5G毫米波信道測(cè)量和建模技術(shù)研究

張沛澤　周宇　孫向前

【摘 要】提高無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率是第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）發(fā)展的核心動(dòng)力，毫米波因具有豐富的頻譜資源而受到廣泛關(guān)注。由于工作波長(zhǎng)較短，毫米波在傳播過(guò)程中更容易受環(huán)境影響，因此搭建毫米波信道測(cè)量系統(tǒng)并建立相應(yīng)的三維空間信道模型，有利于推動(dòng)高頻通信技術(shù)在5G中的應(yīng)用。根據(jù)毫米波的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)需求，重點(diǎn)介紹了頻域和時(shí)域信道測(cè)量系統(tǒng)的基本原理和組成方案以及大尺度、小尺度信道模型和對(duì)應(yīng)參數(shù)提取方法。最后討論了6 GHz以上頻譜劃分和信道模型建立方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)程。

【關(guān)鍵詞】5G 毫米波 信道測(cè)量 信道模型

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的激增，第四代移動(dòng)通信技術(shù)已無(wú)法滿足用戶對(duì)超高傳輸速率和極低能耗的需求。根據(jù)香農(nóng)公式，通過(guò)增加可用頻寬、提高頻譜效率、加大組網(wǎng)密度等技術(shù)可以有效提高無(wú)線設(shè)備的接入速率，其中最為直接和有效的方式就是增加數(shù)據(jù)的傳輸帶寬[1]。然而目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)、藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)等主要工作在6 GHz以下的中低頻段，其可用的連續(xù)頻譜資源十分稀缺。相反，6 GHz以上的高頻段，除少量頻段用于軍事通信外，還有大量未分配的頻譜資源亟待開發(fā)利用。較短的工作波長(zhǎng)使得毫米波器件和系統(tǒng)的尺寸得以小型化，大規(guī)模天線陣列、波束形成、波束追蹤等技術(shù)可以完美地應(yīng)用于毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)[2-3]。

雖然寬帶毫米波通信可以滿足5G高傳輸速率的需求，但在應(yīng)用過(guò)程中仍面臨著巨大挑戰(zhàn)，包括高路徑損耗、繞射能力差、大氣吸收和雨衰嚴(yán)重等問(wèn)題，這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了毫米波通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和傳輸性能[4]。此外，由于多天線技術(shù)的引入，毫米波的空間分布特性對(duì)于天線波束方向的控制起到了決定性的作用，所以有必要對(duì)不同典型場(chǎng)景進(jìn)行抽象并建立包含時(shí)間、頻率和空間三維信息的高頻信道模型。傳統(tǒng)的信道模型主要包括基于射線追蹤技術(shù)得到的確定性模型和基于實(shí)際測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)模型[5]。相比于前者，統(tǒng)計(jì)信道模型能夠更好地反映實(shí)際無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境，但其模型參數(shù)和測(cè)量系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。本文根據(jù)毫米波在5G中的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外的研究成果，總結(jié)并設(shè)計(jì)了一套完整的毫米波信道測(cè)量和建模方法，包括測(cè)量系統(tǒng)的搭建、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型參數(shù)提取等。建模結(jié)果一方面推動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)高頻頻譜資源的評(píng)估和規(guī)劃，另一方面有利于測(cè)試其他高頻通信技術(shù)的性能。

2 應(yīng)用場(chǎng)景及需求

對(duì)于毫米波信道建模而言，首先需要明確模型的應(yīng)用場(chǎng)景，并針對(duì)不同場(chǎng)景，合理選取發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的測(cè)量位置。受到毫米波傳播范圍的限制，其主要應(yīng)用于室內(nèi)熱點(diǎn)（InH，Indoor and Hotspot）、城市微蜂窩（UMi，Urban Micro-Cell）、城市宏蜂窩（UMa，Urban Macro-Cell）和其他特殊場(chǎng)景，如視距路徑的回傳鏈路，具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的體育場(chǎng)館等[6]。典型的InH場(chǎng)景包括會(huì)議室、格子間辦公室、起居室、走廊和大廳等。而室外UMi和UMa兩種場(chǎng)景的區(qū)別主要在于發(fā)射機(jī)位置是否高于周圍環(huán)境中的建筑物，并且還需額外考慮室外到室內(nèi)（O2I，Outdoor-to-Indoor）時(shí)建筑物材料對(duì)毫米波的穿透損耗。

在確定研究場(chǎng)景后，需要根據(jù)選取的參考信道模型設(shè)計(jì)具體的測(cè)量方案和技術(shù)指標(biāo)。通常包括大尺度和小尺度傳播模型[5]，其中大尺度模型主要描述了接收信號(hào)強(qiáng)度隨距離的變化情況。由于毫米波高傳輸損耗的特性，因此測(cè)量系統(tǒng)必須具有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍以保證可以分辨有用信號(hào)。而小尺度衰落模型則反映了由于環(huán)境散射造成的多徑效應(yīng)的影響。為建立毫米波三維信道模型，需要對(duì)不同方位角和俯仰角的接收信號(hào)進(jìn)行采集，得到接收功率在空間內(nèi)的分布情況。能否從信道沖激響應(yīng)（CIR，Channel Impulse Response）中提取有效徑則與發(fā)送信號(hào)帶寬和測(cè)量系統(tǒng)的采樣率有關(guān)，時(shí)間分辨率越高，對(duì)環(huán)境中多徑效應(yīng)的刻畫越準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)功率延遲譜（PDP，Power Delay Profile）和功率角度譜（PAP，Power Angular Profile）的測(cè)量可以得到信道在時(shí)間和角度域色散參數(shù)。基于現(xiàn)有毫米波信道測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)信號(hào)在傳輸過(guò)程中呈現(xiàn)簇特性，即接收信號(hào)以相近的到達(dá)角（AoA，Angle of Arrival）、離去角（AoD，Angle of Departure）和到達(dá)時(shí)間（ToA，Time of Arrival）在空間中傳播。因此，簇或徑的到達(dá)率和衰減率、簇內(nèi)時(shí)間和角度色散、Ricean K因子等簇內(nèi)和簇間參數(shù)可以用于準(zhǔn)確描述高頻無(wú)線信道的統(tǒng)計(jì)特性。

3 毫米波信道測(cè)量和建模技術(shù)

3.1 毫米波信道測(cè)量系統(tǒng)

信道測(cè)量系統(tǒng)是獲取CIR、提取信道特征參數(shù)的基礎(chǔ)，影響著估計(jì)參數(shù)的精度，而一套完整的信道測(cè)量系統(tǒng)主要由測(cè)試儀表、天線及線纜、控制轉(zhuǎn)臺(tái)等幾部分構(gòu)成，其中測(cè)試儀表的選取主要由測(cè)量原理決定。目前在毫米波頻段所廣泛采用的信道測(cè)量方法主要分為頻域法和時(shí)域法兩種。基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA，Vector Network Analyzer）的頻域測(cè)量法通過(guò)掃頻的方式，發(fā)送的單頻信號(hào)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)信道后的接收信號(hào)可以看作是對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行了幅度加權(quán)和相移。通過(guò)記錄VNA的S21參數(shù)（1端口為輸出，2端口為輸入）得到信道的頻率響應(yīng)，再利用逆快速傅里葉變換獲得CIR。當(dāng)VNA單表無(wú)法覆蓋關(guān)心頻段時(shí)，需要增加上下變頻模塊以滿足要求。圖1給出了一種基于高性能VNA的頻域測(cè)量系統(tǒng)框圖，與傳統(tǒng)的測(cè)量方案相比，其增加了高頻矢量信號(hào)源作為外擴(kuò)信號(hào)源，可以有效提高信號(hào)的發(fā)射功率和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。圖1中所有的測(cè)試儀表和控制轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)網(wǎng)口或RS-232串口協(xié)議相連，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。由于在毫米波頻段線纜的損耗不可忽略，所以參考信號(hào)的存在造成頻域系統(tǒng)受限于室內(nèi)短距離測(cè)量。

相反，時(shí)域法通過(guò)發(fā)送自相關(guān)特性良好的寬帶信號(hào)，在接收端將接收信號(hào)與原始信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，進(jìn)而直接獲得CIR。由于不需要參考信號(hào)，時(shí)域法解決了頻域法覆蓋范圍受限的問(wèn)題，并且真正意義上實(shí)現(xiàn)了寬帶信道測(cè)量。圖2給出了時(shí)域高頻信道測(cè)量系統(tǒng)的基本原理圖。以紐約大學(xué)無(wú)線中心為代表，在接收端利用滑動(dòng)相關(guān)器在硬件上實(shí)現(xiàn)互相關(guān)操作，避免了在數(shù)字采樣和濾波過(guò)程中對(duì)信號(hào)幅度和相位所產(chǎn)生的影響，但無(wú)法靈活適用于多個(gè)頻段。另一種方式則是直接獲取基帶接收信號(hào)，然后在數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中解相關(guān)，避免了硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。隨著毫米波通用測(cè)試儀表性能的提升，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可以分別利用矢量信號(hào)源和頻譜儀實(shí)現(xiàn)，這種一體化信道測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和綜合測(cè)量精度更高。此外，在應(yīng)用時(shí)域法或頻域法時(shí)都需要考慮收發(fā)信機(jī)間頻率和時(shí)間同步的問(wèn)題，失步將會(huì)影響系統(tǒng)去嵌入的結(jié)果，進(jìn)而錯(cuò)誤估計(jì)系統(tǒng)的時(shí)間色散參數(shù)?？梢詫⑹瞻l(fā)端通過(guò)線纜直聯(lián)并發(fā)送低頻同步信號(hào)，或者增加銣鐘利用GPS實(shí)現(xiàn)同步，并且為消除系統(tǒng)和線纜的損耗，在測(cè)量前需將兩根射頻電纜直聯(lián)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。endprint

由于毫米波主要會(huì)結(jié)合多天線技術(shù)應(yīng)用于未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)，因此為獲得符合典型應(yīng)用場(chǎng)景的大規(guī)模MIMO高頻無(wú)線信道模型，通?？梢灾苯永肕IMO天線陣進(jìn)行測(cè)量，但這對(duì)收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。目前主流的方法是通過(guò)在水平和俯仰兩個(gè)維度旋轉(zhuǎn)定向喇叭天線以構(gòu)成虛擬的全向天線，替代低增益全向天線，補(bǔ)償高頻的路徑損耗。測(cè)量得到的全向信道模型經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)處理算法后可轉(zhuǎn)化為MIMO信道模型。所以為充分反映毫米波的空間信道模型，天線轉(zhuǎn)臺(tái)需要支持多維旋轉(zhuǎn)的功能。

3.2 毫米波信道模型

無(wú)線信道的大尺度傳播模型決定了毫米波通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，通常大尺度衰落和收發(fā)天線間距離成反比，且在不同應(yīng)用場(chǎng)景下由于環(huán)境中地物的遮擋會(huì)產(chǎn)生陰影衰落?？紤]到大氣吸收和雨衰的影響，在鏈路預(yù)算時(shí)其傳播損耗可以表示為：

式中，Ph（τm，θ，φ）表示在方位角和俯仰角分別為θ和φ時(shí)的PDP?；诓煌嵌鹊臏y(cè)量結(jié)果，利用高分辨率的參數(shù)估計(jì)算法可以得到由功率、時(shí)延、角度等信息表征的多徑分量，再經(jīng)過(guò)多維自動(dòng)分簇算法建立毫米波簇統(tǒng)計(jì)信道模型。

隨著5G海量移動(dòng)終端設(shè)備的接入，天線極化分集是提高系統(tǒng)容量的另一種方式。在計(jì)算交叉極化信道的大尺度和小尺度參數(shù)外，還需要考慮交叉極化比的影響，它反映了不同極化方式時(shí)信道間的隔離度[7]。

4 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

早在2012年，ITU便啟動(dòng)了關(guān)于5G高頻頻譜的研究工作，并在2015年世界無(wú)線電大會(huì)（WRC）上公布了涵蓋24.25 GHz到86 GHz的八個(gè)5G毫米波候選頻段以及四個(gè)需滿足特定使用條件的可增選頻段。此外，在2016年7月美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）率先公布了近11 GHz的高頻頻譜資源用于開發(fā)和部署毫米波通信系統(tǒng)。11月，歐盟委員會(huì)無(wú)線頻譜政策組（RSPG）也明確了三個(gè)24 GHz以上的頻段作為歐洲5G應(yīng)用的試驗(yàn)頻段。我國(guó)雖未明確發(fā)布5G高頻的頻譜規(guī)劃，但在2013年就將40.5 GHz—47.0 GHz和47.2 GHz—50.2 GHz兩個(gè)頻段分配給了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的移動(dòng)寬帶接入系統(tǒng)，并主導(dǎo)了IEEE 802.11aj（45 GHz）的標(biāo)準(zhǔn)化工作[9]。近年來(lái)，在國(guó)家863計(jì)劃“5G移動(dòng)通信先期研究”重大專項(xiàng)的支持下，又對(duì)6 GHz—100 GHz重點(diǎn)候選頻段的電波傳播特性進(jìn)行了評(píng)估[10]。

從信道測(cè)量和建模角度而言，以紐約大學(xué)無(wú)線中心、諾基亞、三星、NTT DOCOMO、中興、北京郵電大學(xué)為主導(dǎo)的科研機(jī)構(gòu)或公司，針對(duì)室內(nèi)和室外不同毫米波頻段的信道展開了大量的測(cè)量工作，在3GPP和WINNER II SCM模型的基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的高頻信道模型。2016年初3GPP參考TR 25.996、TR 36.814、TR 36.873和ITU-R M.2135中對(duì)低頻3D SCM模型的描述，并結(jié)合上述高頻信道測(cè)量和建模結(jié)果，公布了6 GHz以上信道模型的技術(shù)報(bào)告TR 38.900[6]。此模型適用于城市街區(qū)峽谷地帶、城市和鄉(xiāng)村宏蜂窩、室內(nèi)辦公室等場(chǎng)景的寬帶系統(tǒng)級(jí)仿真，并且支持終端簡(jiǎn)單的移動(dòng)性。對(duì)于60 GHz短距離高速無(wú)線通信，已有IEEE 802.11ad和802.15.3c等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)頒布，其物理信道部分主要參考了Saleh-Valenzuela（S-V）模型進(jìn)行描述。此外，ITU-R SG3在P.1238和P.1411中分別研究了在300 MHz到100 GHz范圍內(nèi)室內(nèi)外無(wú)線通信系統(tǒng)和無(wú)線本地局域網(wǎng)的傳播模型和預(yù)測(cè)方法，并于2016年新增議題P.2346重點(diǎn)研究從室外到室內(nèi)建筑物穿透損耗的影響。由于標(biāo)準(zhǔn)化組織、各大運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商以及政府機(jī)構(gòu)在高頻頻譜資源規(guī)劃和高頻信道模型標(biāo)準(zhǔn)建立過(guò)程中的積極推動(dòng)作用，加快了毫米波應(yīng)用于5G中的步伐。

5 結(jié)束語(yǔ)

毫米波移動(dòng)通信因具有大帶寬，高傳輸速率的特點(diǎn)受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文結(jié)合毫米波的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)需求，重點(diǎn)討論了未來(lái)5G毫米波頻段信道測(cè)量和建模中所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決方案。根據(jù)測(cè)量原理的不同，分別介紹了頻域和時(shí)域測(cè)量系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和實(shí)施細(xì)節(jié)，包括如何提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍、測(cè)量精度、時(shí)間和頻率同步的實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。隨后給出了在毫米波頻段所廣泛采用的大尺度和小尺度傳播模型，以及在簇建模過(guò)程中需要考慮的簇內(nèi)和簇間參數(shù)。而隨著信道模型研究的不斷深入，對(duì)信道測(cè)量方案的設(shè)計(jì)也提出了更高要求。最后，本文結(jié)合ITU、3GPP、IEEE等標(biāo)準(zhǔn)化組織、相關(guān)科研機(jī)構(gòu)或公司公布的研究結(jié)果，給出了在高頻段頻譜規(guī)劃和信道模型標(biāo)準(zhǔn)化的工作進(jìn)程。

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