金凌星，孫建紅

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

基于15 GHz的室外頻段信道測(cè)量與分析

金凌星，孫建紅

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

現(xiàn)代通信技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的緊密結(jié)合。隨著無(wú)線移動(dòng)通信的快速發(fā)展，傳統(tǒng)移動(dòng)蜂窩頻段的頻譜資源面臨嚴(yán)重短缺的局面，開(kāi)展著眼于高頻段的開(kāi)發(fā)與利用已經(jīng)刻不容緩。為此，應(yīng)用基于PN序列的時(shí)域測(cè)量系統(tǒng)，在15 GHz頻段的室外環(huán)境下,以波束寬度為10°、增益為25 dBi的標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線和增益為5 dBi的垂直極化的雙錐全向天線為研究對(duì)象進(jìn)行了直視場(chǎng)景的信道測(cè)量；測(cè)量數(shù)據(jù)的處理采用基于floating intercept模型的滑動(dòng)相關(guān)算法，應(yīng)用最小二乘法建立了距離與路徑損耗之間的相互關(guān)系，并計(jì)算獲得了室外環(huán)境下路徑損耗指數(shù)和陰影衰落，由此分析了傳播信號(hào)的大尺度特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，15 GHz頻段在室外環(huán)境下的良好傳播特性，在未來(lái)5G通信中具有較為顯著的應(yīng)用前景。

5G；高頻段；室外環(huán)境；信道測(cè)量

0 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的內(nèi)容非常廣泛，主要包括計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)接口以及計(jì)算機(jī)通信等幾個(gè)方面?，F(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展也能進(jìn)一步推動(dòng)現(xiàn)代通信技術(shù)的改進(jìn)，計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和信息技術(shù)已經(jīng)很好地展現(xiàn)了兩者間密不可分的關(guān)聯(lián)。在“信息高速公路”的進(jìn)展工程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)為通信技術(shù)提供了強(qiáng)大的技術(shù)后盾，發(fā)揮自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)支持圖像、文字和聲音的有效傳遞。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)通信信道進(jìn)行了測(cè)量和特征分析。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的不斷普及，通信業(yè)務(wù)的需求將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，并導(dǎo)致對(duì)無(wú)線電頻譜資源的需求持續(xù)上升，而6 GHz以下的頻段資源已經(jīng)日趨擁擠，因此國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始著眼于高頻段信道的研究和應(yīng)用[1-4]。在2G通信與3G通信繁榮發(fā)展的幾十年里，至今已經(jīng)占用了2 GHz以下，最適合移動(dòng)通信發(fā)展的大部分頻譜，其他可用的頻譜越來(lái)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，供4G和未來(lái)通信使用。相反，在6～15 GHz這一頻段，世界范圍內(nèi)存在著大量可用于移動(dòng)通信的頻譜資源，還未被完全開(kāi)發(fā)[5-6]。

高頻段(>6 GHz)為5G的候選頻段，目前，關(guān)于15 GHz頻段的研究很少，且大部分測(cè)量方法為頻域信道測(cè)量方式[7]。文獻(xiàn)[8]用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行15 GHz的信道測(cè)量并分析了其大尺度特性，其采用的測(cè)量方法為頻域信道測(cè)量方式。文獻(xiàn)[9]針對(duì)室內(nèi)封閉走廊環(huán)境，研究了14 GHz頻段的寬帶無(wú)線信道時(shí)間和空間特性。文中采用基于PN序列的時(shí)域信道測(cè)量，在15 GHz頻段對(duì)室外環(huán)境的直視場(chǎng)景(LOS)和非直視場(chǎng)景(NLOS)進(jìn)行了測(cè)量，分析了信道的大尺度特性,驗(yàn)證了高頻段通信的可能性。

1 數(shù)據(jù)處理與分析

1.1 測(cè)量方法

目前主流的信道測(cè)量共分為基于時(shí)域測(cè)量信道的沖激響應(yīng)和基于頻域測(cè)量信道的頻率響應(yīng)兩種方法。頻域信道測(cè)量采用掃頻式測(cè)量，因此每一次測(cè)量會(huì)消耗比較長(zhǎng)的時(shí)間，有可能造成測(cè)量時(shí)間超出信道的相關(guān)時(shí)間，從而導(dǎo)致在測(cè)量過(guò)程中所測(cè)量的信道已經(jīng)發(fā)生了新的變化，最終無(wú)法有效識(shí)別多徑信號(hào)和噪聲以及時(shí)延等信道參數(shù)。不過(guò)時(shí)域測(cè)量則因?yàn)闇y(cè)量速度快、耗時(shí)短，可以避免這個(gè)問(wèn)題[10]。

測(cè)量采用基于PN序列的時(shí)域信道測(cè)量系統(tǒng)，在發(fā)送端由PN序列產(chǎn)生器產(chǎn)生PRBS11序列作為信號(hào)源。PN序列具有良好的自相關(guān)特性和非常差的互相關(guān)特性，長(zhǎng)度為2 048。

使用計(jì)算機(jī)、AWG任意波形產(chǎn)生器、PSG矢量信號(hào)產(chǎn)生器、PXA信號(hào)分析儀和OSC數(shù)字示波器來(lái)搭建信道測(cè)量系統(tǒng)。在發(fā)射端，由本地計(jì)算機(jī)將已生成好的PN序列利用軟件system view搭建一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)PN序列進(jìn)行重復(fù)，QPSK調(diào)制以及經(jīng)過(guò)平方根升余弦濾波器進(jìn)行濾波等操作，處理之后的PN序列作為信號(hào)源通過(guò)局域網(wǎng)下載到AWG，由AWG的兩路信道產(chǎn)生I路和Q路信號(hào)，再通過(guò)PSG進(jìn)行上變頻，最終輸出到射頻端口的是功率0 dBm、頻率14.8 GHz、帶寬500 MHz的正交信號(hào)。正交信號(hào)經(jīng)過(guò)HPA高功率放大器放大后再由喇叭天線發(fā)射到空口。在接收機(jī)端，由雙錐天線采集信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大，PXA對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行下變頻得到頻率為322.5 MHz的中頻信號(hào)，中頻信號(hào)由OSC采集，采集信號(hào)時(shí)可根據(jù)需要按照采樣點(diǎn)數(shù)或者起止時(shí)間進(jìn)行采集，采集得到的信號(hào)包括I路信號(hào)和Q路信號(hào)。測(cè)量過(guò)程中由銣鐘產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保發(fā)射機(jī)和接收機(jī)保持同步。測(cè)量天線中，喇叭口天線采用的是增益為25 dBi、波束寬度為10°的定向天線；雙錐天線采用的是增益為5 dBi、垂直極化方式的全向天線。測(cè)量系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)方框圖

文中采用滑動(dòng)相關(guān)法測(cè)量，利用PN序列所具有的良好的自相關(guān)特性和非常差的互相關(guān)特性進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)。通過(guò)發(fā)射天線將已調(diào)制好的PN序列發(fā)送出去，然后由接收天線采集信號(hào)并通過(guò)系統(tǒng)將信號(hào)快速存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)MATLAB將采集信號(hào)與作為信號(hào)源的本地PN序列進(jìn)行相關(guān)處理，從而提取出信道的時(shí)域或頻域特性的相關(guān)參數(shù)。測(cè)量的相關(guān)參數(shù)配置如表1所示。

1.2 測(cè)量場(chǎng)景與測(cè)量方案

本次測(cè)量所選取的測(cè)量場(chǎng)景為上海張江地區(qū)某校園環(huán)境，參照文獻(xiàn)[11-12]的測(cè)試方案，選擇校園內(nèi)某教學(xué)樓5樓天臺(tái)作為發(fā)射機(jī)的地址，發(fā)射天線所處的水平面相距地面的高度為21 m，發(fā)射機(jī)保持位置不動(dòng)。在與教學(xué)樓相距約11.3 m的公路上共選擇了13個(gè)點(diǎn)作為接收機(jī)位置，接收機(jī)距地面的高度為1.5 m。設(shè)定接收機(jī)的初始位置為接收機(jī)和發(fā)射機(jī)相距30 m處，并按照5 m的間隔共選取11個(gè)點(diǎn)，直到相距發(fā)射機(jī)的距離為80 m時(shí)終止。最后在距離發(fā)射機(jī)100 m處再選擇2個(gè)點(diǎn)，一個(gè)為L(zhǎng)OS場(chǎng)景，另一個(gè)為NLOS場(chǎng)景。在所選取的13個(gè)點(diǎn)中，有12個(gè)點(diǎn)是LOS場(chǎng)景，1個(gè)點(diǎn)是NLOS場(chǎng)景。測(cè)量位置如圖2所示。

表1 參數(shù)配置

圖2 測(cè)量位置

圖中，五角星代表發(fā)射機(jī)位置，圓代表接收機(jī)在LOS場(chǎng)景下的位置，正方形代表接收機(jī)在NLOS場(chǎng)景下的位置。

在本次信道測(cè)量過(guò)程中，認(rèn)為水平方向是以正北方向?yàn)?°的參考方向，順時(shí)針為正方向；垂直方向是以水平位置為0°的參考方向，下傾為負(fù)。在進(jìn)行測(cè)試布點(diǎn)時(shí)，先使用激光測(cè)距儀準(zhǔn)確測(cè)量出發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離，根據(jù)發(fā)射機(jī)與地面相距21 m，接收機(jī)與地面相距1.5 m，從而計(jì)算出對(duì)應(yīng)不同的接收機(jī)位置時(shí)發(fā)射機(jī)所應(yīng)調(diào)整的俯仰角。設(shè)定發(fā)射機(jī)的旋轉(zhuǎn)水平角度范圍為157°～337°，每一次的旋轉(zhuǎn)間隔為5°，按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)共進(jìn)行36次測(cè)量，每一次測(cè)量都會(huì)由OSC數(shù)字示波器采集信號(hào)并由本地計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。

測(cè)量配置如表2所示。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

在本地計(jì)算機(jī)中使用MATLAB軟件，將采集得到的IQ兩路數(shù)據(jù)組合起來(lái)，再由設(shè)定好的濾波器系數(shù)對(duì)組合好的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和卷積，再經(jīng)過(guò)下采樣，和本地的PN序列進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)，得到信號(hào)的PDP功率時(shí)延譜。通過(guò)功率時(shí)延譜可以計(jì)算出接收功率，從而得到每個(gè)接收位置的PL(路徑損耗)。采用最小二乘法對(duì)路徑損耗進(jìn)行擬合。

表2 測(cè)量配置

文中采用文獻(xiàn)[13]中所介紹的floating intercept模型對(duì)路徑損耗與距離之間的關(guān)系進(jìn)行描述：

PL(d)=α+β*10log10(d)+Xσ

(1)

其中，d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離；PL(d)為對(duì)應(yīng)距離d下的平均路徑損耗,以dB為單位；斜率β為路徑損耗指數(shù)；α為以dB為單位的截距；Xσ為以dB為單位的陰影衰落，是均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σ的正態(tài)分布隨機(jī)變量。

根據(jù)最小二乘法，得到路徑損耗指數(shù)β的公式：

(2)

(3)

2.2 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

2.2.1 路徑損耗擬合曲線

采用2.1節(jié)的處理方法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到路徑損耗擬合曲線，如圖3所示。當(dāng)對(duì)距離作去dB處理后，得到對(duì)應(yīng)的路徑損耗指數(shù)β為1.695 3。對(duì)照文獻(xiàn)[13-14]中的測(cè)量結(jié)果，本次測(cè)量得到的路徑損耗指數(shù)和陰影衰落均方差相對(duì)較小，說(shuō)明15GHz高頻段在室外環(huán)境的傳播特性相對(duì)較好。

圖3 路徑損耗擬合曲線

2.2.2 陰影衰落擬合曲線

圖4所示曲線是利用dfittool工具對(duì)所求得的Xσ值進(jìn)行擬合得到，可得到陰影衰落滿足均值約為0，標(biāo)準(zhǔn)差為2.474 32的正態(tài)分布。

均值的置信區(qū)間為[-0.082 018,0.082 018]，標(biāo)準(zhǔn)差的置信區(qū)間為[2.416 231 3,2.532 408 7]。根據(jù)圖5的場(chǎng)景分析，由于是室外場(chǎng)景，陰影衰落主要是因?yàn)槭彝鈽?shù)木和建筑物的阻擋和吸收造成。

圖4 陰影衰落擬合曲線

2.2.3 多徑分布

將Tx與Rx相距40m處的測(cè)試點(diǎn)分別對(duì)Tx處于247°(即Tx-Rx正對(duì))以及202°(Tx逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)正對(duì)方向45°)進(jìn)行測(cè)量。圖5(a)為Tx-Rx正對(duì)功率時(shí)延譜，圖5(b)為Tx偏轉(zhuǎn)45°后功率時(shí)延譜。

根據(jù)圖5中的功率時(shí)延譜(PDP)進(jìn)行分析，由于發(fā)送長(zhǎng)度為2 048的PN序列，發(fā)送時(shí)進(jìn)行上采樣，在PC端處理數(shù)據(jù)過(guò)程中也要進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的下采樣，得PDP中峰值之間的相隔點(diǎn)數(shù)是2 048。

分析圖5的兩個(gè)場(chǎng)景差別可得，圖5(a)中，當(dāng)Tx和Rx正對(duì)時(shí)，PDP中的最強(qiáng)徑主要是由Tx和Rx之間的直射徑組成，主徑右邊幾乎沒(méi)有多徑分量；圖5(b)中，Tx逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)正對(duì)方向45°，可以明顯發(fā)現(xiàn)PDP中除了主徑外多了一條路徑，該多徑信號(hào)產(chǎn)生的原因則是因?yàn)閷?duì)面的建筑物對(duì)信號(hào)反射形成了一條反射徑。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前6GHz以下已經(jīng)很難找到一段完整的頻譜供未來(lái)移動(dòng)通信使用，同時(shí)人們對(duì)蜂窩資源需求的急速增加促使人們著眼于15GHz以上的高頻段的研究。文中對(duì)高頻段15GHz在室外的傳播特性進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)分析處理得到路徑損耗指數(shù)為1.695 3，陰影衰落滿足均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為3.262 54dB的高斯分布,傳播特性相對(duì)較好。文中驗(yàn)證了高頻段在未來(lái)5G通信中的可行性，對(duì)未來(lái)5G移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和技術(shù)研究提供了一定參考，同時(shí)也體現(xiàn)出計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展對(duì)通信業(yè)有更好的促進(jìn)作用。

圖5 功率時(shí)延譜

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Measurement and Analysis of Outdoor Channel Characteristics at 15 GHz

JIN Ling-xing，SUN Jian-hong

(Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

An important feature of modern communication technology is the close combination between the computer technology and communication technology.With the rapid development of wireless mobile communication,traditional mobile cellular frequency spectrum resource is such shortage that development and utilization of high frequency has become urgent.Therefore,the time domain measurement system based on PN sequence is employed to measure propagation characteristics of the outdoor environment in 15 GHz with the use of an horn antennas with 10゜HPBW (Half-Power Beam Width) and 25 dB gain and a vertical polarization double cone omnidirectional antennas with 5 dB gain.The sliding correlation method has been used for processing data combined with floating intercept model and least square method applied to acquire the relationship between the distance and the path loss by which the path loss exponent and the shadow fading standard variance could be achieved for analysis of large scale features of the transmitted signals.Experimental results show that the signals at 15 GHz have good propagation characteristics in the outdoor environment and that it is the potential spectrum with a good perspective of application in future 5G communications.

5G;high frequency band;outdoor environment;channel measurement

2016-04-25

2016-08-03

時(shí)間：2017-02-17

國(guó)家“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA01A706);國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2014ZX03003012-001);上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目(13511500600)

金凌星(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦哳l段無(wú)線信道測(cè)量與建模；孫建紅，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向?yàn)殡娐沸盘?hào)檢測(cè)與處理、電路故障。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1630.056.html

TP393.04

A

1673-629X(2017)03-0163-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.034