5G与4G主用频段空口损耗差异浅析

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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3500MHz与4G网络主用频段1800MHz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5.39dB，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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2 F4 s$ s3 n! ^  p  L! N. k1、概述
3 R, Q2 Y- f' w2019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3.5GHz核心频段下的射频网络覆盖特性与现有4G网络的差异。
2 s% ^7 a3 g1 T9 p: j9 }' S针对5G射频网络而言，首次引入了3.5GHz频段和4.9GHz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，针对5G网络，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。
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/ d6 v0 h+ f# ]5G与4G网络规划链路预算差异表（常规）：
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链路参数	1.8GHz 4R	3.5GHz 64TR NR	链路差异/dB
UE发射功率/dBm	23	26	3
天线单元增益/dB	17	10	-7
RB数	48	160	-8.2
解调门限	MCS7	MCS2	13.2
跳线及连接损耗/dB	0.5	0	0.5
噪声系数	2.3	3.5	-1.2
干扰余量	5	3	2
阴影衰落	8	9	-1
频段传播差异	1.8 GHz	3.5 GHz	-5.7
穿透损耗/dB	14	20	-6

7 r( K, [8 r; D! ja）技术因素，如5G采用的MassivEMIMO、发射功率等参数。
7 @# A9 K8 n8 ?. i) {. b' ob）5G引用新的更高的3.5GHz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。
2 u9 _  ^$ d$ [+ {3 |; w2 l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，供规划及设计参考。
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* D  i% k: q) j4 F& R: g2、理论分析
2.1 问题分析
目前，5G网络建设中引入3500MHz频段，而4G核心频段为1800MHz，较之前2G引入3G或3G引入4G而言，频段上出现大幅度变化，如表所示：

新建网络	现有网络	现有网络频段/MHz	规划建设网络频段/MHz	频段差异/MHz
3G	2G	900/1 800	2100	300
4G	3G	2100	1800	-300
5G	4G	1800	3500	1 700

( Y+ y2 Y' a* R; D. q4 \" C5G 引入的 3.5 GHz 高频段原为 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。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时进行更为科学、合理地应用。
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3、无线测试环境搭建
# Z7 O: _2 A9 u5 m* j3.1 现有测试方法缺陷分析
2 G' s* x% @+ h" L0 t1 @目前，3500MHz与1800MHz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。
3 }! G) h' e! ]& Aa）测试区域内，5G与4G站点规模、位置、结构存在差异。
* ^& P2 k7 A1 O0 S, Q+ ]b）同一站址的5G与4G站点挂高与具体安装位置差异。
& Q1 E0 r3 @; ~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。
/ r8 R! K# U& d) |. w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
4 l+ r$ s1 l, N# _3 A( k: }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，还要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30kHz窄带CW信号。
  |5 z; X$ o  W% E: d在接收端，采用高精度高频数字扫频接收仪，同时监测1800MHz与3500MHz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。
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，最终得出3500MHz与1800MHz空中损耗的差异。各测点的测试数据情况如表4所示。
" J/ `  y; k& G7 J7 _% j, f7 i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个具有代表性的站点，对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。
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