測量對參數(shù)提取，并進行一系列的建模工作。

從實際應用的角度出發(fā)，應該優(yōu)先定義未來系統(tǒng)更可能應用的場景。在ITU和3GPP

中，4G系統(tǒng)的主要考核指標是峰值速率、頻譜效率、移動性、廣域覆蓋性能等，從而定

義了室內(nèi)熱點、城市微蜂窩小區(qū)、城市宏蜂窩、農(nóng)村覆蓋等幾個場景。這些場景的基站位

置、用戶位置、移動速率、室內(nèi)室外分布情況均有不同；基于這樣的部署場景，ITU進行

了相關類似場景的信道測量，從而使得信道模型服務于需求。而面向5G系統(tǒng)，由于在

4G系統(tǒng)定義的階段已經(jīng)完成了部分場景的定義，并且在模型的研究中從兩維信道模型擴

展到了三維，進一步完善了信道模型，所以5G可以將部署場景、模型、參數(shù)從4G中繼

承過來。而對于5G高頻等新引入的特性，可以針對相應的應用場景定義專門的場景，并

與已有的場景結(jié)合。

對于已有的4G以及3Gpp中采用的信道模型，比如典型城市宏蜂窩、典型城市微蜂

窩場景，在未來的研究中可以復用，同時保持其引入的三維信道特性。而對于高頻段使用

的場景，建議引入室內(nèi)獨立房間、辦公區(qū)域、商場、體育場館的場景。另外，由于移動通

信系統(tǒng)的優(yōu)勢在于不僅僅室內(nèi)可以部署，在室外也能夠支持一定的移動性，所以建議在室

外引入適于中心城區(qū)部署的高頻覆蓋場景，其中典型的場景有街道/商業(yè)步行街(Street

Canyon)和開放式廣場。

室內(nèi)獨立房間主要描述30m2左右的室內(nèi)場景，而在這樣的場景下，由于天線的部署

不同，會有不同的信道特性，如圖2?6所示。其中一種是天線位于天花板上，平行于天花

板垂直于地面，這樣的部署方式會給發(fā)送端帶來更大的自由度；另外一種方式，就是部署

在房間天花板的4個角落中，由于墻面的反射作用，能夠更好地集中有限的發(fā)送信號。

辦公區(qū)域包含開放式辦公區(qū)以及ITU室內(nèi)熱點兩種場景，相比于獨立的房間具有更大的

傳輸范圍，將是未來高頻段在室內(nèi)應用的主要場景，并且用來滿足室內(nèi)高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)?/p>

主要方式。而對于商場和體育場館，5G都將面臨著更大的數(shù)據(jù)速率要求的挑戰(zhàn)，而相對

封閉的環(huán)境都能夠提供更好的高頻傳輸環(huán)境，因此也成為高頻主要的使用場景。在這樣的

場景內(nèi)，需要考慮人群擾動對傳播特性的影響。室外的街道/商業(yè)步行街、廣場兩種場景,

因為人群流動較大，同時由于周圍的建筑物會形成相對封閉的環(huán)境，因此也為高頻傳輸帶

來了一定的好處。移動通信系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在對移動性的支持，因此，室外的模型也

將是后續(xù)研究的重點。

|?>AM9AM??>

圖2-65G高頻信道模型研究場景示例

有了確定的場景，下一步就是需要明確測量的方法和手段。在給定了具體的場景之后,

可以在相似的環(huán)境內(nèi)進行實際測量。目前主要的測量手段都是基于喇叭天線的測量，喇叭

天線能夠匯聚傳輸和發(fā)送信號，類似波束成形的效果，提高接收端和發(fā)送端的信號能量。

但是，因為其較強的方向性，會導致發(fā)送端和接收端只能接收到一個方向上的信號能量，

而基于此獲得的信道參數(shù)并不是全部360。的空間參數(shù)，而僅僅適用于某一個方向。另外,

由于喇叭天線測得的數(shù)據(jù)只是全部空域信息的一部分，會導致測量得到的路徑損耗偏低，

多徑時延擴展變小，所以進一步地，測量上會考慮使喇叭天線指向不同的方向，并在后期

將不同時刻的結(jié)果合并起來，而由此，又會帶來數(shù)據(jù)如何合并以及不同的數(shù)據(jù)在時間上的

問題相關性。由于室外的環(huán)境會更加動態(tài)，這就導致相關時間以外的兩套數(shù)據(jù)如果進行合

并會弓|入一定的誤差。

實地的外場測量基實施上會存在較大的操作難度，并且受限于實際的場地不能遍歷某

個環(huán)境下的所有位置，所以，射線追蹤的方法也被建議作為重要的信道信息的獲取手段。

由于其采用模擬仿真的方式獲取信道傳播特性的統(tǒng)計特征，場景的定義、不同材料的反射、

散射特性都需要進行校準，并與實際測量的數(shù)據(jù)進行匕對。射線追蹤方案可以作為在部分

不容易測量的環(huán)境下，獲取信道傳播信息的重要手段。

當具體的信道參數(shù)通過實際測量或者射線追蹤得來的時候，下一步工作就是如何能夠

建立可以在仿真評估中使用的模型?，F(xiàn)階段使用最多的是基于統(tǒng)計特性的多徑疊加模型。

這個模型通過建立傳播過程中的散射體，從而得到不同分簇的傳播路徑和多徑參數(shù)，并通

過利用實際測量中的得到的特定環(huán)境下的統(tǒng)計特性，隨機生成部分信道參數(shù)，并最后將所

有多徑合并到一起，就得到了仿真評估中需要的信道沖擊響應。這種模型是基于實際環(huán)境

中，信號的空間傳播是經(jīng)過若干路徑傳播并最后疊加，同時又參考實際測量中得到的不同

參數(shù)的統(tǒng)計分布，最后得到近似的模型。這種基于幾何信息的統(tǒng)計分布模型能夠代表某一

類場景的典型特征，但是無法完全匹配特定的任意一個環(huán)境。另外的建模方式，就是基于

射線追蹤的方式，基于特定的場景直接通過射線追蹤得到特定的一套參數(shù)。該模型能夠與

特定的環(huán)境進行完全的匹配，但是一旦其中的某一參數(shù)發(fā)生改變，則整個模型都需要進行

重新設定。同時，這樣的模型對某一類場景的匹配度較低。

除了基本的測量和建模方法，還需要考慮由于高頻傳輸帶來的變化。比如，高頻中粒

子性的增強，對于不同極化間能量的泄漏會有不同的影響，反射、散射、衍射不同類型的

傳播方式會在建模中體現(xiàn)為不同的能量分配比例，用戶處于相近位置而帶來的空間一致性。

這些都是在以往的建模中沒有考慮的，需要在5G的信道研究工作中有所考慮和體現(xiàn)。

2.2.4測量與建模結(jié)果

2.2.4.1場景描述

一癥此，從更高頻段的起點6GHz進行典型城市微蜂窩的測量。Umi場景選址在北京

郵電大學（以下簡稱北郵）校本部，發(fā)射端設置在校保衛(wèi)處樓頂，接收天線相對于地面約

高13.8m,接收機在保衛(wèi)處周圍道路上進行數(shù)據(jù)采集c為了對比3.5GHz與6GHz,采用

相同的測量場景及測量路線，方便后面進行對比分析。測量場景及測量路線如圖2-7所示。

其中，黑色星標為發(fā)射天線所在位置，黑色粗線為測量路線。

在保衛(wèi)處共進行了兩輪測量，第一輪測量路線包括校外的杏壇路兩側(cè)，不過由于杏壇

路兩側(cè)樹木過于茂密，對結(jié)果影響太大，第二輪測量時，路線規(guī)劃盡量都在北郵校園內(nèi)部。

發(fā)送端天線的仰視及俯視圖如圖2-8所示。

圖2-7北郵保衛(wèi)處Umi測量場景及測量路線

圖2-8發(fā)送端的仰視圖和俯視圖

224.2參數(shù)配置

表2-6中的參數(shù)配置都是針對獲取大尺度參數(shù)來定的，所用的天線也都是垂直極化天

線(Dipole),在第一輪測量中對3.5GHz的小尺度參數(shù)進行測量，不過由于缺少6GHz

的測量數(shù)據(jù)，無法進行對比，3.5GHz小尺度測量情況暫未列出。

表2-66GHzUMi場景測量參數(shù)配置

??a*av

??aA

?y“3n

K射AM代。IMIMItW

?射IllaITS*

UftM—It

IMSMIM?7TXMW.VM

HAfell2552

IM9M

，?、

1

tltKtUliiH1

-1114

根據(jù)經(jīng)驗公式⑷，計算LOS場景下斷點的位置：

4P=4&K〃c,

h^=hm-\.Om.(2-3)

KT=Vr-L°m

首先，計算LOS條件下的模型斷點，由前面的參數(shù)配置可知，h(JI=1.75,hBS=13.8,

則計算可知，心1768m./「6.0GH,,由測量規(guī)劃及實際的距離，可知，在本次Umi測量中，測

量距離均沒有超過模型斷點的距離，則在LOS下的路損模型為PL=22.01gd+28.0+201gfc。

路損在LOS與NLOS條件下差異較大，所以在分析時需將兩種情況分開處理，而對

于比較邊緣的情況，比如既非視距又非完全遮擋的情況，對其結(jié)果暫不分析。

經(jīng)過計算后的路損擬合結(jié)果及與標準模型對比如圖2-9和圖2-10所示，其中圖2-9

為Umi場景下在LOS條件下的擬合結(jié)果，圖2-10為Umi場景下在NLOS條件下的擬合

結(jié)果。

*0

圖2-9Umi-LOS場景路損

圖2-10Umi-NLOS場景路損

其中，對Umi場景下3.5GHz與6GHz在LOS與NLOS情況的統(tǒng)計模型見表2-7。

表2-73.5GHz和6GHz在LOS與NLOS條件下的路損模型

NV

LOS

*CM>LOS/l4/l>4U?QTl||W

MJOS

觀察圖2-10可知，在LOS條件下，3.5GHz與6GHz的路損與標準模型的非常接近,

但是NLOS條件下就相差比較大，分析原因，可以認為在這個場景下，選取的NLOS是由

很強的衍射或者反射造成的。

圖2-9和圖2-10中的擬合曲線并不是特定的一條路線的結(jié)果，而是同樣條件（LOS

或NLOS）多條路線共同擬合的結(jié)果，具體到每一條線，其路損由于建筑物的特異性，可

能與模型中的差異較大，將路損映射到地圖上的結(jié)果如圖2-11所示。

圖2T1路損值在地圖上的映射

2.3小結(jié)

頻率是5G移動通信系統(tǒng)發(fā)展的基礎，沒有豐富高質(zhì)量的頻率資源，5G