于 力

（中國(guó)電信股份有限公司太原分公司，太原 030012）

5G無(wú)線傳播信道模型對(duì)于評(píng)估和比較不同技術(shù)方案的性能，以及對(duì)評(píng)價(jià)整個(gè)未來(lái)的5G無(wú)線系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。因此，分析解決5G信道建模的難點(diǎn)，以及研究信道建模的新方法對(duì)整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃具有重要意義。

目前，針對(duì)5G信道建模研究的方法主要有兩種：隨機(jī)建模方式和基于地圖的建模方式。其中，隨機(jī)建模的目的是要對(duì)WINNER項(xiàng)目中采用的5G建模方案進(jìn)行擴(kuò)展，而一些5G需求很難通過隨機(jī)建模的方式實(shí)現(xiàn)[1]。因此，為了使建模更加精確，業(yè)界對(duì)基于地圖的建模方式進(jìn)行了大量研究，該方法能夠在基于射線追蹤的模式下對(duì)5G信道進(jìn)行建模。為了對(duì)這些模型進(jìn)行參數(shù)化分析及評(píng)估，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)展開了大量的測(cè)量活動(dòng)。

隨機(jī)過程的模型參數(shù)是依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和在相關(guān)環(huán)境下的傳播測(cè)量進(jìn)行推導(dǎo)而來(lái)的，是一種基于幾何的隨機(jī)信道模型（GSCM）；而基于地圖的模型是通過其結(jié)果和測(cè)量值的對(duì)比進(jìn)行調(diào)整的，在三維簡(jiǎn)化的環(huán)境中采用射線追蹤。另外，還存在一種混合模型，該模型通過合并地圖模型中要素并部分地應(yīng)用隨機(jī)模型，從而實(shí)現(xiàn)了模型的可擴(kuò)展性，具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

目前，大多數(shù)文獻(xiàn)都是研究的隨機(jī)過程下的信道模型，而且對(duì)整個(gè)信道建模需要考慮的因素和流程未作詳細(xì)介紹。因此，本文針對(duì)以上不足，詳細(xì)的介紹了5G信道建模的需求、挑戰(zhàn)、傳播場(chǎng)景，并簡(jiǎn)要介紹了METIS信道模型，對(duì)5G規(guī)劃甚至更長(zhǎng)遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃都有一定的指導(dǎo)性建議。

1 5G信道建模分析

鑒于5G無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)場(chǎng)景及應(yīng)用案例的多樣性和復(fù)雜性，5G無(wú)線信道和傳播模型需要滿足更加嚴(yán)格的需求。這些需求主要包括：一是從1GHz以下到100GHz的極寬頻率范圍；二是超大帶寬（大于500MHz）；三是三維全方位的精準(zhǔn)的極化模型；四是支持極其密集的場(chǎng)景下的空間一致性，即當(dāng)發(fā)射端或接收端移動(dòng)或轉(zhuǎn)向時(shí)，信道的變化依然相對(duì)平緩；五是支持同一區(qū)域內(nèi)不同類型鏈路的共存；六是支持雙端移動(dòng)性，即鏈路的兩端節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，用于支持D2D和V2V（車輛到車輛）的連接及移動(dòng)的基站；七是具有極高的空間分辨率和球面波，用于支持大規(guī)模天線陣列，大規(guī)模MIMO和波束賦性；八是支持垂直方向擴(kuò)展，用于支持3D模型；九是支持針對(duì)高頻技術(shù)的鏡面散色特性。

目前，很多信道模型已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，例如3GPP/3GPP2空 間 信 道 模 型（SCM），WINNER，ITU-R IMTAdvanced，3GPP 3D-Umi與3D-Uma和IEEE802.11ad，但這些模型并不能充分滿足高規(guī)格的5G需求。另外，一些通用信道模型，如SCM，WINNER和IMT-Advanced，適合于低于6GHz的頻段范圍，IEEE 802.11ad適合于60GHz的高頻段。由以上分析可知，目前大多數(shù)模型都僅適用于特定的頻率范圍。因此，找到一種能夠覆蓋1GHz以下到100GHz的整個(gè)蜂窩頻段的信道模型具有極其重要的意義與應(yīng)用前景。在此研究前提下，METIS信道模型得到了廣泛的關(guān)注和研究[2]。

本文主要分析總結(jié)了5G傳播信道的需求、傳播場(chǎng)景、挑戰(zhàn)，并且研究了能夠滿足5G高規(guī)格需求的信道模型。

2 建模需求與場(chǎng)景

無(wú)線信道建模需求需要從兩方面因素考慮：一是環(huán)境到用戶的各個(gè)方面；二是為終端用戶提供所需服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 信道建模需求

建模方法的主要挑戰(zhàn)在于需要支持更高的頻率和更大的帶寬，同時(shí)支持更大的天線陣列。其中，大帶寬和大天線陣列尺寸帶來(lái)了在時(shí)延和空域范疇更精細(xì)的信道模型分辨率的需求。本文總結(jié)了主要的5G信道模型需求，如表1所示[3]：

頻譜：5G信道模型的終極目標(biāo)是建立適合所有信道模型參數(shù)和所有1GHz以下到100GHz頻率之間的傳播效果的連續(xù)函數(shù)。

天線：目前的信道模型的傳播大多是在平面波模式下進(jìn)行的分析，只需要很小的天線陣列尺寸。然而，隨著大規(guī)模天線陣列的應(yīng)用，其具有很強(qiáng)的方向性，因此，采用目前傳統(tǒng)的建模方式已經(jīng)不能滿足角度精度方面上的需求，需要用球面波方式替代。

系統(tǒng)：多樣化的連接類型會(huì)在相同區(qū)域內(nèi)共存，如傳統(tǒng)的宏蜂窩、微蜂窩、皮基站、微微站等，因此5G通信系統(tǒng)應(yīng)該包含各種鏈路類型。此外，連讀預(yù)算密度也會(huì)急劇的增長(zhǎng)，這就對(duì)信道模型提出了新的需求。然而，目前最通用的信道模型是基于撒點(diǎn)的，也就是說散射的環(huán)境都是基于每條鏈路隨機(jī)創(chuàng)建的。

以上所總結(jié)的5G信道模型需求都是基于通用的5G假設(shè)和場(chǎng)景情形，目前現(xiàn)有的模型大多無(wú)法滿足全部的5G傳播需求。

2.2 傳播場(chǎng)景

5G的愿景之一是“萬(wàn)物互聯(lián)”，任何人或物無(wú)論何時(shí)何地都能夠獲取和分享信息數(shù)據(jù)，因此，就需要考慮更廣泛的傳播場(chǎng)景以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌枰獫M足以下幾方面條件：一是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要能夠服務(wù)于不同類型的用戶，例如靜止的或移動(dòng)的用戶；二是無(wú)線系統(tǒng)在任何傳播場(chǎng)景下工作必須是可靠的，包括室外對(duì)室內(nèi)（O2O），室內(nèi)對(duì)室內(nèi)（I2I），室外對(duì)室內(nèi)（O2I），密集城區(qū)，廣域，高速公路，大型商超，體育場(chǎng)館等；三是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)該能夠同時(shí)支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以及直接D2D，M2M，以及V2V鏈路等。

5G傳播場(chǎng)景取決于物理環(huán)境、鏈路類型、小區(qū)類型、天線位置及所支持的頻率范圍。表2給出了基于地圖和隨機(jī)過程建模的傳播場(chǎng)景類型[4]。

表2 傳播場(chǎng)景

3 METIS信道模型

通過以上分析的場(chǎng)景、傳播特性和復(fù)雜度等因素可知，建立完備的5G信道模型具有非常大的挑戰(zhàn)。最直接的方式是對(duì)目前的隨機(jī)過程建模進(jìn)行擴(kuò)展，而這些模型都是基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷模枰占罅康臏y(cè)量值才能獲得大量的模型參數(shù)及它們之間的相關(guān)性。

5G信道建模所需的自有等級(jí)非常高，導(dǎo)致經(jīng)過測(cè)量值精確地獲取所有參數(shù)具有很大難度。因此，METIS信道模型得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。此模型使用射線追蹤，能夠較好的滿足5G關(guān)于傳播場(chǎng)景和無(wú)線信道特性的高級(jí)別要求。其主要的優(yōu)勢(shì)在于模型預(yù)備內(nèi)在的空間一致性，且只有一部分模型參數(shù)需要結(jié)合測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)。鑒于以上分析，為了提供一個(gè)基于建模用戶需求且規(guī)?？煽氐膹?fù)雜度，METIS信道模型對(duì)傳統(tǒng)的隨機(jī)過程方式和基于射線追蹤的方式進(jìn)行了結(jié)合。

以下簡(jiǎn)要介紹了5G傳播和信道模型的要求，并簡(jiǎn)要概括了METIS信道模型。

3.1 基于地圖的模型

基于地圖的模型可以獲得較精確且真實(shí)的空間信道特性，適合于大規(guī)模MIMO和波束賦性等新技術(shù)應(yīng)用。該模型基于射線追蹤，并與一個(gè)簡(jiǎn)化的傳播環(huán)境的三維幾何模型結(jié)合，包括衍射、鏡面反射、滿散射和阻塞情形，并能夠?yàn)榉浅Ｓ刑魬?zhàn)性的用例自動(dòng)提供空間一致性的建模，如具有雙端移動(dòng)性的D2D及V2V鏈路。模型中建筑面被建模成長(zhǎng)方形，表面帶有特定的電磁材料特性，而且該模型并不包含任何顯式的路徑損耗，其路徑損耗、陰影及其他傳播特性是依據(jù)地圖上的布局等因素決定的。為更好的理解基于地體的模型建立過程，圖1給出了信道模型建立的流程圖[5]。

3.2 隨機(jī)過程模型

隨機(jī)過程模型是基于幾何的隨機(jī)信道模型家族擴(kuò)展而來(lái)的，主要來(lái)自3GPP 3D信道模型，其為WINNER+模型的延伸。本文總結(jié)分析了所建議的擴(kuò)展方式，如表3所示：

圖1 基于地圖的模型建立框圖

表3 建議GSCM的擴(kuò)展

4 結(jié)束語(yǔ)

由以上分析可知，傳統(tǒng)的信道模型并不能滿足許多重要的5G信道模型需求，而METIS信道模型就較好的滿足5G需求，該模型強(qiáng)調(diào)了這些需求所需功能和參數(shù)來(lái)建模一個(gè)5G系統(tǒng)。另外，不同的仿真場(chǎng)景和測(cè)試用例會(huì)需要不同的建模功能，而由于這些差異化的需求，METIS信道模型并不是一個(gè)單一的模型，它包括了基于地圖和隨機(jī)的模型。

由于METIS信道模型的復(fù)雜性，并且還存在許多待改善及解決的問題，因此目前大規(guī)模采用METIS信道模型進(jìn)行仿真分析和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃還存在一些不足。下一步內(nèi)容將繼續(xù)對(duì)該系統(tǒng)模型作進(jìn)一步研究，希望對(duì)未來(lái)更精準(zhǔn)的信道建模、仿真分析和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃起到一定的建議。