精品文档精准3D仿真的5G室外站规划应用研究.docx

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精品文档精准精品文档精准3D仿真的仿真的5G室外站规划应用研究室外站规划应用研究精准3D仿真的5G室外站规划应用研究精准3D仿真的5G室外站规划应用研究【摘要】随着5G时代的到来，网络变得更加复杂、密集和立体；5G网络建设在精准规划上面临巨大的挑战，本文通过精准的3D仿真技术，对室外5G站进行规划，主要基于高精度的3D电子地图，通过3D射线追踪技术，仿真5G信号多径传播，评估5G基站站址位置、高度等参数及数据吞吐量、覆盖和干扰等性能指标，实现5G室外站精准规划。

【关键字】精准3D仿真，5G室外站规划【业务类别】5G3D仿真第一章第一章项目创新背景项目创新背景面向增强移动宽带、大规模机器通信和超可靠低时延业务的5G网络即将开始部署，相比于LTE，5G网络结构变得更加复杂、密集和立体，这要求规划要做到空前的“精准”，极大的增加了5G站点规划的难度；同时多场景的覆盖需要精准的无线网络规划。

1.1传播模型传播模型相比于LTE，5G除了可以使用现有4G网络频段以外，还引入了更高的新频段。

主要包括FR1的3.5GHz和4.9GHz，以及FR2的28/39GHz的毫米波高频段。

现有传播模型Okumura-Hata、COST231HataSPM等已不适用于5G。

采用高精度的3D地图和高精度的射线追踪模型（CrossWave）是提高规划准确性的技术方向。

全球5G频谱分配：

中国5G频谱分配：

频段双工方式备注6GHz以下频段（覆盖及容量需求）5G新增频段3.4-3.6GHzTDD5G核心频段，用于初期部署，已分配给联通和电信3.33.4GHzTDD无线电定位业务共享频段，5G仅用于室内，尚未分配4.44.5GHzTDD工信部研究中，尚未分配4.85.0GHzTDD射电天文业务共享频段，已分配给移动、广电、军方原2/3/4G频段800M/900M/1.8G/1.9G/2.1G/2.3G/2.6GTDD/FDD可以重耕为5G使用，2.6G频段已分配给移动6GHz以上频段（容量需求，也用于回传）5G新增频段24.7527.5GHzTDD毫米波频段，工信部研究中，尚未分配3742.5GHzTDD毫米波频段，工信部研究中，尚未分配1.1.1传播模型介绍传播模型介绍无线传播模型是为了更好更准确地研究无线传播而设计出来的一种模型。

在无线网络规划中，传播模型主要分为两种：

一种是直接应用电磁理论计算出来的确定性模型（CrossWave），如射线跟踪模型；一种是基于大量测量数据的统计性模型，如Okumura-Hata、COST231Hata、SPM等。

确定性模型对于信号预测准确度较高，但是其对计算条件要求较高:

需要高精度三维电子地图，计算量较大，计算周期较长，确定性模型一般用于仿真预测。

统计性模型是一种比较成熟的数学公式，影响电磁波传播的一些主要因素，如天仙挂高。

频率、手法天线间距离、地物类型等都以变量函数在路径损耗公式中反应出来。

统计性模型计算比较简单，但是模型各参数的适用范围具有一定的局限性，需要对模型进行校正。

1.1.2现有传播模型及存在问题现有传播模型及存在问题从适用频段可知，Okumura-Hata、COST231Hata适用频段均小于2G，SPM模型最高适用频段为3.5G，由于5G主要频段均在3.3GHz以上，Okumura-Hata、COST231Hata已不适用于5G高频段，SPM也仅可用于3.5GHz以下频段。

随着频率的升高，无线信号在传播中的衍射能力越来越差，受到周围建筑物和道路的影响越来越大，现有传播模型仅仅考虑频率、天线挂高、接收高度、衍射损耗、距离等因素，但是建筑物高度、街道宽度等对高频信号传播也有较大影响，故现有传播模型已不适用于5G。

（1）Okumura-Hata模型Okumura-Hata模型在900MHzGSM中得到广泛应用，适用于宏蜂窝的路径损耗预测。

Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在150MHz到1500MHz之间，适用于小区半径大于1KM的宏蜂窝系统，基站有效天线高度在30m到200m之间，终端有效天线高度在0m到1.5m之间。

（2）COST231Hata模型COST231Hata模型是EURO-COST组成的COST工作委员会开发的Hata模型的扩展版本，应用频率在1.5GHz到2GHz之间，适用于小区半径大于1KM的宏蜂窝系统，发射有效天线高度在30m到200m之间，接收有效天线高度在1m到10m之间。

（3）SPM模型SPM（StadardPropagationModel）模型应用频率在150MHz至3500MHz之间，适用小区半径1KM到20KM的宏蜂窝系统。

1.1.33D射线跟踪模型（射线跟踪模型（CrossWave）由于传统的传播模型已经无法用于5G，所以需要引入新的传播模型以适应5G无线波的传播特性，例如-CI/CIF传播模型和3GPP38.901模型都支持0.5GHz到100GHz的频段-传统的SPM模型通过参数调整也可以使用于5G新频段的传播预测-3D射线跟踪模型（CrossWave等）仍然适用于5G本次仿真使用3D射线跟踪模型（CrossWave），不再对其他模型进行介绍。

CrossWave模型CrossWave是一种典型的确定性模型，属于射线跟踪模型，能对信号进行客观现实的模拟，包括建筑物垂直面的衍射，街道水平面的导向传播，及山脉区域的反射。

不同于以往统计性的模型，CrossWave模拟更高级的信号传输。

统计性模型只能考虑2D（垂直面）的衍射效果而CrossWave考虑除了2D之外，寻找3D方向上所有的信号传输效果，包括在街道水平方向的导向信号传播，3D信号模拟是CrossWave的决定性优势。

CrossWave支持所有无线技术，以及从200MHz到5GHz范围内的频段。

CrossWave支持所有的小区类型，从微蜂窝小区、迷你蜂窝小区到宏蜂窝小区等等。

支持任何类型的传播环境，密集城区、城区、郊区、乡村等。

利用CW测量数据，CrossWave可以进行任何传播环境的自动模型校正。

其主要原理是利用导入三维数字地图数据，通过图形分析、映射算法等，生成CrossWave特有三个关键数据文件，具体如下：

（1）地物形态数据由DTM（digitalterrainmodel数字地面模型）和ClutterClasses地图联合生成的，具体原理是将地图中不同的ClutterClasses地物与CrossWave自定义的特定地物场景进行关联映射，从而确保每种地物场景都准确调用与之对应的传播特性算法。

每种地物拥有一套特定的传播参数，结合模型内部算法最终可生成一个用来描述地物环境的栅格数据文件。

其映射关系如下图所示：

（2）Facet平面数据利用DTM地图生成，主要能够模拟山脉的信号反射，从而确保有效寻找发射机到接收机之间所有的传播路径，尤其能相对真实的反映出诸如山区场景的信号传播特性。

（3）Graph建筑物矢量数据由3DBuilding矢量地图生成的，主要用于模拟道路（地图上的街道）。

Graphs信息可以让模型考虑在迷你和微蜂窝小区环境中的（水平）导向传播，用于寻找收发端之间的所有传播路径。

1.2MassiveMIMOMassiveMIMO是5G最重要的关键技术之一，5G小区通过波束赋形形成极精确的用户级超窄波束，将能量定向投放到用户位置，当然这要求系统必须用非常复杂的算法来寻找用户的准确位置，从而提升覆盖和降低小区间用户干扰。

这对于无线网络规划方法的影响很大，将改变移动网络基于扇区级宽波束的传统网络规划方法。

1.2.1MassiveMIMO特点优势特点优势MassiveMIMO：

大规模天线技术，是第五代移动通信（5G）中的关键技术。

由于5G具有更高的频段，导致更大的传播和穿透损耗，为了弥补覆盖上的劣势，提高系统容量和频谱利用率，5G引入了MassiveMIMO技术。

（1）天线数传统的TDD网络的天线基本是2天线、4天线或8天线，而MassiveMIMO指的是通道数达到64/128/256个。

（2）信号覆盖维度传统的MIMO我们称之为2D-MIMO，以8天线为例，实际信号在做覆盖时，只能在水平方向移动，垂直方向是不动的，信号类似一个平面发射出去，而MassiveMIMO，是信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用，信号的辐射状是个电磁波束。

所以MassiveMIMO也称为3D-MIMO。

具有高能量效率和高空间分辨率的特点：

（1）高能量效率大规模MIMO系统可形成更窄的波束，集中辐射于更小的空间区域内，从而使基站与UE之间的射频传输链路上的能量效率更高，减少基站发射功率损耗，是构建未来高能效绿色宽带无线通信系统的重要技术。

（2）高空间分辨率大规模MIMO系统具有更好的鲁棒性能。

由于天线数目远大于UE数目，系统具有很高的空间自由度，系统具有很强的抗干扰能力。

当基站天线数目趋于无穷时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计。

1.2.2波束赋型与波束扫描波束赋型与波束扫描mMIMO天线波束形状和方向的变化是通过权值实现的天线权值配置表中定义了每个天线阵子的相位和幅度权值，在特定权值设置下，信号在不同方向上叠加或抵消，从而实现了波束赋型，使得相应波束指向相应的方向。

理想情况下所有天线上发射的信号应该在到达特定用户的接收天线时拥有完全相同的相位，产生叠加的效果为达到这一目的，需要精确的系数来确定波束的正确方向，如果信息不全将会导致波束赋型无法达到最优效果。

天线波束收窄以后无法覆盖一个小区的整个区域，5G中通过SSB波束的轮询（即不同时间发射不同的SSB波束）来实现小区广播同步信号的全覆盖。

1.2.3波束配置波束配置根据规范，3.5GHz频段可以支持1-8个SSB波束，每个SSB占用4个符号的位置，每个时隙最多可以发送2个SSB（这样的话，8个SSB会在连续的4个时隙中发送）。

实际可以支持的最大SSB波束数量受到时隙配置样式的影响。

对于不同的SSB波束数量配置，可以选择不同的波束集空间排布样式，以适应不同的无线场景。

下面给出了一些SSB波束集样式的例子。

注意：

较少的SSB波束数可以减少SSB资源开销，但需要更宽的SSB波束，对应更低的天线增益；相反，较多的SSB波束数可以使用更窄的SSB波束，对应更高的天线增益，但SSB资源开销会更大一些。

业务波束增益也会受到SSB波束的影响，例如：

1SSB波束进行小区覆盖时，相应业务波束的天线增益在15-17dBi左右；2SSB在18-20dBi左右；4SSB在20-23dBi左右；8SSB在22-26dBi左右。

以SSB8波束为例，不同场景的宏站SSB波束集样式建议如下：

覆盖场景波束集样式选择水平波瓣宽度（SSB包络半功率角）垂直波瓣宽度（SSB包络半功率角）天线增益（SSB波束/业务波束）密集城区（建筑物低矮）BeamSet#6#21091619.8/22.8一般城区（建筑物低矮）特殊场景（高楼群）BeamSet#3#3#2942317.4/22.1特殊场景（单栋高楼）BeamSet#2#2#2#2462420.7/23.81.2.4与与LTE天线指标对比天线指标对比

（1）天线增益5G的天线方向图是所有窄波束方向图的包络，水平半功率角达到120度，垂直半功率角达到22度，天线增益也远大于LTE。

工作频段增