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技术广角 795G信号在室内的传播模型分析与校正摘要 在第五代移动通信时代，室内场景依然是移动数据产生的主力区域，高频段的频谱资源能够提供更大的带宽，但穿透损耗和传播损耗也较2G4G通信更大，5G信号在传播过程中受建筑材料、办公家具分布等因素的影响更大，因此通过室外站对室内进行信号覆盖的建网策略，达不到室内的深度覆盖需求，要进一步单独对室内进行5G网络部署。文章通过分析经典的室内传播模型，并在现场对传播损耗和穿透损耗进行测量，结合实测数据对传播模型进行系数修正，使传播模型能够指导室内网络部署。关键词 5G；室内无线信道；室内深度覆盖；传播模型校正乔楠婷 陶 昕 李益锋 许 彬华信咨询设计研究院有限公司杭州310052引言据统计表明，80%的4G业务数据产生于室内1，在第五代移动通信时代，室内场景依然是移动数据产生的主力区域，主要分布于大型场馆、密集住宅区、商业综合体、高铁（地铁）沿线等。第五代移动通信驱使网络通信从人与人向万物互联演变成为无线通信网络的主要发展方向，衍生众多新兴产业，产生虚拟现实(VR)、智慧医疗等室内业务场景。因此，深入研究室内5G的建网策略是一件重要且紧迫的事情。本文旨在通过得到不同材质的穿透损耗的实测数据，以及视距传播下的5G信号强度衰减结果，对几种常见的传播模型进行分析，结合实测数据校正其参数，使校正后的传播模型能准确预测此类场景的信号传播，辅助后续室内网络的部署。1 室内无线信道介绍无线信道是指无线电波在空间中的传输路径，它并不是一条有形的通路，只是为了方便描述接收端和发送端之间的工作方式。无线信道具有随机性、时变性，这些特性决定了室内通信系统的性能。一般无线信道的模型可以近似为图1所示的模型，发射端发出的信号经由信道到达接收端，在这一过程中，接收端接收的信号并不是原始的发射端的信号，而是发射端信号和噪声叠加的内容。信号在信道中可能发生链路损耗、阴影衰落和多径衰落，产生这三种现象的因素称之为乘性噪声。由接收端内部或外部引起的噪声称为加性噪声。发射端发射天线链路损耗阴影衰落多径衰落接收天线噪声接收端图1 无线信道传播模型室内环境中，无线电波通过多条路径到达接收机，产生多径损耗，干扰主信号。室内无线信号传播具有集中距离短、微功率等特点，在这个过程中，不可避免会有信号的衰落2。电信5G频段介于3.3GHz和3.6GHz之间，相比4G频率增加，绕射能力减弱，与2G4G的传播特性完全不同，对障碍物更加敏感。因此在信号传播过程中，5G比4G传播损耗更大，覆盖能力更弱。了解衰落的强度、距离和受多径效应的影响，能够帮助我们技术广角 80更好地解决室内无线信号在高频段覆盖带来的困难。2 无线信号传播特点无线信号传播的过程较为复杂。信号在没有障碍物的环境中传播，称为视距传播，若在此过程中，遇到障碍物，电磁波则会产生反射、散射、衍射等现象，改变电磁波的原有传播方向并衰减其信号强度，改变情况受障碍物的形状、大小、光滑程度等因素影响。在日常生活中，电磁波的传播方式大部分是非视距传播。无线信道的衰落特性可以分为大尺度衰落和小尺度衰落两种。2.1 大尺度衰落大尺度衰落表示在较长一段时间内，发射设备和接收设备之间存在障碍物，或者受距离影响产生的信号衰减现象，包括阴影衰落和路径损耗两种。大尺度衰落对信号覆盖情况有较大的影响。1)路径损耗：路径损耗是指信号在传输过程中，受传播环境、传播距离的影响产生的损耗，通常用路径损耗指数n表示其损耗的程度。2)阴影衰落：阴影衰落是指在收发机的传播路径中存在障碍物时，障碍物由于对信号产生吸收、反射、绕射、散射等作用，使信号产生盲区，从而衰减信号的功率，严重时甚至会对信号产生屏蔽作用。阴影效应对信号的影响是缓慢且长期的，因此可以叠加于路径损耗，使信道传播模型更加精准。2.2 小尺度衰落当接收机、发射机或者它们的相对参考体发生相对运动时，干涉信号或者干涉信号的合成信号在接收端产生的相位、幅度等参数快速起伏变化的现象。小尺度衰落通常不会对大尺度衰落造成较大影响，通常由多径传播引起。1)多径效应：信号在传播过程中，经由散射、反射、折射等作用影响，使接收端接收到的信号是由多条路径传播而来，且各路信号之间也会产生干扰3，并且到达接收机时的信号幅度、载波相位、到达时间等都不一样，接收机接收到的信号是这些信号的矢量叠加，从而产生多径效应。2)多普勒频移：当接收机和发射机存在相对运动时，使接收端信号的频率与发射端的频率不一致，从而产生多普勒效应。同时，接收端和周围的环境存在相对运动也会产生多普勒效应。多普勒效应产生的根本原因是多径分量产生的多普勒频移。多普勒效应使接收信号在时域上产生时变，从而影响频域产生快衰落和慢衰落。3 穿透损耗测量穿透损耗的测量采用微观的测量方法4，对某种特定的材料进行穿透损耗测量，如混凝土砖墙、玻璃等。穿透损耗的测量结果可以作为仿真的输入参数用于室内覆盖的仿真覆盖分析。测试工作在华信1号楼17楼展开，该楼层包含了测试所需的建筑材料构成的办公区域，包括防火门、砖混墙、玻璃等。办公区域布局方正，为常见写字楼采用的格局，选取了人员移动时间较少的时间段开展实验测试，避免其他因素对测试结果的干扰，尽可能保证实验结果的准确性。测试采用全向天线作为发射源发射连续波信号，天线增益为3dB，输出功率为3dBm，通过频谱分析仪接收信号，具体测量参数如表1。天线高度根据场景的差别分别为2.9m和2.5m，用三脚架进行固定，接收设备放置于高度为1m的桌面并与电脑连接，表1 系统参数参数取值中心频率/Mhz3380带宽/Mhz100发射天线类型全向天线接收天线类型全向天线发射功率/dBm3接收端高度/m1.0发射端高度/m2.9/2.5接收天线增益0发射天线增益/dB3技术广角 81利用软件进行同步分析和处理，图2为测量玻璃穿透损耗时的场景。图2 玻璃穿透损耗测试场景测试布点如图3所示。其中点位A和点位B为信号发生器所在位置，1/2布点在玻璃会议室内，6/7、8/9/10分别模拟信号穿过一道和两道防火门时的信号衰减。分别测量同一点位的空气传播和穿透材料传播两种情况下的接收功率，两者之间的差值即为材料的穿透损耗。墙壁、石膏板材等建筑材料也是利用相同测试思路进行布点和测试。根据测试数据进行整理分析，得到无线电波在室内环境中传播遇到障碍物时的穿透损耗，常见几种材料的穿透损耗如表2所示。图3 穿透损耗测量实验点位示意图表2 常见材料穿透损耗材料类型砖墙石膏板玻璃防火门实测值/dB510241217234 室内传播模型分析与校正4.1 传播模型介绍传播模型是建立在传播环境、电磁波性质和实测数据基础上的。室内作为5G网络部署的重点对象，为了保证传播模型的准确性和鲁棒性，能够应用于室内电磁波覆盖预测，满足实际应用需求。传播模型分为确定性模型和统计性模型两种。确定性模型是根据电波传播理论，得出模型的理论表达式，例如射线追踪模型，利用光的传播理论预测电磁波的传播预测。确定性模型的结果是确定性的，但确定性模型不是精确模型，因为模型参数包含传播环境条件的全面、完整的描述信息。模型预测的场强值与真实的场强值之间的误差取决于对环境参数描述的准确度和完整度，当给出的环境描述越准确、全面，则确定性模型的预测结果越接近实际值。统计性模型是基于大量实测数据，通过经验或者半经验模型，甚至是经验曲线5，得出电磁波的预测值。这种模型是统计性的，它不需要精确的环境信息描述，只需要环境的统计信息。比如办公家具类型、开阔空间还是半开阔空间、人员移动频率等。因此，统计性模型是以牺牲预测结果的精度来降低计算复杂度的。虽然确定性模型在结果准确度方面相比统计性模型有较大优势，但在实际生活中，室内场景和无线环境是不可控的，人是随着地理位置随机分布的，人在移动时，环境也是随着时间随机分布的，不同用户在不同时刻所使用的无线电波传播条件一直在变化，所以单纯的理论模型在具体场景的实现中存在很大困难，无法满足工程应用的需要6。因此在移动通信中，使用统计模型较为适合。4.2 测试环境介绍视距传播实验环境要求发射源与接收器无阻挡，因此选取1号楼18层作为测试场地，本次实验设置9个接收器位置，在不同点位依次进行测试分析，具体测试布点如图4所示。图4 视距传播损耗测量布点图其中G为信号发生器所在位置，信号发生器位置在测试过程中保持不变，19为接收机位置，依次技术广角 82在不同点位进行测试，得到与接收机不同距离下的传播路径损耗值，后续通过对数据进行处理，求出路径损耗的模型曲线，进一步对室内传播模型进行校正。4.3 模型校正1)自由空间传播模型。自由空间是指理想、均匀、各向同性的介质。在此介质中传播的电磁波，可以认为传播路径是一条射线，不发生散射、反射、折射等现象，只存在由于电磁波能量在传输过程中扩散而引起的传播损耗7。因此根据弗里斯传输公式，可以计算电磁波在自由空间中的传播损耗，公式如下：(1)上式中，为发射天线的天线增益；为接收天线的天线增益；为接收天线的接收功率；为发射天线的天线功率；为电磁波波长，单位m；为收发天线之间的距离，单位m。对该方程取对数，得到传播的功率损耗如式(2)。(2)当收发机距离很近时，该模型的传播损耗与实际损耗结果相近。2)Chan模型。Chan模型认为无线信号在信道中的传播损耗是在自由空间中的传播损耗与穿墙损耗之和。其中穿墙损耗与墙体的材料和信号频率有关，路径损耗公式如下：(3)式(3)中，为传播损耗；为载波频率，单位；为收发天线之间的距离，单位；为穿墙损耗。相比自由空间传播模型而言，Chan模型考虑了信号在穿墙时产生的损耗，对于室内传播场强分布预测的精度有所提高，但是并未全面考虑到不同层信号传播、穿墙数量、墙体厚度等影响因素，因此CHAN模型在实际工程应用中还是有一定的局限性。3)衰减因子模型。衰减因子模型是一种常见的经验模型，常用来预测同层或不同层的信号覆盖情况。信号的衰减和距离的对数相关，因此也被称为单斜率模型。衰减因子模型预测值与实测值误差较大，因此只能进行覆盖预测，实际工作中常常通过参数校正优化模型。同层传播路径损耗为：(4)为信号在米处的损耗，一般取为1m；为同层路径损耗的指数值；FAF为附加衰减因子。其中的数值与传播的环境类型有关，对于不同类型的覆盖区域有所不同，FAF可根据障碍物的类型折算相应的损耗，具体损耗取值可参考表2。各点位测试数据如表3所示。表3 视距传播损耗测试结果收发端之间的距离/m平均接收功率/dBm平均路径损耗/dB5-64.3367.339-66.1269.1212.6-70.6773.6716.8-74.3977.3921.4-75.3678.3627.8-76.3279.3232.4-77.4380.4334.8-76.2779.2739.2-83.4586.45衰减因子模型作为单斜率线性模型，可简化为形式，利用最小二乘法得出斜率，公式如下：(5)通过计算得到=1.863，=53.33，图5为模型预测和实测值的拟合曲线。0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.685807570lg(d)L(d)/dBm实测值衰减因子模型图5 衰减因子模型得到修正后的传播模型为：技术广角 83(6)传播损耗为收发设备距离的对数，接收机在发射机1m处的损耗为53.33dBm。根据研究，室内路径损耗等于自由空间传播损耗与附加损耗因子之和，附加损耗随着距离的增加呈现指数增长，因此，在多层室内环境下，模型可以更改为：(7)根据实测数据对该模型的系数进行修正，得到校正后的模型公式为：(8)模型预测曲线与实测值关系如图6所示。5 10 15 20 25 30 35 4085807570d/mL(d)/dBm实测值衰减因子模型图6 修正后的衰减因子模型与自由空间模型相比，衰减因子模型准确度更高，应用范围更广，可以全面地描述同层或者不同层的室内情况下信号传播的路径损耗，得到不同障碍物引起的变化。4)对数路径损耗模型。室内无线信道相比于室外有两个显著的特点，一是覆盖面积小，二是收发机间的传播环境变化较大。即使在收发机距离相同的情况下，由于收发机所处的位置不同，从而导致传播路径的环境变化，使原有的传播模型对此情况下的信号功率计算精确度有所下降，对数路径损耗模型对这种情况进行了改善。对数路径损耗模型引入了阴影衰落余量8，它表示路径损耗相对于平均值的偏离程度，它满足均值为0，标准差为 的高斯分布，单位为dB。(9)根据matlab对实测数据进行拟合，得到传播环境中信号的阴影衰落余量满足均值为0，标准差为1.759的高斯分布，传播模型得到了进一步的完善，对数路径损耗模型相比衰减因子模型包含了更多的影响因素，更接近真实场强分布，更新模型为：(10)5 结论 本文主要测试了在3 380Mhz频段下的5G信号穿透不同建筑材料产生的损耗，实测数据作为室内仿真输入参数，可以提高仿真结果的准确度，同时为了修正传播模型相关参数，制定了视距传播时的5G室内信号衰减的相关实验，实验数据记录了5G室内信号强度随距离衰减的过程，数据处理后完成了对传统传播模型的相关参数的修正，两项研究成果对室内建网部署有一定指导意义。参考文献1 张海.5G室内分布覆盖研究J.信息通信,2020,(10):193-1952 马蓁,卜振钊,潘翔,等.多种玻璃材料的电波穿透损耗测量J.现代电信科技,2014,44(12):32-363 华永康.室内多径信道衰落模型的建模研究D.上海:上海师范大学,20164 张炎炎.多频段室外覆盖室内穿透损耗研究J.移动通信,2017,41(24):53-575 魏玲,杨汇军.移动通信中电波传播损耗的预测模型J.辽宁工学院学报,2003(2):27-306 付炜.短距离无线通讯中传播特性理论研究及相关关键技术D.成都:电子科技大学,20097 张果,肖宇尘,杨戈.分功能区的室内分布系统设计方案研究J.邮电设计技术,2017(3):37-418 孙开宇,王洪梅,崔明,等.关于5G链路预算的研究J.中国新通信,2019,21(17):56-57技术广角 84作者简介乔楠婷本科，工程师，主要研究方向为无线通信咨询、规划、设计。陶 昕本科，工程师，主要研究方向为无线通信室内覆盖规划、设计。李益锋本科，高级工程师，主要研究方向为无线通信咨询、规划、设计。许 彬本科，工程师，主要研究方向为无线通信咨询、规划、设计。Abstract Inthefifthgenerationmobilecommunicationera,indoorscenesarestillthemainareasofmobiledatageneration,thespectrumresourcesofhighfrequencysectioncanprovidegreaterbandwidth,howeverthepenetrationlossandtransmissionlossarealsolargerthan2G4Gcommunication.5Gsignalismoreaffectedbythedistributionofbuildingmaterialsandofficefurnitureduringthetransmissionprocess.Therefore,thenetworkconstructionstrategyofindoorsignalcoveragethroughoutdoorstationcannotmeettheindoordeepcoveragerequirements,5Gnetworkdeploymentshouldbecarriedoutseparatelyintheroom.Thispaperanalyzestheclassicalindoorcommunicationmodel,measuresthetransmissionlossandpenetrationlossonthespot,andcorrectsthepropagationmodelcoefficientwiththemeasureddata,sothatthecommunicationmodelcanguidetheindoornetworkdeployment.Keywords 5G;IndoorWirelessChannel;IndoorDepthCoverage;PropagationModelCorrectionAnalysis and Correction of in Indoor 5G Signal Propagation Model Qiao NantingTao XinLi YifengXu BinHuaxinConsultingCO.,Ltd.,Hangzhou310052,China