謝利娟,孫 君,許 暉,劉順順

(1.南京郵電大學,江蘇 南京 210003; 2.上海無線通信研究中心，上海 201200; 3.上海理工大學，上海 201200)

基于計算機技術的15 GHz頻段下信道測量與分析

謝利娟1,2,孫 君1,許 暉2,劉順順3

(1.南京郵電大學,江蘇 南京 210003; 2.上海無線通信研究中心，上海 201200; 3.上海理工大學，上海 201200)

現(xiàn)代通信技術的一個重要特點是計算機技術與通信技術的緊密結合。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，對現(xiàn)代通信業(yè)也有更好的促進作用。借助計算機技術對通信技術的支持，對通信環(huán)境下的信道進行了測量與分析。傳統(tǒng)移動蜂窩頻段的嚴重短缺，使得高頻段的開發(fā)與利用受到越來越多的關注與研究。采用基于PN序列的時域測量系統(tǒng)，在15 GHz頻段下對室內走廊環(huán)境的直視場景進行了信道測量，分析了其大尺度特性，得到了距離和路徑損耗的關系，并計算得出室內走廊環(huán)境下的路徑損耗指數(shù)和陰影衰落。測量采用波束寬度為10°、增益為25 dBi的標準增益喇叭天線，通過改變發(fā)射天線俯仰角和接收天線水平角得到某個距離下的測量數(shù)據(jù)，分析了特定場景下接收功率隨角度的變化特性。

5G；15 GHz；高頻段；信道測量

1 概 述

計算機技術是計算機領域中所運用的技術方法和技術手段。它研究的范圍非常廣泛，通常分為計算機硬件、計算機軟件、計算機通信以及計算機接口等。現(xiàn)代通信技術的一個重要特點是計算機技術與通信技術的緊密結合。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，對現(xiàn)代通信業(yè)也有更好的促進作用，計算機通信技術和信息技術更好地詮釋了計算機技術對通信技術的促進作用。在“信息高速公路”的進展工程中，計算機技術為通信技術的發(fā)展提供了強大的技術后盾，在傳遞圖像、文字和聲音的過程中，計算機技術有著獨特的技術優(yōu)勢。借助計算機技術對通信技術的支持，對通信信道進行了測量與分析。

自我國第四代移動通信牌照發(fā)放，4G技術正式走向商用后，面向下一代移動通信需求的第五代移動通信的研發(fā)正在展開。寬帶無線業(yè)務的逐漸增長導致了全球范圍內載波頻段的短缺。而在高頻段(如毫米波、厘米波頻段)可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實現(xiàn)極高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求。在此頻段下，可以利用高增益的小型化的天線等來探索信道的特性[1]。5G蜂窩系統(tǒng)可運用比傳統(tǒng)頻段更高的載波頻段以獲得更多的頻譜，以更大的容量支持各種多媒體業(yè)務。足夠量的可用帶寬，小型化的天線和設備，較高的天線增益是高頻段毫米波移動通信的主要優(yōu)點。高頻段在移動通信中的應用是未來的發(fā)展趨勢，業(yè)界對此高度關注[2]。

隨著移動通信業(yè)務的發(fā)展，人們在諸如辦公樓、超市或會議廳等場所傳送大量的語音、視頻等數(shù)據(jù)，因此室內通信質量受到越來越多的關注。由于室內無線信道的基本特征影響甚至決定著這些傳送的過程和結果，因此，對無線電波在室內傳播的研究具有重大意義[3]。目前，已經有很多關于室內信道測量與分析的文獻[4-14]。文獻[4-7]測量并分析了60 GHz室內信道特性，如RMS時延擴展、時延擴展和功率時延譜等。文獻[8]在典型的辦公樓室內環(huán)境下使用矢量網絡分析儀分別在LOS和NLOS場景中進行UWB信道頻域測量。文獻[9]描述了17 GHz的寬帶信道測量與分析。文獻[10]針對室內封閉走廊環(huán)境，研究了14 GHz頻段的寬帶無線信道時間和空間特性。文獻[11]測量并分析了45 GHz下室內信道的大尺度衰落特性，得到了路徑損耗指數(shù)和陰影衰落標準差等結果。文獻[12]采用基于自動化旋轉天線方式的信道測量儀在28 GHz頻段下對室內信道進行了測量與分析。文獻[13]介紹了60 GHz和28 GHz的時延擴展特性。

2G通信與3G通信繁榮發(fā)展的幾十年里，至今已經占用了2 GHz以下最適合移動通信發(fā)展的大部分頻譜，其他可用的頻譜越來越分散，加之頻譜資源的唯一性及其使用與分配上存在太多的歷史繼承性，使得3G乃至6 GHz以下都很難再找到一段合適的完整頻譜，共4G和未來通信的使用。相反，在6～15 GHz這一頻段，世界范圍內存在著大量可用于移動通信的頻譜資源，還未被完全開發(fā)出來[14]。

高頻段(>6 GHz)為5G的候選頻段，目前，關于15 GHz頻段的研究很少，且大部分測量方法為頻域信道測量方式。例如，文獻[15]用矢量網絡分析儀進行15 GHz的信道測量并分析了其大尺度特性，其采用的測量方法為頻域信道測量方式。文中采用的是基于PN序列的時域信道測量，在15 GHz下對室內走廊環(huán)境直視場景和非直視場景進行了測量，分析了信道的大尺度特性。

2 測量方法和測量場景

2.1 測量方法

寬帶信道特性可以在時域測量信道的沖激響應或在頻域測量信道的頻率響應。頻域信道測量采用掃頻式測量，每次測量需要的時間較長，可能會超過信道的相關時間，使得測量過程中信道是變化的，可能會導致得到的多徑信號和噪聲信號難以分辨，而時域測量由于測量需要的時間較短，不會產生上述問題。

此次測量采用基于PN序列的時域信道測量系統(tǒng)，在發(fā)送端由PN序列產生器產生PRBS11序列，序列經BPSK調制之后，再經過根升余弦濾波器濾波，將得到的信號上變頻后由喇叭天線發(fā)射出去，數(shù)據(jù)處理過程與上述過程相反。

測量中采用了計算機、AWG任意波形產生器、PSG矢量信號產生器、PXA信號分析儀和OSC數(shù)字示波器。在發(fā)送端，AWG，PSG的IQ調制帶寬為2 GHz，OSC的帶寬可達到8 GHz。AWG由兩路信道產生I路信號和Q路信號，PSG對I/Q信號進行上變頻。在接收端，PXA用來對信號進行下變頻，OSC負責收集信號。測量開始時，首先由本地計算機上的發(fā)射框圖下發(fā)數(shù)據(jù)到AWG任意波形發(fā)生器，測量過程中由銣鐘產生觸發(fā)信號以保持發(fā)射機和接收機同步。測量中用到的天線是波束寬度為10°，增益為25 dBi的標準增益喇叭天線，水平角范圍為0°～360°，俯仰角范圍為-45°～45°，發(fā)射機系統(tǒng)和接收機系統(tǒng)均采用這種天線。測量系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)方框圖

測量過程中采用滑動相關法，并充分利用PN序列良好的自相關性，發(fā)送端發(fā)送經過調制的PN序列，接收端接收信號并經過高速采樣存儲到計算機，在計算機中產生和發(fā)射端完全相同的PN序列做相關運算，從而得到信道的時域或頻域特性。測量的相關參數(shù)配置如表1所示。

表1 參數(shù)配置

2.2 測量場景和測量配置

此次測試是在走廊環(huán)境LOS情況下進行。LOS測試下，發(fā)射機和接收機位于走廊的中間，為了更全面分析信道特性及接收功率隨角度的變化關系，旋轉天線使其水平角和俯仰角發(fā)生變化。在此過程中，通過本地計算機遠程控制發(fā)射端和接收端的計算機對云臺進行旋轉。在每個距離點處，使得發(fā)射天線俯仰角在-5°、0°和5°之間變化，對發(fā)射天線的每個俯仰角，接收天線均由0°旋轉到360°，每次旋轉間隔5°。因此，對每個點，共進行了219次測量。共測量了8個點，相鄰點之間的距離為6 m。接收機固定不動，發(fā)射機在走廊中間移動。接收機位于走廊的拐角處，如圖2所示。測量是在一個典型的走廊環(huán)境下進行的，走廊長51 m，寬2 m，高2.5 m，拐角長度為5.2 m。走廊兩邊的墻壁由混凝土組成，辦公房間門由木頭組成。在測量過程中，發(fā)射機天線和接收機天線處于同一高度，發(fā)射機和接收機處于同一地位。測量平面圖如圖2所示。

圖2 測量平面圖(☆代表接收機，○代表發(fā)射機)

測量配置如表2所示。通過上述測量，可以得到IQ數(shù)據(jù)，用PN序列對IQ數(shù)據(jù)進行滑動相關，然后進行平方得到功率延時譜。

表2 測試配置

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)以上測量系統(tǒng)，采用如下處理方法。首先，將IQ數(shù)據(jù)和濾波器系數(shù)進行卷積，再進行下采樣，之后和PN序列進行滑動相關得到功率延時譜。從功率延時譜中，可計算得到接收功率，由此可以得到每個測量點不同發(fā)射機俯仰角和接收機水平角下的路徑損耗。采用最小二乘法對路徑損耗進行擬合[16]。

在大多數(shù)情況下，路徑損耗和距離的關系常被描述為：

PL(d)=?+β*10log10(d)+Xσ

其中，d為發(fā)射機與接收機之間的距離；PL(d)為對應距離下的平均路徑損耗；β為路徑損耗指數(shù)；?為以dB為單位的截距；Xσ是以dB為單位的陰影衰落，是均值為0、標準差為σ的正態(tài)分布隨機變量。

通過最小二乘法，得到路徑損耗指數(shù)為：

截距為：

數(shù)據(jù)處理過程中，用上述的最小二乘法及近場參考距離路徑損耗，d0=1m，對應的路徑損耗公式為：

其中，n為路徑損耗指數(shù)；PL(d0)為d0=1m時的路徑損耗，表達式為：

基于上述方法，得到功率延時譜，然后進行適當?shù)那蠛秃蟮玫浇邮展β省?/p>

3.2 數(shù)據(jù)分析和結果

在測量的每個距離下，發(fā)射天線俯仰角在-5°、0°、5°之間變化。對每一個俯仰角，接收天線水平角在0°～360°之間每5°變化時，對發(fā)射天線俯仰角為0°情況下擬合得到的路徑損耗曲線如圖3所示。

圖3 路徑損耗擬合曲線

圖中，菱形代表0°～360°旋轉時，每個距離下路徑損耗的最小值，長虛線為對應的擬合曲線，路徑損耗指數(shù)為1.915 5，陰影衰落均方差為3.521 1 dB。星號代表所有測量角度下的路徑損耗，短虛線為對應的擬合曲線，路徑損耗指數(shù)為2.320 4，陰影衰落均方差為7.590 5 dB。

圖4反映了發(fā)射天線與接收天線距離為12 m時接收功率在不同俯仰角下隨不同水平角的變化情況。

圖4 角度功率譜

可以看到，當俯仰角為0°時，接收功率要比其他俯仰角下的接收功率大3 dB，俯仰角為-5°和5°時，接收功率接近一致。

4 結束語

為了了解高頻段15 GHz下的傳播特性，為5G通信技術的研究和發(fā)展奠定基礎，對室內走廊環(huán)境進行了廣泛測量，通過處理得到路徑損耗指數(shù)為2.320 4，陰影衰落滿足高斯分布，均值為0，標準差為7.590 5 dB。而且，分析了不同發(fā)射天線俯仰角下的接收功率變化特性，得出當俯仰角為0°時，傳播特性相對較好。文中所做的工作可以為第五代移動通信的技術研究和網絡發(fā)展提供參考，也體現(xiàn)出在計算機技術迅速發(fā)展的同時，對通信業(yè)有更好的促進作用。

[1] Rappaport T S,Murdock J N,Gutierrez F.State of the art in 60 GHz integrated circuits and systems for wireless communications[J].Proceedings of the IEEE,2011,99(8):1390-1436.

[2] 馮 巖.5G研發(fā)，爭分奪秒[J].中國無線電,2014(1)：32-34.

[3] 楊大成.移動通傳播環(huán)境：理論基礎·分析方法和建模技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[4] Choi M S,Grosskopf G,Rohde D.Statistical characteristics of 60 GHz wideband indoor propagation channel[C]//Proc of IEEE 16th international symposium on personal,indoor and mobile radio communications.[s.l.]:IEEE,2005:599-603.

[5] Xu H,Kukshya V,Rappaport T S.Spatial and temporal characteristics of 60-GHz indoor channels[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2002,20(3):620-630.

[6] Smulders P F M, Wagemans A G. Wideband indoor radio propagation measurements at 58 GHz[J].Electronics Letters,1992,28(13):1270-1272.

[7] Geng S,Kivinen J,Zhao X,et al.Millimeter-wave propagation channel characterization for short-range wireless communications[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(1):3-13.

[8] 呂瀟瀟,王浩文,王 雪,等.基于網絡分析儀的UWB頻域測試[J].電子測量技術,2012,35(5):132-135.

[9] Bohdanowicz A,Janssen G J M,Pietrzyk S.Wideband indoor and outdoor multipath channel measurements at 17 GHz[C]//Proceedings of vehicular technology conference.Piscataway,New Jersey,USA:IEEE Press,1999:1998-2003.

[10] 王 萍,勾天杭,李朋朋，等.室內走廊環(huán)境高頻段寬帶無線信道測量與建模[J].電波科學學報,2012,27(3):496-500.

[11] Zhu Jin,Wang Haiming,Hong Wei.Large-Scale Fading Characteristics of Indoor Channel at 45-GHz band[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015(14):735-738.

[12] Hur S,Cho Y J,Lee J A,et al.Channel sounder using horn antenna and indoor measurements on 28 GHz[C]//Proc of 2014 IEEE international black sea conference on communications and networking.[s.l.]:[s.n.],2014:83-87.

[13] Kim J H,Jung M W,Yoon Y K,et al.60 and 28GHz delay spread measurements and simulation at indoor[C]//Proc of ICTC.[s.l.]:[s.n.],2014:148-150.

[14] 周世東.高頻段(6-15GHz)在未來移動通信中的應用[C]//2009信息通信網技術業(yè)務發(fā)展研討會論文集.出版地不詳：出版者不詳，2010:38-45.

[15] Zhou Xin,Zhong Zhangdui,Zhang Bei,et al.Experimental characterization and correlation analysis of indoor channels at 15GHz[J].International Journal of Antennas and Propagation,2015,2015:1-11.

[16] Jr G R M,Zhang Junhong,Nie Shuai,et al.Path loss models for 5G millimeter wave propagation channels in urban microcells[C]//Proc of Global Communications Conference (GLOBECOM).[s.l.]:IEEE,2013:3948-3953.

Measurement and Analysis of Channel Characteristics in 15 GHz Based on Computer Technology

XIE Li-juan1,2，SUN Jun1，XU Hui2，LIU Shun-shun3

(1.Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China；2.Wireless Communication Research Center in Shanghai,Shanghai 201200,China;3.Shanghai University of Science and Technology,Shanghai 201200,China)

An important feature of modern communication technology is the close combination between the computer technology and communication technology.With rapid development of computer technology,the modern telecommunication industry is promoted.With the support of computer technology,the channel in communication environment is measured and analyzed.The shortage of traditional mobile cellular band makes the development of higher frequency paid more and more attention.In this paper,the time domain measurement system based on PN sequence is used to measure propagation characteristics of the line-of-sight scenarios in indoor corridor in 15 GHz.It analyzes the large scale characteristics,and presents the relationship between distance and path loss,and calculates path loss exponent and the shadow fading.In the measurement,two horn antennas with 10° HPBW (Half-Power Beam Width) and 25 dB gain are used to change elevation angles in transmitting terminal and azimuth angles in receiving terminal in all measurement points.At the same time,it also analyzes the relationship between received power and different elevation angles.

5G;15 GHz;high frequency band;channel measurement

2015-08-30

2015-12-03

時間：2016-05-05

國家“863”高技術發(fā)展計劃項目(2014AA01A706);國家科學技術重大專項(2014ZX03003012-001);上海市科學技術委員會資助課題(13511500600);南京郵電大學校級項目(NY211033)

謝利娟(1991-)，女，碩士生，研究方向為20GHz頻段以下無線信道測量與建模；孫 君，碩士生導師，研究方向為直通蜂窩技術、無線網絡資源的管理策略和無線網絡頻譜理論研究等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160505.0831.108.html

TP393.04

A

1673-629X(2016)06-0191-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.06.043