張沛澤　周宇　孫向前

【摘 要】提高無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率是第五代移動通信技術（5G）發(fā)展的核心動力，毫米波因具有豐富的頻譜資源而受到廣泛關注。由于工作波長較短，毫米波在傳播過程中更容易受環(huán)境影響，因此搭建毫米波信道測量系統(tǒng)并建立相應的三維空間信道模型，有利于推動高頻通信技術在5G中的應用。根據(jù)毫米波的應用場景和技術需求，重點介紹了頻域和時域信道測量系統(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應參數(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準化工作進程。

【關鍵詞】5G 毫米波 信道測量 信道模型

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的激增，第四代移動通信技術已無法滿足用戶對超高傳輸速率和極低能耗的需求。根據(jù)香農(nóng)公式，通過增加可用頻寬、提高頻譜效率、加大組網(wǎng)密度等技術可以有效提高無線設備的接入速率，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]。然而目前的移動通信系統(tǒng)、藍牙、無線局域網(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、波束追蹤等技術可以完美地應用于毫米波移動通信系統(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，但在應用過程中仍面臨著巨大挑戰(zhàn)，包括高路徑損耗、繞射能力差、大氣吸收和雨衰嚴重等問題，這些問題嚴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，由于多天線技術的引入，毫米波的空間分布特性對于天線波束方向的控制起到了決定性的作用，所以有必要對不同典型場景進行抽象并建立包含時間、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得到的確定性模型和基于實際測量結果的統(tǒng)計模型[5]。相比于前者，統(tǒng)計信道模型能夠更好地反映實際無線信號傳播環(huán)境，但其模型參數(shù)和測量系統(tǒng)的性能密切相關。本文根據(jù)毫米波在5G中的應用場景和需求，結合目前國內(nèi)外的研究成果，總結并設計了一套完整的毫米波信道測量和建模方法，包括測量系統(tǒng)的搭建、數(shù)據(jù)預處理、模型參數(shù)提取等。建模結果一方面推動了標準化組織對高頻頻譜資源的評估和規(guī)劃，另一方面有利于測試其他高頻通信技術的性能。

2 應用場景及需求

對于毫米波信道建模而言，首先需要明確模型的應用場景，并針對不同場景，合理選取發(fā)射機和接收機的測量位置。受到毫米波傳播范圍的限制，其主要應用于室內(nèi)熱點（InH，Indoor and Hotspot）、城市微蜂窩（UMi，Urban Micro-Cell）、城市宏蜂窩（UMa，Urban Macro-Cell）和其他特殊場景，如視距路徑的回傳鏈路，具有對稱結構的體育場館等[6]。典型的InH場景包括會議室、格子間辦公室、起居室、走廊和大廳等。而室外UMi和UMa兩種場景的區(qū)別主要在于發(fā)射機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）時建筑物材料對毫米波的穿透損耗。

在確定研究場景后，需要根據(jù)選取的參考信道模型設計具體的測量方案和技術指標。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強度隨距離的變化情況。由于毫米波高傳輸損耗的特性，因此測量系統(tǒng)必須具有足夠大的動態(tài)范圍以保證可以分辨有用信號。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的影響。為建立毫米波三維信道模型，需要對不同方位角和俯仰角的接收信號進行采集，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（CIR，Channel Impulse Response）中提取有效徑則與發(fā)送信號帶寬和測量系統(tǒng)的采樣率有關，時間分辨率越高，對環(huán)境中多徑效應的刻畫越準確。通過對功率延遲譜（PDP，Power Delay Profile）和功率角度譜（PAP，Power Angular Profile）的測量可以得到信道在時間和角度域色散參數(shù)?；诂F(xiàn)有毫米波信道測量結果，發(fā)現(xiàn)信號在傳輸過程中呈現(xiàn)簇特性，即接收信號以相近的到達角（AoA，Angle of Arrival）、離去角（AoD，Angle of Departure）和到達時間（ToA，Time of Arrival）在空間中傳播。因此，簇或徑的到達率和衰減率、簇內(nèi)時間和角度色散、Ricean K因子等簇內(nèi)和簇間參數(shù)可以用于準確描述高頻無線信道的統(tǒng)計特性。

3 毫米波信道測量和建模技術

3.1 毫米波信道測量系統(tǒng)

信道測量系統(tǒng)是獲取CIR、提取信道特征參數(shù)的基礎，影響著估計參數(shù)的精度，而一套完整的信道測量系統(tǒng)主要由測試儀表、天線及線纜、控制轉(zhuǎn)臺等幾部分構成，其中測試儀表的選取主要由測量原理決定。目前在毫米波頻段所廣泛采用的信道測量方法主要分為頻域法和時域法兩種。基于矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA，Vector Network Analyzer）的頻域測量法通過掃頻的方式，發(fā)送的單頻信號經(jīng)過準靜態(tài)信道后的接收信號可以看作是對發(fā)送信號進行了幅度加權和相移。通過記錄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，再利用逆快速傅里葉變換獲得CIR。當VNA單表無法覆蓋關心頻段時，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的頻域測量系統(tǒng)框圖，與傳統(tǒng)的測量方案相比，其增加了高頻矢量信號源作為外擴信號源，可以有效提高信號的發(fā)射功率和系統(tǒng)的動態(tài)范圍。圖1中所有的測試儀表和控制轉(zhuǎn)臺通過網(wǎng)口或RS-232串口協(xié)議相連，便于實現(xiàn)自動化測量。由于在毫米波頻段線纜的損耗不可忽略，所以參考信號的存在造成頻域系統(tǒng)受限于室內(nèi)短距離測量。

相反，時域法通過發(fā)送自相關特性良好的寬帶信號，在接收端將接收信號與原始信號進行互相關運算，進而直接獲得CIR。由于不需要參考信號，時域法解決了頻域法覆蓋范圍受限的問題，并且真正意義上實現(xiàn)了寬帶信道測量。圖2給出了時域高頻信道測量系統(tǒng)的基本原理圖。以紐約大學無線中心為代表，在接收端利用滑動相關器在硬件上實現(xiàn)互相關操作，避免了在數(shù)字采樣和濾波過程中對信號幅度和相位所產(chǎn)生的影響，但無法靈活適用于多個頻段。另一種方式則是直接獲取基帶接收信號，然后在數(shù)據(jù)預處理過程中解相關，避免了硬件結構的復雜性。隨著毫米波通用測試儀表性能的提升，發(fā)射機和接收機可以分別利用矢量信號源和頻譜儀實現(xiàn)，這種一體化信道測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和綜合測量精度更高。此外，在應用時域法或頻域法時都需要考慮收發(fā)信機間頻率和時間同步的問題，失步將會影響系統(tǒng)去嵌入的結果，進而錯誤估計系統(tǒng)的時間色散參數(shù)?？梢詫⑹瞻l(fā)端通過線纜直聯(lián)并發(fā)送低頻同步信號，或者增加銣鐘利用GPS實現(xiàn)同步，并且為消除系統(tǒng)和線纜的損耗，在測量前需將兩根射頻電纜直聯(lián)進行系統(tǒng)校準。endprint

由于毫米波主要會結合多天線技術應用于未來的移動通信系統(tǒng)，因此為獲得符合典型應用場景的大規(guī)模MIMO高頻無線信道模型，通?？梢灾苯永肕IMO天線陣進行測量，但這對收發(fā)信機的結構設計提出了更高的要求。目前主流的方法是通過在水平和俯仰兩個維度旋轉(zhuǎn)定向喇叭天線以構成虛擬的全向天線，替代低增益全向天線，補償高頻的路徑損耗。測量得到的全向信道模型經(jīng)過一系列信號處理算法后可轉(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)臺需要支持多維旋轉(zhuǎn)的功能。

3.2 毫米波信道模型

無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，且在不同應用場景下由于環(huán)境中地物的遮擋會產(chǎn)生陰影衰落?？紤]到大氣吸收和雨衰的影響，在鏈路預算時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時的PDP?；诓煌嵌鹊臏y量結果，利用高分辨率的參數(shù)估計算法可以得到由功率、時延、角度等信息表征的多徑分量，再經(jīng)過多維自動分簇算法建立毫米波簇統(tǒng)計信道模型。

隨著5G海量移動終端設備的接入，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信道間的隔離度[7]。

4 標準化進程

早在2012年，ITU便啟動了關于5G高頻頻譜的研究工作，并在2015年世界無線電大會（WRC）上公布了涵蓋24.25 GHz到86 GHz的八個5G毫米波候選頻段以及四個需滿足特定使用條件的可增選頻段。此外，在2016年7月美國聯(lián)邦通訊委員會（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，歐盟委員會無線頻譜政策組（RSPG）也明確了三個24 GHz以上的頻段作為歐洲5G應用的試驗頻段。我國雖未明確發(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兩個頻段分配給了點對點、點對多點的移動寬帶接入系統(tǒng)，并主導了IEEE 802.11aj（45 GHz）的標準化工作[9]。近年來，在國家863計劃“5G移動通信先期研究”重大專項的支持下，又對6 GHz—100 GHz重點候選頻段的電波傳播特性進行了評估[10]。

從信道測量和建模角度而言，以紐約大學無線中心、諾基亞、三星、NTT DOCOMO、中興、北京郵電大學為主導的科研機構或公司，針對室內(nèi)和室外不同毫米波頻段的信道展開了大量的測量工作，在3GPP和WINNER II SCM模型的基礎上建立了相應的高頻信道模型。2016年初3GPP參考TR 25.996、TR 36.814、TR 36.873和ITU-R M.2135中對低頻3D SCM模型的描述，并結合上述高頻信道測量和建模結果，公布了6 GHz以上信道模型的技術報告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)辦公室等場景的寬帶系統(tǒng)級仿真，并且支持終端簡單的移動性。對于60 GHz短距離高速無線通信，已有IEEE 802.11ad和802.15.3c等國際標準頒布，其物理信道部分主要參考了Saleh-Valenzuela（S-V）模型進行描述。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)外無線通信系統(tǒng)和無線本地局域網(wǎng)的傳播模型和預測方法，并于2016年新增議題P.2346重點研究從室外到室內(nèi)建筑物穿透損耗的影響。由于標準化組織、各大運營商、設備商以及政府機構在高頻頻譜資源規(guī)劃和高頻信道模型標準建立過程中的積極推動作用，加快了毫米波應用于5G中的步伐。

5 結束語

毫米波移動通信因具有大帶寬，高傳輸速率的特點受到了業(yè)界的廣泛關注。本文結合毫米波的應用場景和技術需求，重點討論了未來5G毫米波頻段信道測量和建模中所面臨的技術挑戰(zhàn)以及相應的解決方案。根據(jù)測量原理的不同，分別介紹了頻域和時域測量系統(tǒng)的基本組成結構和實施細節(jié)，包括如何提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍、測量精度、時間和頻率同步的實現(xiàn)等問題。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，對信道測量方案的設計也提出了更高要求。最后，本文結合ITU、3GPP、IEEE等標準化組織、相關科研機構或公司公布的研究結果，給出了在高頻段頻譜規(guī)劃和信道模型標準化的工作進程。

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