5G系统部分频段电波穿透损耗对比测量与室内覆盖分析

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

蜂窝移动通信的大部分数据业务发生在室内，对于5G系统，700 MHz/2.6 GHz/3.5 GHz/4.9 GHz 等频段对于提供广泛的覆盖范围和连续服务至关重要，而毫米波频谱是为5G网络带来更多容量和更高吞吐量的关键，这些增加的容量和高吞吐量将支持5G 数据密集型和低时延应用[1-2]。

从国际和国内产业发展趋势看，5G 毫米波是5G 发展的下一阶段，然而将毫米波作为一种更通用的无线网络解决方案部署之前，还需要投入大量的时间和研发成本来解决毫米波的传播特性问题。毫米波以直射波的方式在空间进行传播，具有良好的方向性，很容易被障碍物遮挡，穿透性不足[3]。

2019 年4 月，美国第一大移动运营商Verizon 在芝加哥和明尼阿波利斯两个城市推出28 GHz 频段的5G 移动服务。对于室内覆盖，Verizon 的5G 毫米波信号几乎无法抵达。穿透混凝土墙后，5G 下载速率从600 Mbit/s陡降至41.5 Mbit/s，而1 900 MHz 的4G 下行速率变化并不大，这是5G 毫米波的严重穿透损耗导致的[4]。

显然，从改善未来5G 毫米波室内覆盖的需求出发，应当对典型建筑材料的电波穿透损耗进行研究。为此，本文开展了相关测量与分析。

1 测量研究

测量工作在北京市某办公楼开展。测试中采用加装功率放大器的Agilent E8267D 矢量信号发生器作为发射源发射连续波信号，通过Agilent E4447 频谱分析仪接收信号。收发天线采用相同型号的喇叭天线。收发天线口面中心高度均为1.5 m，天线距离被测物0.8 m，使用三脚架固定天线。在测试实验中，首先收发天线口面正对，直射路径上无障碍物阻挡，测量不同频点上的接收功率，称该接收功率为参考功率。在不改变距离等条件的情况下，再测量收发天线之间存在遮挡建筑材料时的接收功率，此时测得的功率称为遮挡功率，以dBm 量纲计，参考功率和遮挡功率的差值，即为dB 量纲的建筑材料穿透损耗[5-7]。

本次测量的建筑材料有：

（1）厚度30 cm 的钢筋混凝土承重墙，简称钢混承重墙。

（2）单向透明玻璃，这种玻璃由镀金属铬铝薄膜的钢化玻璃经胶夹工艺制成，可反射红外线，具有保温节能效果，从室外看室内可视性弱，私密性好。

（3）干燥的木门，复合板空心结构。

（4）非承重墙，为8 cm 厚的干燥石膏夹板结构。

（5）单透玻璃+木门的组合，单透玻璃距离木门6 m。

（6）承重墙+单透玻璃的组合，承重墙距离木门6 m。

测试场景如图1 所示，主要使用垂直极化波。

图1 测试场景

首先测量了钢筋混凝土承重墙和单透玻璃在3.5 GHz±100 MHz频段的穿透损耗，在这个频段上等间隔取11个频点测量，取多个频点有利于避免频率选择性衰落导致的不正常离群值。测量结果如图2和图3所示：

图2 钢筋混凝土承重墙在3.5 GHz频段上的穿透损耗

图3 单透玻璃在3.5 GHz频段上的穿透损耗

然后测量多种建筑材料在28 GHz±250 MHz 频段的穿透损耗，在这个频段上等间隔取11 个频点测量，测量结果如图4～图10 所示。

考虑到钢筋混凝土承重墙内的钢筋排列具有方向性，对不同极化电磁波的作用可能有所不同，进而导致不同极化电磁波的穿透损耗有差异，故而还测量了水平极化波穿透钢筋混凝土承重墙的损耗，测量结果如图5 所示。比对图4 和图5 可知，穿透损耗有差别，但不显著。

图4 钢筋混凝土承重墙在28 GHz频段上的穿透损耗

图5 钢筋混凝土承重墙在28 GHz频段上的穿透损耗（水平极化）

图6 单透玻璃在28 GHz频段上的穿透损耗

图7 非承重墙在28 GHz频段上的穿透损耗

图8 木门在28 GHz频段上的穿透损耗

图9 单透玻璃+木门组合在28 GHz频段上的穿透损耗

图10 承重墙+单透玻璃组合在28 GHz频段上的穿透损耗

基于测量结果和理论分析[8]，有以下基本结论：

（1）钢筋混凝土承重墙在3.5 GHz 频段上的穿透损耗在25 dB 左右，而在28 GHz 频段上的穿透损耗在55 dB左右，差异显著。按照一般的理论，材料的屏蔽作用包括吸收屏蔽和反射屏蔽两部分，钢筋混凝土承重墙的穿透损耗效应兼具这两方面的因素，反射屏蔽是由于传播中波阻抗不匹配导致的，这部分随频率变化不显著；而吸收屏蔽由承重墙内水合物、钢筋网的涡流热损耗引起，频率越高则这部分的损耗越大。

（2）对于单向透明玻璃，3.5 GHz 和28 GHz 频段上的穿透损耗大致在20～30 dB 之间，差异不显著，这是由于单向透明玻璃的屏蔽作用主要是由金属镀膜层发生的反射导致的，由于镀膜厚度远小于3.5 GHz 和28 GHz电磁波波长，故而其对3.5 GHz 和28 GHz 电磁波的反射率没有显著差异，进而表现为穿透损耗没有显著差异。

（3）在28 GHz 频段上干燥石膏夹板非承重墙的穿透损耗在4 dB 左右，这个数值较低，可以通过电波传播界面波阻抗反射的理论做初步说明。

（4）在28 GHz 频段上干燥木门的穿透损耗在10 dB 左右，这个数值目前尚未找到有效的理论分析。

2 室内覆盖的分析

从第1 节的测量结果来分析5G 毫米波的室内覆盖，显然在存在55 dB 数量级的承重外墙电波穿透损耗时，即使考虑天线3D 波束赋形带来的增益，从室外宏站覆盖室内也是相当困难的。无独有偶，华为技术有限公司的科研人员在2019 年发表了3.5 GHz/4.9 GHz/28 GHz 的测量研究论文[9]，该研究表明：28 GHz 频段室外宏站可以覆盖窗户附近的室内区域，例如外部房间和走廊尽头，但无法覆盖内部建筑物深处。相反，低于6 GHz 的频段可以为整个建筑物提供可靠的无线覆盖。该论文指出混合使用Sub-6GHz 和毫米波频段将有望提供高质量的室内覆盖。对于一般的人居环境5G 无线覆盖，显然这是一个有价值的建议。

另一方面，业界普遍认为，毫米波可以提升5G 网络的容量和降低时延，基于毫米波频谱更大的带宽，高清视频会议、远程操作和工业自动化的广泛实施将受益，特别是要求高度精确的流程。5G 毫米波还将支持每个自动机器人产生或接收大量数据，以及这些机器人在密闭区域中的高密度部署。从这个角度看，良好的毫米波室内覆盖是必要的。分析表明，传统的基于无源器件的室内分布系统难以满足5G 毫米波系统的需求，最直接的原因就是无源器件在毫米波频段传输损耗太大，这可从理论上说明[10]，为了进一步证实，本课题组测量了一条可用于毫米波频段的2.92 mm 同轴电缆的传输衰减，结果如图11 所示。

图11 1.5 m长2.92 mm同轴电缆的传输衰减测量结果

图11 的测量结果是基于2.92 mm 规格同轴电缆，显然频率越高线缆衰减越大，1.5 m 同轴线缆在28 GHz 频段上衰减大于2.5 dB，则15 m 线缆的传输衰减将大于25 dB，显然基于无源分布式系统的毫米波室内覆盖变得非常困难。则未来毫米波室内覆盖主要技术手段有两个：

（1）小基站。小基站具有结构简单、易于部署、扩容方便、支持网络演进和室内外协同等特征。小基站多采用天线内置，设备体积小，且通常为一体化有源设备，不要求机房等配套设施，在安装过程中易于与物业协调，安装灵活方便，容易维护。另外，5G 小基站可以基于4G小基站部署时铺设的CAT6A 网线或光纤，平滑向5G 演进。此外，以承重墙为界限进行小基站部署，承重墙的大穿透损耗也有利于将电磁波天然地局限在某一空间内，有利于降低室内覆盖的小区间干扰。

（2）毫米波光载射频。毫米波光载射频的基本思想与传统的无源室内分布系统类似，只是引入了光电、电光转换和光纤传输，利用光纤低损耗、大容量以及抗电磁干扰等特性来传输信号[11]。

小基站方案和毫米波光载射频方案相比，前者能有效提高无线接入容量，后者只是改善接收电平，但是后者的成本要低一些，所以未来两种方案会互补、融合。

从目前研究看，大型无隔断室内空间如高铁站候车厅等的5G，毫米波覆盖问题是较容易解决的[12]，也可以做较清晰的成本估算。关键困难在于有隔断的室内传播环境，要实现5G 毫米波覆盖容量够用、成本可控、覆盖良好的目标，需要组合用好小基站和光载射频技术，这就需要对室内传播环境做清晰的把握，而室内传播环境是复杂的[13]，无线工程师在实际网络规划工作中很难区分哪些是承重墙、哪些是石膏非承重墙、哪些是混凝土非承重墙等，故而很难用简单普适的规律去指导设计，往往需要“一楼一策”，在一些情况下，正确的设计策略需要依赖实际覆盖效果的预测测量，在5G 毫米波室内覆盖规划中，测试测量工作的比重会显著上升，对室内无线覆盖预测测试的仪表需求也会上升，目前上海创远等国内仪表企业已经开发了用于Sub 6 GHz 覆盖效果测试的便携式信号源、扫频仪等仪表，据悉国内仪表企业也在开发5G 毫米波相关仪表。

3 结论

5G 毫米波是5G 发展的下一阶段，将带来更大的带宽和通信速率，5G 毫米波的穿透损耗一直为业界所关注。在蜂窝移动通信应用中，穿透损耗的概念表征阻隔物造成的路径损耗差异，是发收两点间电波传播经过多个路径综合矢量叠加的结果，通常关注的是多种入射角度下的均值及变动范围，以便在网路覆盖规划时预留出一定的余量。本文测量表明，钢筋混凝土承重墙在3.5 GHz 频段上的穿透损耗在25 dB 左右，而在28 GHz 频段上的在55 dB左右，增加30 dB 左右。对于单向透明玻璃，3.5 GHz 和28 GHz 频段上的穿透损耗大致在20～30 dB 之间，差异不显著。在28 GHz 频段上干燥石膏夹板结构的非承重墙穿透损耗在4 dB 左右，干燥木门的穿透损耗在10 dB 左右，使用dB 量纲的组合物穿透损耗大致等于其组成材料穿透损耗的代数和。进一步的分析表明：5G 毫米波从室外宏站覆盖室内是相当困难的，同时由于无源器件在毫米波频段的大传输衰减特性，传统的基于无源器件的室内分布系统难以满足5G 毫米波覆盖的需求。未来5G 毫米波室内覆盖将主要依靠小基站和毫米波光载射频，考虑到传播环境的复杂性，5G 毫米波室内覆盖规划工作中需要“一楼一策”，相关测量工作的比重会显著上升。