王 萍 勾天杭，2 李朋朋，2 李穎哲，2 趙振維 張利軍

(1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050； 2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039；3.中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島 266107)

引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線頻譜資源越來(lái)越緊張[1]。而高頻段無(wú)線頻譜資源應(yīng)用相對(duì)空閑，且具有衰落快、波束集中，方向性強(qiáng)，不易受干擾等特點(diǎn)。如果能合理利用高頻段頻譜資源，與現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將能很大程度上提高通信系統(tǒng)的性能，滿足持續(xù)增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。此外，高頻段電磁波的波長(zhǎng)相對(duì)低頻段電磁波小，使得所需的天線尺寸減小，適合終端設(shè)備的小型化。

對(duì)高頻段無(wú)線信道特征加以認(rèn)識(shí)是合理利用高頻段頻譜資源提高通信系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。為此，需要對(duì)高頻段寬帶無(wú)線信道進(jìn)行測(cè)量與建模，獲取電波傳播的特性，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。目前，受商用信道探測(cè)器的限制，多數(shù)無(wú)線信道測(cè)量頻點(diǎn)集中于傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的工作頻段[2-5]，不能支持6 GHz以上頻率的測(cè)量。國(guó)內(nèi)外，高頻段寬帶無(wú)線信道測(cè)量建模工作已經(jīng)開(kāi)展[6-8]，然而，高頻段寬帶無(wú)線信道測(cè)量及建模還不夠成熟，需要進(jìn)行更多的信道測(cè)量和建模。在國(guó)家科研項(xiàng)目支持下展開(kāi)的14 GHz室內(nèi)走廊環(huán)境下的寬帶無(wú)線信道測(cè)量與建模作為對(duì)高頻段無(wú)線信道特性研究的一部分，對(duì)于后續(xù)技術(shù)的研發(fā)具有較重要的參考價(jià)值。

本文介紹了無(wú)線信道的參數(shù)化模型的理論基礎(chǔ)，從設(shè)計(jì)搭建測(cè)試平臺(tái)開(kāi)始，依次介紹了高頻段寬帶無(wú)線信道的測(cè)量方法，測(cè)試平臺(tái)參數(shù)及場(chǎng)景的配置，給出基于信道測(cè)量數(shù)據(jù)的參數(shù)化模型結(jié)果并進(jìn)行了分析。

1.無(wú)線信道參數(shù)化模型分析

為了描述信道參數(shù)化模型對(duì)某一無(wú)線環(huán)境進(jìn)行大量的信道測(cè)量，獲得具有潛在統(tǒng)計(jì)特性的無(wú)線信道測(cè)量數(shù)據(jù)集合，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)中的無(wú)線信道參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析建模，獲取信道的參數(shù)化模型。由于信道的參數(shù)化模型是建立在統(tǒng)計(jì)意義上的，不僅適用于測(cè)量環(huán)境本身，還適用于其他類似環(huán)境。信道的參數(shù)化模型主要包括以下幾個(gè)方面：

1.1 路徑損耗和陰影衰落

傳輸損耗(TL)定義為所有時(shí)延上的傳輸徑能量總和，

(1)

TL[dB]=PL[dB]+SF[dB]+FF[dB]

(2)

李氏定理[9]指出:對(duì)特征長(zhǎng)度為40個(gè)波長(zhǎng)的距離間隔內(nèi)采樣36～50個(gè)傳輸損耗樣本做平均可以去除由多徑傳輸引起的快衰落。處理數(shù)據(jù)過(guò)程中按照李氏定理的要求取平均，所以只考慮路徑損耗和陰影衰落。

路徑損耗模型是某種環(huán)境下無(wú)線信號(hào)衰落與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離的關(guān)系模型[10]

PL(d)[dB]=10n·log10d+B

(3)

式中：n是路徑損耗系數(shù)；d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離； 截距B是d=1時(shí)路徑損耗的值。

對(duì)比傳播路徑上大量的傳輸損耗與統(tǒng)計(jì)的路徑損耗模型，可以得到陰影衰落是服從零均值方差為σSF的正態(tài)分布[10]

SF～N[0，σSF]

(4)

1.2 時(shí)延擴(kuò)展參數(shù)

由于多徑效應(yīng)引起的接收信號(hào)中脈沖的寬度擴(kuò)展的現(xiàn)象稱為時(shí)延擴(kuò)展。描述時(shí)延擴(kuò)展的參數(shù)有平均附加時(shí)延、均方根(RMS)時(shí)延擴(kuò)展和最大附加時(shí)延擴(kuò)展，他們都與時(shí)延功率譜有關(guān)[10]。

平均附加時(shí)延是時(shí)延功率譜密度的一階矩，某一測(cè)量時(shí)刻t的平均附加時(shí)延定義為

(5)

RMS時(shí)延擴(kuò)展是時(shí)延功率譜密度的二階矩，是隨機(jī)信道建模中最常用的時(shí)延參數(shù)，其定義為

(6)

最大附加時(shí)延擴(kuò)展定義為是多徑能量從初值衰落到低于最大能量X(dB)處的時(shí)延。一般稱起始時(shí)延到最大附加時(shí)延擴(kuò)展這段時(shí)延時(shí)間為信道的時(shí)延窗。

1.3 角度擴(kuò)展參數(shù)

角度擴(kuò)展描述的是多徑在空間的統(tǒng)計(jì)分布特性，分別有發(fā)射方位角擴(kuò)展、發(fā)射俯仰角擴(kuò)展、接收方位角擴(kuò)展、接收俯仰角擴(kuò)展。角度擴(kuò)展參數(shù)最常用的是RMS角度擴(kuò)展[10]，其定義和計(jì)算如下：

令Δ為一個(gè)角度的偏移量，在計(jì)算方位角時(shí)Δ∈(-π，π]，計(jì)算俯仰角時(shí)Δ∈[-π/2，π/2]。定義角度變量為

θi(Δ)=θi+Δ，θi∈{φi，?i}

(7)

這里θi∈{φi，?i}，i=1，2，…，Nθ為在角度上的采樣點(diǎn)。將θi轉(zhuǎn)換到角度范圍

(8)

功率角度譜的一階矩為

(9)

將所有的角度以一階矩θmean(t)歸一化

(10)

(11)

(12)

2.信道測(cè)量系統(tǒng)及場(chǎng)景描述

由于現(xiàn)有信道探測(cè)器不能支持中心頻率在6 GHz以上的信道測(cè)量，需要自行搭建信道測(cè)量系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8][11][12]中，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行高頻段寬帶無(wú)線信道測(cè)量。本次信道測(cè)量平臺(tái)基于掃描頻率測(cè)量法設(shè)計(jì)，采用商業(yè)測(cè)試儀器構(gòu)建，同時(shí)結(jié)合方向性天線，可在寬頻帶內(nèi)測(cè)量時(shí)域色散和空域色散的多徑信道。

本測(cè)量平臺(tái)中，安捷倫N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的發(fā)射端口通過(guò)電纜連接功率放大器和發(fā)射天線構(gòu)成發(fā)射機(jī)，接收天線通過(guò)饋線連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收端口構(gòu)成接收機(jī)，控制電腦通過(guò)GPIB數(shù)據(jù)線控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。發(fā)射天線為全向天線，接收端選用了窄波瓣的喇叭天線作為接收天線，根據(jù)方向性天線測(cè)量方法捕捉信道空間信息。測(cè)量時(shí)，將喇叭天線固定在一個(gè)帶有刻度的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，根據(jù)精度需求按刻度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)帶動(dòng)喇叭天線掃描遍歷所有一周方位角。利用窄波瓣喇叭天線獲取信道空間信息，需假設(shè)在測(cè)量期間信道保持恒定不變。因此，這種獲取信道空間信息的方法適用于慢變化的環(huán)境。

圖1 高頻段無(wú)線信道空間特性測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)

參數(shù)測(cè)量平臺(tái)配置測(cè)量場(chǎng)景室內(nèi)走廊中心頻點(diǎn)14GHz帶寬100MHz發(fā)射天線全向天線接收天線定向喇叭天線,水平波瓣9度發(fā)射天線高度2m接收天線高度1.5m測(cè)量范圍30m

圖2為14 GHz室內(nèi)封閉走廊測(cè)量場(chǎng)景示意圖。測(cè)量基站(BS)架設(shè)在走廊的一端，移動(dòng)臺(tái)(MS)測(cè)量路徑位于走廊中間。測(cè)量路徑包括直視路徑(LOS)和非直視路徑(NLOS)兩類區(qū)域。

圖2 14 GHz頻段封閉走廊測(cè)量場(chǎng)景和測(cè)量路線

3.數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

正式測(cè)量之前，應(yīng)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，去除測(cè)量鏈路中儀器、功放、線纜、接頭等對(duì)頻域響應(yīng)測(cè)量結(jié)果的影響，讓校準(zhǔn)后的頻域響應(yīng)在測(cè)量帶寬內(nèi)保持平坦。利用高精度的信道參數(shù)提取算法[13]，對(duì)信道測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得信道參數(shù)化模型。

3.1 路徑損耗與陰影衰落

在走廊的不同位置，測(cè)試數(shù)據(jù)體現(xiàn)出不同的衰減特征。收發(fā)距離在10 m以內(nèi)時(shí)，走廊兩側(cè)均為辦公室及會(huì)議室，表現(xiàn)出良好的封閉管道特征；收發(fā)距離在10～20 m之間，走廊兩側(cè)有樓梯通道和電梯存在，對(duì)電波的衰減較大；而收發(fā)距離較遠(yuǎn)處，走廊的彎曲墻體對(duì)電波有反射，增強(qiáng)了接收到的信號(hào)功率。為了體現(xiàn)樓梯電梯等物體對(duì)電磁波的衰減，在數(shù)據(jù)分析時(shí)將樓梯電梯附近的測(cè)試數(shù)據(jù)與其他測(cè)試數(shù)據(jù)分開(kāi)擬合。

圖3描繪的是14 GHz室內(nèi)封閉走廊環(huán)境下信道傳輸損耗隨基站和移動(dòng)臺(tái)之間距離變化的分布圖及其擬合結(jié)果，表2顯示了相應(yīng)的路徑損耗和陰影衰落參數(shù)。

圖3 14 GHz頻段室內(nèi)場(chǎng)景實(shí)測(cè)傳輸損耗

從表2中可見(jiàn)：封閉走廊中路徑損耗因子小于2，而當(dāng)走廊兩側(cè)有樓梯電梯時(shí)，路徑損耗因子比較大。這是由于電波在室內(nèi)封閉走廊中傳播時(shí)能量比較集中，體現(xiàn)出一定的波導(dǎo)效應(yīng)，而樓梯電梯附近，由于樓梯電梯通道對(duì)電波傳播帶來(lái)較大損耗。

表2 14 GHz頻段室內(nèi)封閉走廊場(chǎng)景

由于14 GHz頻段對(duì)于目前常用的移動(dòng)通信頻段來(lái)說(shuō)屬于高頻段，路徑損耗相對(duì)于同類場(chǎng)景低頻段較大，而且隨距離增加也較快。另一方面考慮到14 GHz頻段頻譜資源豐富，所以該頻段適合用作室內(nèi)短距離寬帶通信傳輸，或者室外基站間寬帶互聯(lián)。

3.2 時(shí)延擴(kuò)展參數(shù)

圖4為測(cè)量獲得的14 GHz頻段室內(nèi)封閉走廊場(chǎng)景的信道沖激響應(yīng)，計(jì)算得到的時(shí)延參數(shù)見(jiàn)表3.

圖4 14 GHz 頻段室內(nèi)場(chǎng)景測(cè)量點(diǎn)的時(shí)延功率譜

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，14 GHz頻段室內(nèi)封閉走廊場(chǎng)景的信道時(shí)延擴(kuò)展參數(shù)如表3。14 GHz頻段電波傳播的損耗相對(duì)較大，傳播距離小，能從遠(yuǎn)處反射到達(dá)接收機(jī)的多徑能量較少，接收機(jī)接收到大延遲且具有較大功率的多徑信號(hào)幾率很小，導(dǎo)致信道時(shí)延擴(kuò)展較小。

表3 14 GHz頻段室內(nèi)封閉走廊場(chǎng)景的時(shí)延擴(kuò)展參數(shù)

3.3 角度擴(kuò)展參數(shù)

測(cè)量獲得的歸一化的角度功率譜如圖5.由角度功率譜可獲得信道的平均角度和角度擴(kuò)展(AS)，如表4.

圖5 14 GHz頻段室內(nèi)場(chǎng)景LOS(左)和NLOS(右) 區(qū)域的歸一化角度功率譜

可以看出，LOS區(qū)域的平均角度指向基站方向，而NLOS區(qū)域的平均角度則指向主要反射體方向；LOS區(qū)域角度相對(duì)NLOS區(qū)域較為集中。因此，高頻段LOS環(huán)境下適合進(jìn)行對(duì)方向性要求高的通信，而NLOS環(huán)境下，則可利用散射體增強(qiáng)信號(hào)的覆蓋范圍。

表4 14 GHz頻段室內(nèi)封閉走廊場(chǎng)景的角度擴(kuò)展

4.結(jié) 論

針對(duì)室內(nèi)封閉走廊環(huán)境，在14 GHz頻段上對(duì)寬帶無(wú)線信道時(shí)間和空間特性進(jìn)行了研究，獲得了路徑損耗和陰影衰落、時(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展信道參數(shù)。分析結(jié)果表明:高頻段無(wú)線信道的時(shí)延擴(kuò)展較小，LOS環(huán)境下波束集中，NLOS環(huán)境中的散射體可以增加電磁波的覆蓋范圍。這些結(jié)果為高頻段無(wú)線通信領(lǐng)域的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

致謝：感謝中國(guó)電子科技集團(tuán)公司22所專家在測(cè)量中給予的幫助。

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