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5G毫米波信道测量和建模技术研究

【摘 要】提高无线通信系统的数据传输速率是第五代移动通信技术(5G)发展的核心动力,毫米波因具有丰富的频谱资源而受到广泛关注。由于工作波长较短,毫米波在传播过程中更容易受环境影响,因此搭建毫米波信道测量系统并建立相应的三维空间信道模型,有利于推动高频通
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时时彩平台哪个好 www.1otf.com.cn   【摘 要】提高无线通信系统的数据传输速率是第五代移动通信技术(5G)发展的核心动力,毫米波因具有丰富的频谱资源而受到广泛关注。由于工作波长较短,毫米波在传播过程中更容易受环境影响,因此搭建毫米波信道测量系统并建立相应的三维空间信道模型,有利于推动高频通信技术在5G中的应用。根据毫米波的应用场景和技术需求,重点介绍了频域和时域信道测量系统的基本原理和组成方案以及大尺度、小尺度信道模型和对应参数提取方法。最后讨论了6 GHz以上频谱划分和信道模型建立方面的标准化工作进程。
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  【关键词】5G 毫米波 信道测量 信道模型
  1 引言
  随着移动互联网和物联网业务的激增,第四代移动通信技术已无法满足用户对超高传输速率和极低能耗的需求。根据香农公式,通过增加可用频宽、提高频谱效率、加大组网密度等技术可以有效提高无线设备的接入速率,其中最为直接和有效的方式就是增加数据的传输带宽[1]。然而目前的移动通信系统、蓝牙、无线局域网等主要工作在6 GHz以下的中低频段,其可用的连续频谱资源十分稀缺。相反,6 GHz以上的高频段,除少量频段用于军事通信外,还有大量未分配的频谱资源亟待开发利用。较短的工作波长使得毫米波器件和系统的尺寸得以小型化,大规模天线阵列、波束形成、波束追踪等技术可以完美地应用于毫米波移动通信系统[2-3]。
  虽然宽带毫米波通信可以满足5G高传输速率的需求,但在应用过程中仍面临着巨大挑战,包括高路径损耗、绕射能力差、大气吸收和雨衰严重等问题,这些问题严重制约了毫米波通信系统的覆盖范围和传输性能[4]。此外,由于多天线技术的引入,毫米波的空间分布特性对于天线波束方向的控制起到了决定性的作用,所以有必要对不同典型场景进行抽象并建立包含时间、频率和空间三维信息的高频信道模型。传统的信道模型主要包括基于射线追踪技术得到的确定性模型和基于实际测量结果的统计模型[5]。相比于前者,统计信道模型能够更好地反映实际无线信号传播环境,但其模型参数和测量系统的性能密切相关。本文根据毫米波在5G中的应用场景和需求,结合目前国内外的研究成果,总结并设计了一套完整的毫米波信道测量和建模方法,包括测量系统的搭建、数据预处理、模型参数提取等。建模结果一方面推动了标准化组织对高频频谱资源的评估和规划,另一方面有利于测试其他高频通信技术的性能。
  2 应用场景及需求
  对于毫米波信道建模而言,首先需要明确模型的应用场景,并针对不同场景,合理选取发射机和接收机的测量位置。受到毫米波传播范围的限制,其主要应用于室内热点(InH,Indoor and Hotspot)、城市微蜂窝(UMi,Urban Micro-Cell)、城市宏蜂窝(UMa,Urban Macro-Cell)和其他特殊场景,如视距路径的回传链路,具有对称结构的体育场馆等[6]。典型的InH场景包括会议室、格子间办公室、起居室、走廊和大厅等。而室外UMi和UMa两种场景的区别主要在于发射机位置是否高于周围环境中的建筑物,并且还需额外考虑室外到室内(O2I,Outdoor-to-Indoor)时建筑物材料对毫米波的穿透损耗。
  在确定研究场景后,需要根据选取的参考信道模型设计具体的测量方案和技术指标。通常包括大尺度和小尺度传播模型[5],其中大尺度模型主要描述了接收信号强度随距离的变化情况。由于毫米波高传输损耗的特性,因此测量系统必须具有足够大的动态范围以保证可以分辨有用信号。而小尺度衰落模型则反映了由于环境散射造成的多径效应的影响。为建立毫米波三维信道模型,需要对不同方位角和俯仰角的接收信号进行采集,得到接收功率在空间内的分布情况。能否从信道冲激响应(CIR,Channel Impulse Response)中提取有效径则与发送信号带宽和测量系统的采样率有关,时间分辨率越高,对环境中多径效应的刻画越准确。通过对功率延迟谱(PDP,Power Delay Profile)和功率角度谱(PAP,Power Angular Profile)的测量可以得到信道在时间和角度域色散参数?;谙钟泻撩撞ㄐ诺啦饬拷峁?,发现信号在传输过程中呈现簇特性,即接收信号以相近的到达角(AoA,Angle of Arrival)、离去角(AoD,Angle of Departure)和到达时间(ToA,Time of Arrival)在空间中传播。因此,簇或径的到达率和衰减率、簇内时间和角度色散、Ricean K因子等簇内和簇间参数可以用于准确描述高频无线信道的统计特性。
  3 毫米波信道测量和建模技术
  3.1 毫米波信道测量系统
  信道测量系统是获取CIR、提取信道特征参数的基础,影响着估计参数的精度,而一套完整的信道测量系统主要由测试仪表、天线及线缆、控制转台等几部分构成,其中测试仪表的选取主要由测量原理决定。目前在毫米波频段所广泛采用的信道测量方法主要分为频域法和时域法两种?;谑噶客绶治鲆牵╒NA,Vector Network Analyzer)的频域测量法通过扫频的方式,发送的单频信号经过准静态信道后的接收信号可以看作是对发送信号进行了幅度加权和相移。通过记录VNA的S21参数(1端口为输出,2端口为输入)得到信道的频率响应,再利用逆快速傅里叶变换获得CIR。当VNA单表无法覆盖关心频段时,需要增加上下?频??橐月阋?。图1给出了一种基于高性能VNA的频域测量系统框图,与传统的测量方案相比,其增加了高频矢量信号源作为外扩信号源,可以有效提高信号的发射功率和系统的动态范围。图1中所有的测试仪表和控制转台通过网口或RS-232串口协议相连,便于实现自动化测量。由于在毫米波频段线缆的损耗不可忽略,所以参考信号的存在造成频域系统受限于室内短距离测量。
  相反,时域法通过发送自相关特性良好的宽带信号,在接收端将接收信号与原始信号进行互相关运算,进而直接获得CIR。由于不需要参考信号,时域法解决了频域法覆盖范围受限的问题,并且真正意义上实现了宽带信道测量。图2给出了时域高频信道测量系统的基本原理图。以纽约大学无线中心为代表,在接收端利用滑动相关器在硬件上实现互相关操作,避免了在数字采样和滤波过程中对信号幅度和相位所产生的影响,但无法灵活适用于多个频段。另一种方式则是直接获取基带接收信号,然后在数据预处理过程中解相关,避免了硬件结构的复杂性。随着毫米波通用测试仪表性能的提升,发射机和接收机可以分别利用矢量信号源和频谱仪实现,这种一体化信道测量系统的稳定性和综合测量精度更高。此外,在应用时域法或频域法时都需要考虑收发信机间频率和时间同步的问题,失步将会影响系统去嵌入的结果,进而错误估计系统的时间色散参数??梢越辗⒍送ü呃轮绷⒎⑺偷推低叫藕?,或者增加铷钟利用GPS实现同步,并且为消除系统和线缆的损耗,在测量前需将两根射频电缆直联进行系统校准。

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