毫米波大气损耗衰减率

发布人:红松小e 发布时间:2020-08-26 15:11:42

频谱资源是无线通信稀缺的资源,中低频段比高频段可以传播更远的距离,当前国内、国外移动通信系统采用的频段是在3GHz以下的中低频段,但是,随着通信技术的不断发展和业务速率的不断提升,中低频段可以用的频谱越来越稀缺。为了满足不断发展的业务速率需求,在提升频谱利用率的同时,也需要开拓空闲的更高频段的频谱资源,如6GHz及以上的频谱来满足未来移动通信系统(5G)的业务需求,利用高频段进行通信也是满足5G高谏业务需求的重要手段。毫米波通信技术目前已经实现10Gbit/s的传输速率,据预测,未来毫米波通信速率可快于光纤速率。但是,这些毫米波候选频段频率差别较大,传播特性也不尽相同。

毫米波大气损耗衰减率

 

目前,学术界比较认同的未来5G部署观点是用较低的频段实现1km级别范围的无线覆盖,而用较高的频段实现100m级别范围的无线覆盖,主要包括室内、密集住宅、露天集会等场景。毫米波可用于室内短距离通信,也可为5G移动通信系统提供 Backhaul链路,其优势是可用频带宽,可提供几十GHz带宽,波束集中,能够提高儀效,方向性好,受干扰影响小。各频段无线电波对于不同环境、天气的衰减率也不尽相同,如空气干燥、空气湿度、降雨以及沙尘天气等对视距衰减率都有影响。网络规划中需要对各场景下毫米波强度衰减率进行分析,从而指导站点规划。
 

1.空气强度衰减率
 

无线电波在空气中传播时,受到空气压力、水汽压力等影响,同时也受温度的影响。温度取常温20°℃,水汽密度取7.5g/m2,取1013hPa,通过 Matlab仿真得到如图1-1所示的空气造成的不同频率特征衰减,其中,无线电波在干燥空气中随频率的增増加波动较大,并岀现多个峰值;无线电波在水汽中的衰减率在低频段比在干燥空气中衰减率小,在高频段衰减率比在干燥空气中衰减率大,随频率变化波动较大,出现多个峰值;在空气中的总衰减率为干燥空气导致的衰减率和水汽导致的衰减率相加,岀现波动多峰值情况。
 

空气造成的不同频率特征衰减
 

图1-1 空气造成的不同频率特征衰减


无线电波在空气中的总衰减率随着水汽密度的不同,其衰减率也不同,水汽密度和频率的变化关系如图1-2所示,从图1-2可以看出,随着其密度的增加衰减率增加较为明显。
 

衰减率随不同频率和水汽密度变化

 

图1-2 衰减率随不同频率和水汽密度变化


2.雨水衰减率
 

并取频率6GHz(未来5G可采用频率),通过Matlab仿真得到衰减率随着降雨量的变化关系,如图1-3所示,从图1-3中可以看出衰减率随着降雨量的增加而增加,且增速较快。
 

衰减率随降雨量变化关系
 

图1-3 衰减率随降雨量变化关系


3.视距衰减率
 

通过Mat ab仿真得到无线电波在不同频率、降雨的空气中衰减率如图1-4所示,从图1-4中可以看出,降雨量增加导致衰减率增速比频率増大导致的衰减率増速要快。
 

线电波在不同频率、降雨的空气中衰减率


图1-4 无线电波在不同频率、降雨的空气中衰减率


随着通信技术的快速发展,业务速率的提升和低频频谱资源的稀缺,5G采用的频率比2G、3G、4G都要高,而且采用的频谱更宽、更高,覆盖站点越来越密,密集组网很多时候都为视距传输,所以对视距传输的衰减率的分析很有必要。通过对不同频率在干燥空气、水汽和降雨气候的衰减率分析,以及仿真得到的结果,从而可直观地看到各频率的视距衰减率与频率、干燥空气、水汽密度和降雨量的关系;同时,高频段传输穿墙损耗非常大,不适合用于室外到室内的通信覆盖场景。但其频率损耗可作为后续5G频率选取以及站点规划的参考。高频段视距(LOS)的传播损耗模型如下式所示。

 

高频段视距(LOS)的传播损耗模型
 

高频段视距(NLOS)传播损耗模型如下式所示:

 

高频段视距(NLOS)传播损耗模型
 

当前高频段用于5G覆盖的有28GHz和73GHz,两个频段的传播损耗参数值,见表1-1。

LOS和NLOS无线传播损耗模型参数值

 

表1-1 LOS和NLOS无线传播损耗模型参数值

 

对于热点高业务容量区域,覆盖主要是采用高频段密集组网的微基站来完成,规划站点可直接根据高频段指标要求;根据传播损耗模型及参数值,对28GHz和73GHz两个频段进行了LOS和NLOS仿真,仿真结果如图1-5和图1-6所示。
 

频率28GHz无线传播损耗损耗情况

 

图1-5 频率28GHz无线传播损耗损耗情况
 

频率73GHz无线传播损耗损耗情况
 

图1-6 频率73GHz无线传播损耗损耗情况
 

从仿真的结果来看,高频段的损耗较大,NLS和LOS在距离较近时,损耗差距较小,随着覆盖距离的増大,损耗差距也増大;冋时,73GHz传播损耗与8GHz传播损耗差距也随距离的增大而增大。从图1-6中可以看出对于高业务量的热点区域,超密集组网站间距在20~50m,这就需要部署至少10倍以上的现网站点,站点数量增多、有线回传成本大帽提高,从网络建设和维护成本的角度考虑,不适宜为所有的UDN微基站铺设光纤来提供有线回传;同时,即插即用的组网要求,使有线回传不能覆盖所有υDN组网场景,利用和接入链路相同频谱的无线回传技术,由于高频段可以提供足够大的带皃做无线回传,优选高频段无线回传,且需采用点对点LOS回传。

红松