面向5G应用场景的毫米波传输衰减分析

5G漫谈面向5G应用场景的毫米波传输衰减分析马蓁1，高泽华1，刘健哲2，高峰1，张楠2（1.北京邮电大学，北京 100876；2.中国信息通信研究院，北京 100191）【摘 要】*介绍了毫米波通信的基本概念和相关背景，分析了大气气体吸收、云雾、降雨和沙尘对毫米波传播衰减的影响以及毫米波在大气中的复合衰减，对第五代移动通信网络全频谱接入技术研究有一定的参考意义。毫米波 大气吸收 云雾衰减 降雨衰减 沙尘衰减【关键词】doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2015.23.018 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010(2015)23-0092-05引用格式：马蓁,高泽华,刘健哲,等. 面向5G应用场景的毫米波传输衰减分析[J]. 移动通信, 2015,39(23): 92-96.Analysis on Millimeter Wave Transmission Attenuation Oriented to 5G ApplicationsMA Zhen1, GAO Ze-hua1, LIU Jian-zhe2, GAO Feng1, ZHANG Nan2 (1. Beijing University of Posts and Telecommunication, Beijing 100876, China;2. China Academy of Information and Communication Technology, Beijing 100191, China)[Abstract] [Key words]With the rapid development of mobile communications, low frequency spectrum has been unable to meet requirements of 5G mobile communication network. Therefore, high frequency spectrum resources should be effectively used to enhance transmission rate and system capacity. The basic concept and related background of millimeter wave communication were introduced. The effects of atmosphere’s absorption, cloud, fog, rain and dust on millimeter wave attenuation were analyzed. In addition, millimeter wave compound atmospheric attenuation was analyzed. The aforementioned research has a certain reference significance to the full spectrum access in 5G mobile communications.millimeter wave atmospheric absorption clouds attenuation rain attenuation dust attenuation1 引言 随着第四代移动通信系统（4G）大规模商用[1]，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研发的热点。连续广域覆盖、热点高容量、低功耗、低时延的场景需求成为5G技术的关键性挑战[2]。5G将通过工作在较低频段的新空口来满足大覆盖、高移动性场景下的用户体验和海量设备连接。同时需要利用高频段丰富的频谱资源来满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求。综合考虑国际频谱规划及频段传播特性，5G应当包含工作在6GHz以下频段的低频新空口以及工作在6GHz以上频段的高频新空口[3]。因此，毫米波作为尚未充分开发利用的频段资源受到了广泛关注与研究。毫米波通信是指以毫米波为载体的通信。毫米波是频率为30—300GHz的电磁波，以直射波的方式在空*基金项目：国家自然科学基金项目（No.61271120/F010508）；国家科技支撑计划项目（No. 2014BAK02BO2，No. 2014BAK02BO5）；国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”项目（2015ZX03001011-002）收稿日期：2015-06-25责任编辑：刘文竹******************922015年第23期Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.5G漫谈间传播，波束窄，具有良好的方向性。由于毫米波所处其中，r0为路径长度，以km计。频段高，干扰较少，所以传播稳定可靠。但是，由于水对于干燥空气（p=1013hPa，t=15℃），氧气衰汽、氧气等吸收作用，毫米波在大气中传播会受到不可减系数γo(dB/km)表达式为：忽视的衰减。同时，降雨、云雾及沙尘也会带来信号的额外衰落，所以毫米波单跳通信距离较短[4,7]。为此，γ=7.2rt2.80.62ξ022f2+0.34r+3frpt1.6rp2(54−f)1+0.83ξ×10−31.16ξ2，本文从大气吸收、云雾、降雨和沙尘等4个影响因素对f≤54GHz （3）毫米波衰减进行分析。γlnγ54lnγ0=exp24(f−58)(f−60)−588(f−54)(f−60)+2 衰减影响因素γlnγ5424(f−58)(f−60)−lnγ0=exp588(f−54)(f−60)+lnγ6012(f−54)(f−58)，54GHz≤f≤60GHz （4）2.1 大气衰减毫米波在大气中传播时，大气中以氧气和水蒸γ+(γ−6062−γ60)f2，60GHz≤f≤62GHz气为主的分子会对电磁波能量进行吸收，引起电波衰 0=γ60（5）减。大气吸收对毫米波的传播影响主要有3个因素： γlnγlnγ0=exp62频率、水蒸气浓度和天线仰角。在毫米波频段内，氧8(f−64)(f−66)−644(f−62)(f−66)+气具有38条谱线，主要集中在γ=explnγ62lnγ64lnγ66，8(f−64)(f60GHz−66)−附近；水汽具有4(f−62)(f−66)+8(f−62)(f−64)062GHz≤f≤66GHz （6）30条主要谱线。分别将这些谱线的吸收衰减率线性相−43.50.283rt3.80.502ξ6加，并考虑亚毫米波段和红外区域强度极高的谱线以γ0=3.02×10rt+2+(f−118.75)+2.91rt1.6rp2f−及连续谱的影响，可得到氧气和水汽的吸收损耗率[5]： γ=γ''0.502ξ6o+γw=0.1820fN(f) dB/km （1）+1−0.0163ξ7(f−66)(f−66)1.4346ξ4+1.15ξf2rp2×10−3，66GHz≤f≤120GHz5其中，γo是干燥空气条件下的特征衰减；γw是一 （7）定水汽密度条件下的特征衰减；f是电波频率，以GHz计；N''(f)是该频率相关的复合折射率的虚部，计算方=γ3.02×10−40.283r0t0.31+1.9×10−5f1.5+(f−118.75)2+2.91r×ft1.6rp2法参考文献[5]。由于氧气和水汽的吸收线很多，逐项计算所有吸×f2r−p2rt3.5×103+δ，120GHz≤f≤350GHz （8）收线对应频率对电波衰减的贡献十分复杂，ITU-R建 γ 0γ=0=3.79×10−7−7f+0.2650.265+0.0280.028议书[6]中根据发射天线和接收天线的相对高度将传播3.79×10f+(f(−f63−63)2)2+1.59+1.59+(f(−f118−118)2)2+1.47+1.47××路径分为水平路径和倾斜路径，给出了在1—350GHz(f+198)210−3,63GHzVt(p)⋅γw(ρ)当仰角在5°~90°之间时，对于倾斜路径，位于高度h1和高度h2（h1（13）（14）−h1/hw'=hwhw−e−h2/hwe km 2）0°~5°之间的仰角对于高度h1和高度h2的2个电台间倾斜路径，h1Re+h1F(x1)e−h1/hoRe+h2F(x2)e−h2/ho−ho+cosϕcosϕ12h/hh/h−−Re+h1Fx'e1wRe+h2Fx'2e2w1 dBhw−cosϕ1cosϕ2()()图2 水蒸气密度为13g/m³时衰减率与频率的关系

（15）其中，Re为含折射的有效地球半径，以km计；φ1由图1和图2知，毫米波对于氧气和水蒸气吸收衰减均是随着频率的升高而增大。（2）倾斜路径在倾斜路径上大气衰减随高度递增近似成负指数关系。ITU-R采用了等效高度的方法。定义等效高度为在高度h1的仰角；φ2为在高度h2的俯角；F(x)函数定义参考文献[6]。2.2 云雾衰减无线电波频率高于10GHz时，需要考虑云和雾对电波的衰减。但是只有当频率高于50GHz时，云、雾942015年第23期Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.5G漫谈对电波的衰减才显得重要[5]。云、雾是由微小水滴组成的，水滴直径在0.001~0.4mm之间，满足瑞利散射条件[8]。雾可看作底部高度为零的云，雾的顶部高度通常是从数十米到一百多米，浓雾的高度可达150m。雾的液态水密度通常为0.05g/m³，浓雾的液态水密度可高达0.19~0.37g/m³，中等程度的雾液态水浓度为0.02~0.06g/m³，比云中的水含量低很多[5]。

云、雾水滴对无线电波的散射遵循瑞利散射原理，云和雾的衰减正比于单位体积内的水分总含量。因此，由云和雾对无线电波传播产生的衰减Ac可表示为：

Ac=deγw=deκρ dB （16）其中，de为电波在云、雾中所经历的实际路径长度，以km计；γw是一定水汽密度条件下的特征衰减；2.4 沙尘衰减悬浮沙尘对毫米波的吸收和散射效应会造成毫米波严重衰落。沙尘天气可根据悬浮沙尘粒子的尺寸分为浮尘、扬沙和沙尘暴。大气中的沙土浮游于空中、水平能见度小于10km的天气为浮尘天气。地面沙土被风卷起使空气混浊，水平能见度在1—10km的天气为扬沙天气。强风将地面沙尘吹起使空气非常浑浊，水平能见度小于1km的天气为沙尘暴天气，当水平能见度小于500m时为强沙尘暴天气[12]。沙尘粒子形状细小无规则，可近似看成球体。因此毫米波在沙尘粒子中的散射可等价为球形粒子的散射，对其散射特性可以采用Mie理论进行研究[13]。毫米波在沙尘中的传输损耗通常利用水平能见度Vb来描述沙尘浓度，继而得到沙尘粒子数密度N0。由此可以得到毫米波在沙尘大气中单次散射的特征衰减：κ是云雾衰减系数，以dB/km计；ρ为云雾液态水密度，以g/m³计。云雾的衰减系数与电波的频率、水的复介电常数、绝对温度以及弛豫频率密切相关，具体计算方法参考文献[5,9]。As=15∫σt(r)p(r)dr/2πVb∫r2p(r)dr dB/km00（19）其中，σt(r)为单个粒子的消光截面；p(r)为粒子尺寸分布概率密度函数，计算方法参考文献[12]。随着大气水平能见度减小，沙尘粒子密度增大，需要考虑毫米波在沙尘粒子间的多重散射。蒙特卡洛方法通过光子被介质中随机分布粒子的多次散射和吸收过程，模拟电磁波的传播特性，可以用于研究沙尘暴中毫米波传播多重散射效应的影响[12]。D(D)2.3 降雨衰减

在现有雨衰减模型中，ITU-R模型应用最为广泛[10]。ITU-R地-空雨衰减模型采用传统半经验公式，同时考虑了水平路径和垂直路径的不均匀性，由0.01%时间雨衰减预报其它时间雨衰减的概率[5,10]。0.01%时间被超过的雨衰减表示为：bARR(0.01)=aR0.01×r×d dB （17）3 大气复合衰减10GHz以上频段的毫米波传输衰减的重要部分是雨衰减，其他损耗如大气吸收损耗、云雾衰减、沙尘暴衰减都将随电波频率的增加而增加。目前每一种损耗因素的研究已基本成熟，但是对于几种大气因素同时作用时对毫米波产生的复合效应研究较少。大气中的复合衰减可由单一因素产生的衰减等概率相加。由于上述4种衰减发生在对流层的不同高度，对大气复合衰减的计算可以对其进行代数叠加。ITU-R提出了复合衰减模型，表达式为[7]：AT=AG+AR+AC+AS （20）其中，AT为总衰减，AG为大气吸收衰减，AR为降b

为年平均0.01%时间被超过的降雨率其中，R0.01（雨强），以mm/h计；a、b为经验系数，与无线电波的频率和极化有关；r为地面电路路径长度修正因子，与地面电路的路径距离以及地面等效降雨路径长度相关。

根据0.01%时间被超过的雨衰减计算p%时间被超过的雨衰减[11]：−(0.546+0.043lgp),φ≥30° 0.12AR(0.01)pAR(p)= dB−(0.855+0.139lgp),φ<30°0.07AR(0.01)p（18）其中，φ为地面电路的平均地理纬度。2015年第23期95Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.5G漫谈雨衰减，AC为云雾衰减，AS为沙尘衰减。[9] ITU-R. Attenuation due to clouds and fog, Rec[S].

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4 结束语2013年6月，国家863计划启动了5G移动通信系统先期研究一期重大项目，研究方向包括高频段等新型频谱资源无线传输以及超密无线网络技术的研究[13]。毫米波频率高，虽然在大气中传输受到频率、大气吸收、云雾降雨等因素的影响使衰落严重，但是对于高密网络，高衰减有利于网络间干扰信号的控制。毫米波频段带宽高达270GHz，且与微波相比毫米波系统更容易实现系统小型化，实现极高速短距离通信，支持5G传输速率方面的需求。毫米波频段具有较丰富的空闲频谱资源，可作为5G的辅助频段，受到了国内外学者的广泛关注。本文对毫米波在大气中的传播特性进行了综述，对5G全频谱接入技术有一定的参考意义。作者简介

马蓁：硕士在读于北京邮电大学网络体系构建与融合北京市重点实验室，主要研究方向为移动通信。

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高泽华：博士毕业于北京邮电大学，现任北京邮电大学副教授，主要研究方向为移动通信、物联网、移动互联网。

刘健哲：助理工程师，硕士毕业于电信科学技术研究院，现任职于中国信息通信研究院，研究方向为无线通信、生物电磁。

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