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传播类硕士学位毕业论文范文 与3GPP3D无线传播模型在5G基站覆盖预测中的应用方面在职毕业论文范文

主题:传播论文写作 时间:2024-03-14

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2018年的平昌冬奥会上,韩国率先提供了5G服务和应用,于是业内普遍认为2018年是5G从标准化走向预商用化的元年.然而,从目前的发展来看,5G的正式商用还需要假以时日、不断完善,预测5G基站覆盖情况并进行无线网络规划,就是其中较为实际且需要解决的问题.运用3GPP 3D无线传播模型及Excel等软件技术,或许能够提供有效的解决方案.

根据3GPP( 3rd Generation Partnership Project,第三代合作计划)组织最新计划和进展,5G第一个正式版本R15将在2018年内全部冻结.R15将实现5G新空口、大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出系统)天线、网络切片、边缘计算、4G/5G互操作与演进等所有5G基本特性.预计2020年,5G将在全球迎来商业部署,中国大概率会提前实施这一计划.

无线网络规划是5G部署的重要一环,而对5G基站的覆盖预测又决定了5G网络的部署方法与规模.由于5G将在较高频段部署,部署方式也从传统室外宏站和室内分布系统形式演化成室外宏站、室外微站以及室内微微站相结合的方式.传统的无线传播模型如奥村一哈塔模型、COST231模型,无论从频率还是基站建设方式上都难以适用于5G基站的覆盖预测.因此,需要在分析影响SG覆盖因素的基础上,比较分析传统无线传播模型和最新的3D传播模型的差异,利用3GPP 3D模型来预测5G基站覆盖能力,同时还可以借助Excel工具来快速实现5G基站覆盖预算.

影响基站覆盖预测的因素

在移动网络规划中,移动网站点的布局与规模由基站覆盖能力与基站容量能力综合决定.在网络建设初期,基站覆盖能力往往占主导因素,而其中,无线链路预算是在规划阶段衡量基站覆盖能力的重要尺度.无线链路预算又由空口最大允许无线路径损耗和无线传播影响共同决定.因此,5G系统在这方面与之前所有系统并无差别.

最大路径损耗.无线链路预算是决定基站覆盖能力的重要一环.简而言之,移动网络设备提供商会给出约束条件下的基站发射功率、终端最小允许接收功率,两者的差值在考虑天线增益、室内外穿透损耗、干扰余量、阴影衰落余量基础上,可以得到空口的最大允许路径损耗.当然实际情况更为复杂,主要体现在约束条件上,如系统代次、带宽、终端业务需求、一定编码和调整方式假设下的终端接收最小信噪比值等.总之,在终端业务需求给定的条件下,设备厂商会给出约束条件下的基站最大允许无线路径损耗值.

无线传播模型.电信号、光信号在电缆、光纤中传输会有一定损耗,同样,无线信号在无线场景中传输也会产生损耗.由于真实无线场景千差万别,无线信号在不同无线场景中的损耗也不尽相同,而这主要由无线信号的频率与无线环境共同决定:即相同无线环境下,不同频率的无线信号损耗不同;相同频率的无线信号在不同的无线环境中损耗不同.SG高频段、多场景部署要求成为影响无线路径损耗的两大因素.

5G高频段部署要求.根据2017年年底发布的通知,3300MHz~3600MHz、4800MHz~5000MHz频段作为SG系统的工作频段,其中3300MHz~3400MHz频段原则上限室内使用.3.5GHz频段和4.9GHz频段将在5G广覆盖组网中首先使用.频率是影响无线信号传播的重要因素,不同频率的无线电波在直射、反射、衍射方面均有较大差异.就趋势而言,频率越高,同一距离下的损耗越大,但随着频率的提高,其衰耗特性会呈现差异性变化.目前2G、3G、4G系统频率都在2.6GHz以下,找到一种适用于高频段的无线传播模型是开展5G网络规划的前提条件.

5G多场景部署要求.3G以前的移动通信系统主要由宏基站构成,以密集市区、市区、郊区以及农村分类就可大体归纳出无线传播模型.从4G网络开始,尤其是即将到来的SG.由于无线频率越来越高,在链路预算改善有限的情况下,基站部署朝密集部署发展,基站的建设形式也从传统的宏站,分化为普通宏站和不同建设形式的微站.在这样的情况下,原来的无线场景分类已不具备代表性.一方面,无线场景需要在原来大类基础上再行分类,如区别建筑物高度、密度等;另一方面,需将原来基站天线挂高普遍高于周边建筑物的这类场景细分为不同天线高度对应的场景.新型的无线传播模型必须与这些分类相匹配,才能真实反映出无线信号损耗特征,从而模拟推算出基站的覆盖能力.

无线传播模型比较

无线传播模型是以直接测量或建立在传播理论基础上的分析以及利用计算机仿真等手段,对物理传播环境建立的确定性或统计性数据描述,能够有效、近似表达无线通信环境的传播特征.

传统无线传播模型具有一定的局限性.在第1、2代移动通信系统的规划中,常用的无线传播模型为奥村一哈塔模型;到3G、4G规划时,由于系统使用的频率提高了1.5GHz以上,原奥村一哈塔模型已不再适用,所以改用了COST231-Hata模型或标准宏蜂窝模型,上述模型在无线场景分类时划分为密集市区、市区、郊区和农村.考虑到同样是密集市区,建筑物高度和密度差异相当大,Walfisch-Ikegami模型被COST231组织接纳,该模型能体现建筑的高度和密度,但基站天线挂高仍需要高于周边建筑物,对一般低于建筑物高度的微站并不支持,而且对无线频率的支持度也仅到2GHz.所以上述模型并不能满足5G覆盖规划需求.

而WINNERI、WINNERII为WINNER第五工作组在SG频率范围内提出的宽带MIMO信道模型.支持频段范围为2GHz~6GHz,共包括室内、室外,城市、乡村,宏小区、微小区、固定、移动、热点等13个场景,这些场景全部包括了LOS(Line Of Sight,视距)和NLOS(Not Line Of Sight,非视距)的情况.“WINNER+”模型对适用频率进行了向下扩展,并完善了室内、021、UMi、UMa和a五个场景的俯仰维度参数.

3GPP组织在吸纳了WINNERII、 “WINNER+”信道模型参数的基础上,提出了3D模型.它可以通过多个波束对应不同楼层形成虚拟分区,实现垂直方向上的空分复用效果.适用频率为1GHz~6GHz,带宽100MHz,提供适用于室外或室外打室内的宏基站市区UMa模型、郊区RMa模型、微基站UMi模型,以及适用于完全室内环境的3D-InH模型.以上模型完全能满足目前5G在3.5GHz与4.9GHz频段的不同建站方式的覆盖预测需求,而且数学模型较“WINNER+”模型更为简单,容易通过小工具实现快速计算.

5G基站覆盖的快速预测

3GPP 3D模型从传统模型的平面走向了立体,因此在基站覆盖距离d2D的基础上引入了d3D参与计算(如图2).在已知天线挂高hBS、终端高度hUT两个条件后,通过勾股定理可计算出平面d2D距离对应的立体d3D距离,反之亦然.

当5G基站所处的无线环境为密集市区和市区,且基站为宏基站部署形式(基站天线高于周围建筑物平均高度)时,可选用3D-UMa模型,并按终端是否处于视距环境分成LOS或NLOS两种模式(详见表1).其中,公式中PL即Passloss,为无线路径损耗,当5G厂商链路预算给定了最大路径损耗后,与fe、hBs、hUT、h、W这些确定参数一并代入公式,通过简单的公式转换计算可得到d3D,再通过勾股定理得到最终的基站覆盖距离d2D.

同样,当5G基站所处的无线环境为郊区或农村时,且基站为宏基站部署形式,则可选用3D-RMa场景模型;当基站为室外微基站部署形式时(基站天线低于周围建筑物平均高度),则选用3D-UMi场景模型;如基站部署在室内,则选用3D-lnH场景模型.

3GPP 3D模型涉及的数学运算相对简单,包括加、减、乘、除、对数、开平方根以及2个数值的比较运算,这些都可以通过Excel内嵌的基本公式解决.工具设计思路为:不同场景模型,如Uma场景,可设计一张表,其中街道宽带W (m),终端高度h(m),基站天线挂高hBs (m),最大允许路径损耗PL( dB),频率f c( GHz)等参数作为输入值用标出(如图3).工具使用者可根据需预测基站的实际情况给出.而输出结果基站覆盖距离d2D及中间计算值如d3D、dBP等依据计算公式,利用Excel内嵌公式给出,公式中的输入值来源于标出输入值.

其中,在3D-RMa LOS场景下,当lOm<d2D<dBP时,模型公式为PLl等于2010gio(40叮r d3Dfd3】+rriin(0.03}11.72,lO)logiot d3D) -min( 0.044h172,14.771+0.00210gio(h】d3D.由于未知数d3D分布在对数真数和多项式中,不能简单地通过四则运算法则求出,建议先将各典型距离下所对应的PL以列表形式算出,再通过Excel内嵌的Match(最大路径损耗,列表区间)公式查出对应最接近的d3D,最终通过勾股定理公式得到基站覆盖距离d2D.上述公式可以固化到Excel表中形成小工具,实现对不同的5G基站进行快速覆盖能力计算.

目前5G正在开展多场景试点部署,在试验网规划阶段已借助上述工具对5G基站覆盖能力进行预测,并指导试验网规划.希望在试验网工程实施后,通过细致的比照测试,能对3GPP 3D模型的准确性进行有效验证和评估,从而为将来运营商规模部署时的无线网络覆盖规划提供借鉴.

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