5G系統(tǒng)部分頻段電波穿透損耗對(duì)比測(cè)量與室內(nèi)覆蓋分析

（中國(guó)信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

蜂窩移動(dòng)通信的大部分?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)，對(duì)于5G系統(tǒng)，700 MHz/2.6 GHz/3.5 GHz/4.9 GHz 等頻段對(duì)于提供廣泛的覆蓋范圍和連續(xù)服務(wù)至關(guān)重要，而毫米波頻譜是為5G網(wǎng)絡(luò)帶來更多容量和更高吞吐量的關(guān)鍵，這些增加的容量和高吞吐量將支持5G 數(shù)據(jù)密集型和低時(shí)延應(yīng)用[1-2]。

從國(guó)際和國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)看，5G 毫米波是5G 發(fā)展的下一階段，然而將毫米波作為一種更通用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案部署之前，還需要投入大量的時(shí)間和研發(fā)成本來解決毫米波的傳播特性問題。毫米波以直射波的方式在空間進(jìn)行傳播，具有良好的方向性，很容易被障礙物遮擋，穿透性不足[3]。

2019 年4 月，美國(guó)第一大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商Verizon 在芝加哥和明尼阿波利斯兩個(gè)城市推出28 GHz 頻段的5G 移動(dòng)服務(wù)。對(duì)于室內(nèi)覆蓋，Verizon 的5G 毫米波信號(hào)幾乎無(wú)法抵達(dá)。穿透混凝土墻后，5G 下載速率從600 Mbit/s陡降至41.5 Mbit/s，而1 900 MHz 的4G 下行速率變化并不大，這是5G 毫米波的嚴(yán)重穿透損耗導(dǎo)致的[4]。

顯然，從改善未來5G 毫米波室內(nèi)覆蓋的需求出發(fā)，應(yīng)當(dāng)對(duì)典型建筑材料的電波穿透損耗進(jìn)行研究。為此，本文開展了相關(guān)測(cè)量與分析。

1 測(cè)量研究

測(cè)量工作在北京市某辦公樓開展。測(cè)試中采用加裝功率放大器的Agilent E8267D 矢量信號(hào)發(fā)生器作為發(fā)射源發(fā)射連續(xù)波信號(hào)，通過Agilent E4447 頻譜分析儀接收信號(hào)。收發(fā)天線采用相同型號(hào)的喇叭天線。收發(fā)天線口面中心高度均為1.5 m，天線距離被測(cè)物0.8 m，使用三腳架固定天線。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，首先收發(fā)天線口面正對(duì)，直射路徑上無(wú)障礙物阻擋，測(cè)量不同頻點(diǎn)上的接收功率，稱該接收功率為參考功率。在不改變距離等條件的情況下，再測(cè)量收發(fā)天線之間存在遮擋建筑材料時(shí)的接收功率，此時(shí)測(cè)得的功率稱為遮擋功率，以dBm 量綱計(jì)，參考功率和遮擋功率的差值，即為dB 量綱的建筑材料穿透損耗[5-7]。

本次測(cè)量的建筑材料有：

（1）厚度30 cm 的鋼筋混凝土承重墻，簡(jiǎn)稱鋼混承重墻。

（2）單向透明玻璃，這種玻璃由鍍金屬鉻鋁薄膜的鋼化玻璃經(jīng)膠夾工藝制成，可反射紅外線，具有保溫節(jié)能效果，從室外看室內(nèi)可視性弱，私密性好。

（3）干燥的木門，復(fù)合板空心結(jié)構(gòu)。

（4）非承重墻，為8 cm 厚的干燥石膏夾板結(jié)構(gòu)。

（5）單透玻璃+木門的組合，單透玻璃距離木門6 m。

（6）承重墻+單透玻璃的組合，承重墻距離木門6 m。

測(cè)試場(chǎng)景如圖1 所示，主要使用垂直極化波。

圖1 測(cè)試場(chǎng)景

首先測(cè)量了鋼筋混凝土承重墻和單透玻璃在3.5 GHz±100 MHz頻段的穿透損耗，在這個(gè)頻段上等間隔取11個(gè)頻點(diǎn)測(cè)量，取多個(gè)頻點(diǎn)有利于避免頻率選擇性衰落導(dǎo)致的不正常離群值。測(cè)量結(jié)果如圖2和圖3所示：

圖2 鋼筋混凝土承重墻在3.5 GHz頻段上的穿透損耗

圖3 單透玻璃在3.5 GHz頻段上的穿透損耗

然后測(cè)量多種建筑材料在28 GHz±250 MHz 頻段的穿透損耗，在這個(gè)頻段上等間隔取11 個(gè)頻點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4～圖10 所示。

考慮到鋼筋混凝土承重墻內(nèi)的鋼筋排列具有方向性，對(duì)不同極化電磁波的作用可能有所不同，進(jìn)而導(dǎo)致不同極化電磁波的穿透損耗有差異，故而還測(cè)量了水平極化波穿透鋼筋混凝土承重墻的損耗，測(cè)量結(jié)果如圖5 所示。比對(duì)圖4 和圖5 可知，穿透損耗有差別，但不顯著。

圖4 鋼筋混凝土承重墻在28 GHz頻段上的穿透損耗

圖5 鋼筋混凝土承重墻在28 GHz頻段上的穿透損耗（水平極化）

圖6 單透玻璃在28 GHz頻段上的穿透損耗

圖7 非承重墻在28 GHz頻段上的穿透損耗

圖8 木門在28 GHz頻段上的穿透損耗

圖9 單透玻璃+木門組合在28 GHz頻段上的穿透損耗

圖10 承重墻+單透玻璃組合在28 GHz頻段上的穿透損耗

基于測(cè)量結(jié)果和理論分析[8]，有以下基本結(jié)論：

（1）鋼筋混凝土承重墻在3.5 GHz 頻段上的穿透損耗在25 dB 左右，而在28 GHz 頻段上的穿透損耗在55 dB左右，差異顯著。按照一般的理論，材料的屏蔽作用包括吸收屏蔽和反射屏蔽兩部分，鋼筋混凝土承重墻的穿透損耗效應(yīng)兼具這兩方面的因素，反射屏蔽是由于傳播中波阻抗不匹配導(dǎo)致的，這部分隨頻率變化不顯著；而吸收屏蔽由承重墻內(nèi)水合物、鋼筋網(wǎng)的渦流熱損耗引起，頻率越高則這部分的損耗越大。

（2）對(duì)于單向透明玻璃，3.5 GHz 和28 GHz 頻段上的穿透損耗大致在20～30 dB 之間，差異不顯著，這是由于單向透明玻璃的屏蔽作用主要是由金屬鍍膜層發(fā)生的反射導(dǎo)致的，由于鍍膜厚度遠(yuǎn)小于3.5 GHz 和28 GHz電磁波波長(zhǎng)，故而其對(duì)3.5 GHz 和28 GHz 電磁波的反射率沒有顯著差異，進(jìn)而表現(xiàn)為穿透損耗沒有顯著差異。

（3）在28 GHz 頻段上干燥石膏夾板非承重墻的穿透損耗在4 dB 左右，這個(gè)數(shù)值較低，可以通過電波傳播界面波阻抗反射的理論做初步說明。

（4）在28 GHz 頻段上干燥木門的穿透損耗在10 dB 左右，這個(gè)數(shù)值目前尚未找到有效的理論分析。

2 室內(nèi)覆蓋的分析

從第1 節(jié)的測(cè)量結(jié)果來分析5G 毫米波的室內(nèi)覆蓋，顯然在存在55 dB 數(shù)量級(jí)的承重外墻電波穿透損耗時(shí)，即使考慮天線3D 波束賦形帶來的增益，從室外宏站覆蓋室內(nèi)也是相當(dāng)困難的。無(wú)獨(dú)有偶，華為技術(shù)有限公司的科研人員在2019 年發(fā)表了3.5 GHz/4.9 GHz/28 GHz 的測(cè)量研究論文[9]，該研究表明：28 GHz 頻段室外宏站可以覆蓋窗戶附近的室內(nèi)區(qū)域，例如外部房間和走廊盡頭，但無(wú)法覆蓋內(nèi)部建筑物深處。相反，低于6 GHz 的頻段可以為整個(gè)建筑物提供可靠的無(wú)線覆蓋。該論文指出混合使用Sub-6GHz 和毫米波頻段將有望提供高質(zhì)量的室內(nèi)覆蓋。對(duì)于一般的人居環(huán)境5G 無(wú)線覆蓋，顯然這是一個(gè)有價(jià)值的建議。

另一方面，業(yè)界普遍認(rèn)為，毫米波可以提升5G 網(wǎng)絡(luò)的容量和降低時(shí)延，基于毫米波頻譜更大的帶寬，高清視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程操作和工業(yè)自動(dòng)化的廣泛實(shí)施將受益，特別是要求高度精確的流程。5G 毫米波還將支持每個(gè)自動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生或接收大量數(shù)據(jù)，以及這些機(jī)器人在密閉區(qū)域中的高密度部署。從這個(gè)角度看，良好的毫米波室內(nèi)覆蓋是必要的。分析表明，傳統(tǒng)的基于無(wú)源器件的室內(nèi)分布系統(tǒng)難以滿足5G 毫米波系統(tǒng)的需求，最直接的原因就是無(wú)源器件在毫米波頻段傳輸損耗太大，這可從理論上說明[10]，為了進(jìn)一步證實(shí)，本課題組測(cè)量了一條可用于毫米波頻段的2.92 mm 同軸電纜的傳輸衰減，結(jié)果如圖11 所示。

圖11 1.5 m長(zhǎng)2.92 mm同軸電纜的傳輸衰減測(cè)量結(jié)果

圖11 的測(cè)量結(jié)果是基于2.92 mm 規(guī)格同軸電纜，顯然頻率越高線纜衰減越大，1.5 m 同軸線纜在28 GHz 頻段上衰減大于2.5 dB，則15 m 線纜的傳輸衰減將大于25 dB，顯然基于無(wú)源分布式系統(tǒng)的毫米波室內(nèi)覆蓋變得非常困難。則未來毫米波室內(nèi)覆蓋主要技術(shù)手段有兩個(gè)：

（1）小基站。小基站具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于部署、擴(kuò)容方便、支持網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和室內(nèi)外協(xié)同等特征。小基站多采用天線內(nèi)置，設(shè)備體積小，且通常為一體化有源設(shè)備，不要求機(jī)房等配套設(shè)施，在安裝過程中易于與物業(yè)協(xié)調(diào)，安裝靈活方便，容易維護(hù)。另外，5G 小基站可以基于4G小基站部署時(shí)鋪設(shè)的CAT6A 網(wǎng)線或光纖，平滑向5G 演進(jìn)。此外，以承重墻為界限進(jìn)行小基站部署，承重墻的大穿透損耗也有利于將電磁波天然地局限在某一空間內(nèi)，有利于降低室內(nèi)覆蓋的小區(qū)間干擾。

（2）毫米波光載射頻。毫米波光載射頻的基本思想與傳統(tǒng)的無(wú)源室內(nèi)分布系統(tǒng)類似，只是引入了光電、電光轉(zhuǎn)換和光纖傳輸，利用光纖低損耗、大容量以及抗電磁干擾等特性來傳輸信號(hào)[11]。

小基站方案和毫米波光載射頻方案相比，前者能有效提高無(wú)線接入容量，后者只是改善接收電平，但是后者的成本要低一些，所以未來兩種方案會(huì)互補(bǔ)、融合。

從目前研究看，大型無(wú)隔斷室內(nèi)空間如高鐵站候車廳等的5G，毫米波覆蓋問題是較容易解決的[12]，也可以做較清晰的成本估算。關(guān)鍵困難在于有隔斷的室內(nèi)傳播環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)5G 毫米波覆蓋容量夠用、成本可控、覆蓋良好的目標(biāo)，需要組合用好小基站和光載射頻技術(shù)，這就需要對(duì)室內(nèi)傳播環(huán)境做清晰的把握，而室內(nèi)傳播環(huán)境是復(fù)雜的[13]，無(wú)線工程師在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作中很難區(qū)分哪些是承重墻、哪些是石膏非承重墻、哪些是混凝土非承重墻等，故而很難用簡(jiǎn)單普適的規(guī)律去指導(dǎo)設(shè)計(jì)，往往需要“一樓一策”，在一些情況下，正確的設(shè)計(jì)策略需要依賴實(shí)際覆蓋效果的預(yù)測(cè)測(cè)量，在5G 毫米波室內(nèi)覆蓋規(guī)劃中，測(cè)試測(cè)量工作的比重會(huì)顯著上升，對(duì)室內(nèi)無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)測(cè)試的儀表需求也會(huì)上升，目前上海創(chuàng)遠(yuǎn)等國(guó)內(nèi)儀表企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了用于Sub 6 GHz 覆蓋效果測(cè)試的便攜式信號(hào)源、掃頻儀等儀表，據(jù)悉國(guó)內(nèi)儀表企業(yè)也在開發(fā)5G 毫米波相關(guān)儀表。

3 結(jié)論

5G 毫米波是5G 發(fā)展的下一階段，將帶來更大的帶寬和通信速率，5G 毫米波的穿透損耗一直為業(yè)界所關(guān)注。在蜂窩移動(dòng)通信應(yīng)用中，穿透損耗的概念表征阻隔物造成的路徑損耗差異，是發(fā)收兩點(diǎn)間電波傳播經(jīng)過多個(gè)路徑綜合矢量疊加的結(jié)果，通常關(guān)注的是多種入射角度下的均值及變動(dòng)范圍，以便在網(wǎng)路覆蓋規(guī)劃時(shí)預(yù)留出一定的余量。本文測(cè)量表明，鋼筋混凝土承重墻在3.5 GHz 頻段上的穿透損耗在25 dB 左右，而在28 GHz 頻段上的在55 dB左右，增加30 dB 左右。對(duì)于單向透明玻璃，3.5 GHz 和28 GHz 頻段上的穿透損耗大致在20～30 dB 之間，差異不顯著。在28 GHz 頻段上干燥石膏夾板結(jié)構(gòu)的非承重墻穿透損耗在4 dB 左右，干燥木門的穿透損耗在10 dB 左右，使用dB 量綱的組合物穿透損耗大致等于其組成材料穿透損耗的代數(shù)和。進(jìn)一步的分析表明：5G 毫米波從室外宏站覆蓋室內(nèi)是相當(dāng)困難的，同時(shí)由于無(wú)源器件在毫米波頻段的大傳輸衰減特性，傳統(tǒng)的基于無(wú)源器件的室內(nèi)分布系統(tǒng)難以滿足5G 毫米波覆蓋的需求。未來5G 毫米波室內(nèi)覆蓋將主要依靠小基站和毫米波光載射頻，考慮到傳播環(huán)境的復(fù)雜性，5G 毫米波室內(nèi)覆蓋規(guī)劃工作中需要“一樓一策”，相關(guān)測(cè)量工作的比重會(huì)顯著上升。