本实验通过自主研发的射线跟踪算法，实现了无线电波传播预测、信道传播特性参数提取、电磁波传播路径三维可视化以及5G基站选址及优化等四大虚拟仿真实验教学，将5G无线电波传播理论和真实场景工程实践有机结合，实行多元化、系统化、场景化等多种实验教学方法，通过虚实结合的教学技术，有助于学生理解电磁波传播机制等抽象理论，强化学生解决复杂工程问题能力的培养，有效提高实验教学质量。具体分为以下几点：
        ①通过5G基站选址系统的认知学习模块，帮助学生了解和掌握5G基站的基本组成和原理，提高学生对无线网络优化设计知识点的理解能力。
帮助学生掌握5G基站系统的组成及系统中重要组成部件的结构、工作原理和运行特性，采用虚拟现实的学习方式，帮助学生深入了解各个核心部件如AAU、BBU、电源、蓄电池、监控等部件细节组成、结构形式和工作原理，为系统综合实验奠定基础。
        ②通过5G选址设计的综合训练，强化学生解决复杂工程问题能力的培养，显著提高学生对5G选址系统优化设计能力。
学生根据自己的理解设计基站选址系统分布和参数，根据5G基站选址系统的原则，设计基站位置、高度、间距、数量等参数，并由软件进行静态评估， 学生根据评估结果开展系统性能参数优化设计。软件评估通过了才能继续开展 下一阶段的实验。对设计的5G基站系统进行动态测试，包括人群密度和覆盖率两部分。
        ③通过5G选址设计的探索实验，培养学生自主创新设计的能力。
在综合实验的基础上，结合课程教学和相关的5G基站系统的创新能力培养的教学要求，在虚拟仿真系统中提供给学生开放性设计和测试环境，结合探索实验的要求，学生可自主开展5G基站子系统的设计和鼓楼广场环境模型的搭建，结合控制参数的优化设计，开展探索性和创新性的实验。
        ④有效解决实物教学成本高、危险性大等难题。
虚拟仿真实验系统避免学生攀登高层楼宇楼顶，也不会在设置故障时损坏昂贵的基站设备，因此不具有危险性。容易构建系统，并且系统具有可逆性，有利于学生探索如高热点场景人群密度、基站位置高度对5G基站选址系统的网络质量及覆盖影响分析等实验。虚拟仿真教学实验系统成本低，因而具有示范性和可推广性。

1．认真阅读仿真软件介绍。
2．阅读有关无线电波传播和基站选址方面的书籍，掌握电波传播原理等。
3．列出基站选址过程中的注意事项。

1、无线电波传播原理

无线电波在空间传播过程中，传播媒质会对电波产生两方面的影响，一方面是无线电波的场强衰减，另一方面是无线电波的传播路径改变。接收机接收到的信号是多条路径的场的叠加，以上效应均会使得接收信号随时间产生变化，引起接收信号的衰落现象。一般常见的几种衰落如图1所示。

图1多径衰弱

1）无线信道特性

      对于实际的无线电波传播，其接收信号将同时受到大尺度衰落和小尺度衰落的共同影响。其中，大尺度衰落模型主要是描述了收发端之间长距离尺度或长时间上的接收信号均值的缓慢变化，而小尺度衰落模型则主要是描述了接收信号在小尺度上，如短距离（几个信号波长）或者短时间内（几秒内）的快速变化。
（1）大尺度衰落
大尺度衰落主要是由信号的空间传播扩散、环境地形以及传播路径上的障碍物遮挡所引起的，一般包括路径损耗和阴影衰落。阴影衰落主要描述了无线电波传播过程中建筑物的遮挡和山脉等地形变化所引起的衰落效应，一般可以由一个零均值、标准差为的高斯随机变量来表示。

因此，无线信道的大尺度特性可以表示为

（2）小尺度衰落
小尺度衰落主要是由发射端与接收端之间多径信号的相干叠加引起的，这是因为无线信号在传播过程中由于遇到大量的建筑、树木以及各种复杂地形，造成无线电波的反射、散射和绕射等，最终形成多条传播路径的信号共同接收端。
（3）多径与多普勒效应
由于复杂传播环境的影响，无线电波在传播过程中会造成多次反射、散射和绕射现象，接收天线将接收到多条不同路径到达的信号。这些多径信号的传播距离各不相同，其幅度、相位也并不相同，其信道响应h(t):

信号在进行电磁矢量叠加时就会产生幅度剧烈变化的情况，即多径衰落。
多普勒频移主要与接收端的移动速度、电波波长以及电波的相对到达角有关。则信号的多普勒频移可以被表示为

如图2所示，形象地体现了多普勒效应。

2）无线电波传播机制
图3展示了无线电波传播常见的几种方式，直射，反射，绕射，散射。

（1）自由空间传播
    无线电波最简单的传播形式是自由空间传播。无线电波在其中的传播将不会发生绕射、反射、散射和吸收等现象，仅需要考虑由无线电波的球面扩散而引起的传播损耗。
    对于自由空间的传播损耗情况，我们考虑发射端的发射功率为，则接收端的接收功率可以表示为

其中，分别为发射天线和接收天线增益，分别为发射天线和接收天线的有效截面积，为无线电波波长，为发射天线和接收天线之间的距离。

（2）反射和透射
在无线电波的传播过程中，如果碰到了比其波长大得多的障碍物，则在原传播介质与障碍物的分界面上将同时发生反射与透射，即一部分无线电波会发生反射后，继续在原传播介质中传播，而另一部分无线电波会透射进入障碍物内部继续传播。对于理想反射体，无线电波在其表面将发生能量的全反射，而不会产生透射，并且不会造成能量的损失。而对于理想电介质，无线电波将会在其表面同时发生反射和透射，如图4所示。

（3）绕射
当无线电波传播到达锐利的劈或物体边缘时，将会发生绕射现象，这使得无线电波可以绕过物体，并继续在障碍物后方传播。
（4）散射
无线电波在传播过程中如果遇到了尺寸很小、表面粗糙或者形状不规则的物体时将会发生散射现象，即无线电波会随机向各个方向散射出去，形成大量散射电波。

2、5G频段特性

1）5G频率范围
5G频谱分为两个区域FR1和FR2，如图5所示，FR就是Frequency Range的意思，即频率范围。FR1的频率范围是450MHz到6GHz，也叫Sub6G（低于6 GHz），是5G的主用频段。
FR2的频率范围是24GHz到52GHz，这段频谱的电磁波波长大部分都是毫米级别的，因此也叫毫米波（严格来说大于30GHz才叫毫米波）。

2）5G特点
①　高频：5G的一个特点就是高频。高频资源的频率很高，波长就很短（毫米波），就越趋近于直线传播（绕射能力越差），而且，频率越高，传播过程中的衰减也越大。那么在天线设计的时候就做成大规模多输入多输出天线（Massive MIMO）。
②　覆盖能力：由于5G一般工作在高频段，其覆盖能力就会大幅减弱。若覆盖同一个区域，需要的基站数量也将大大超过4G，覆盖能力比较如图6所示。

③　高速率：峰值速率需要达到Gbit/s的标准，以满足高清视频，虚拟现实等大数据量传输。频谱效率要比LTE提升10倍以上。
④　泛在网：泛在网有两个层面的含义。一是广泛覆盖，一是纵深覆盖。连续广域覆盖和高速移动下，用户体验速率达到100Mbit/s。超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信。
⑤　低时延：空中接口时延水平需要在1ms左右，满足自动驾驶，远程医疗等实时应用。
⑥　重构安全：在5G基础上建立的是智能互联网。智能互联网的基本精神是安全、管理、高效、方便。安全是5G之后的智能互联网第一位的要求。
万物互联：系统协同化，智能化水平提升，表现为多用户，多点，多天线，多摄取的协同组网，以及网络间灵活地自动调整。

3、5G基站选址原理

基站的设置，包括基站位置的设置和基站的具体技术参数的设计，最佳基站位置和最合理的参数设置是无线网络规划设计的中心。
1）覆盖区
一个基站的覆盖区指能满足一定服务质量指标的可通话范围，实现这个覆盖范围可以选择不同的发射功率、天线高度、天线增益及方向性等参数。
2）覆盖指标
（1）环境噪声
将接收机放在实际的环境中，接收灵敏度低的信号电平是绝对不能正确接收的。这主要是因为环境噪声的存在，各地的环境噪声相差很大，而且与频段有关。
（2）快衰落和慢衰落
无线电衰落分为快衰落和慢衰落。快衰落产生的主要原因是当地的散射体（如房屋、建筑物和其他人造结构）或自然障碍物（如移动台周围的森林）对发射的电磁波产生多径反射；慢衰落主要是基站和移动台之间的地形结构和人为环境引起的。
3）基站选址原则
基站的初始布局是根据用户话务分布，由规划人员根据经验估算网络所需的基站数量，初步选定站址，并配备信道，设定天线的各项参数，如天线类型、天线高度、发射频率等。
在无线网络的规划中，基站选址的选择一般需要满足以下要求：
（1）一般选址选择范围应在蜂窝基站半径1/4区域内。在建网初期建站较少时，一般应将站址选在用户最密集的中心。
（2）与市区海拔高度相差200-300m，一般不考虑作为站址，一是为防止出现同频干扰，同时避免在本覆盖区内出现弱信号区；二是为了减少工程建设高度，方便维护。
（3）新建基站必须保证与基站控制器之间传输链路的良好连接，降低损耗。
（4）在市区楼群中选址时，可巧妙利用建筑物的高度，实现网络层次结构的划分。
重要覆盖地区需要考虑基站的备份以及载频互助功能的实现。

实验内容包括基础理论学习模块、实验虚拟仿真模块和拓展创新模块，具体实施过程如图7所示。在基础理论学习模块，用户将通过原理学习模块，学习电波传播的相关原理以及5G基站设备，了解5G基站选址的原则，并且完成在线题库自测；在虚拟仿真模块，进行理想室内场景、复杂办公室场景以及经典室外场景的虚拟仿真教学实验，完成电波传播可视化教学，通过分析仿真结果，生成实验小结；在拓展创新模块，选取南京地标式建筑——鼓楼广场，将进行基站的选址及优化，学生可采取多次实验，观察基站放置的覆盖情况，选取最优的基站放置方案。最后生成的实验报告，除了综合题库测试成绩、实验小结评分之外，还附加拓展创新模块，提高学生的工程实践能力。