室内6.05GHz和2.45GHz多输入多输出无线信道特性对比分析

张继良 汪 洋 黄晓敏 苗广冬 张乃通

（1.哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东 深圳518055；2.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨150001）

引 言

随着3G移动通信进入商用阶段，能够实现高速数据传输的下一代无线移动通信系统成为了国内外研究者共同的研究重点.作为下一代无线移动通信系统的重要支撑技术，具有高频谱利用率和高可靠性的多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术［1-2］已经被第三代移动通信合作计划（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）［3］、WINNER工作组［4-5］和IEEE802.11［6］工作组等纳入通信标准.

高速数据传输需要更多的频谱资源［7］.然而，目前6GHz以下的低频段频带拥挤、业务负荷大.为了满足低干扰和高带宽的需求，将MIMO通信系统向高频段扩展将会成为未来移动通信的重要研究方向之一.

电磁波工作频率不同，MIMO信道特性将存在较大差异，这突出体现在MIMO信道的传输损耗、时延扩展和空间相关等传播特性的变化.这些特性对基于MIMO技术的室内移动通信产生决定性的影响.因此，在研究高频段无线通信体制之前，需要通过实际测量对高低频段的差异进行深入分析.高速数据传输业务往往发生在室内，因此我们主要关注室内高频宽带MIMO无线移动通信系统.

迄今为止，不同频段的信道特性对比分析大多基于单入单出移动通信系统（Single-Input Single-Output，SISO）.AT＆T贝尔实验室的 Vinko Erceg采用射线跟踪和几何绕射理论对街角环境下900 MHz、2GHz和6GHz的传输损耗特性进行建模并用实际测量进行了验证［8］.日本NTT DoCoMo的Yasuhiro Oda等在陆地移动通信的背景下测量并对比了 日 本 市 区 场 景 下 457.2MHz、2.2GHz、4.7 GHz、8.45GHz和15GHz等频段的传输损耗特性和时延扩展特性［9］.加拿大通信工程研究中心的R.J.C.Bultitude等对比了市中心环境下1.9GHz和5.8 GHz无线信道的传输损耗和时延扩展［10］，并利用对比结果分析了B3G扩频移动通信的误码特性［11］.瑞典Delft University of Technology的Gerard J.M.Janssen等人测量和对比了室内环境下2.4 GHz、4.75GHz和11.5GHz频带无线信道的传输损耗特性和试验扩展特性，并给出了三个频带下的误码率对比分析［12］.

针对信道的空间特性，当前已有研究人员对不同建筑结构室内环境MIMO无线信道进行了测量和特性分析.R.Stridh测量了办公环境下5.8GHz频段MIMO信道的空间相关特性，并分析了该环境下的信道容量［13］.H.T.Nguye测量了办公环境2.14GHz非视距窄带MIMO信道的空间相关特性和时间相关特性［14］.K.Yu测量了办公环境和实验室环境5.2GHz非视距MIMO信道空间相关特性并建立了相应场景下的克罗内克信道仿真模型［15］.J.M.Molina-García-Pardo在2.45GHz频段测量了地下室环境下多种场景MIMO无线信道的传输损耗、时延扩展和空间相关等特性［16］.然而，由于电磁参数存在差异，不同测量环境下的MIMO信道特性没有可比性，无法进行不同频段信道特性对比.迄今为止，在同一室内场景下对不同频段MIMO无线信道特性进行对比分析尚不多见.

本文采用基于网络分析仪搭建的MIMO无线信道测量平台，在典型室内场景下分别测量2.4～2.5GHz和6.0～6.1GHz频段 MIMO无线信道的传输损耗、时延扩展、空间相关等信道特性.在测量的基础上，通过对比分析两个频段信道特性的差异，阐明高频段无线空时信道特性为系统设计带来的新问题.

1 信道特性分析

1.1 传输损耗

传输损耗特性反映了电波传播过程中的信号功率衰减情况，其直接决定传输距离和网络节点覆盖性能.MIMO无线信道的传输损耗定义为

在自由空间下，传输损耗为

式中：d为收发天线之间的距离，m；f为发射频率，MHz.为了明确6.05GHz频段与2.45GHz频段的差异，引入传输损耗差值的概念，其计算方法为

式中：LP，6.05GHz为6.05GHz传输损耗；LP，2.45GHz为2.45GHz传输损耗.在自由空间，2.45GHz和6.05GHz传输损耗差值为

式（4）表明在仅有直射径的前提下，高频段的传输损耗比低频段大7.85dB.然而，在实际场景下，不仅有直射径存在，还存在折射径、反射径、绕射径和散射分量等.这使得高低频的传输损耗差不再是一个固定的数值.

1.2 时延扩展

无线电波传播的多径效应使得信道冲激响应存在时延扩展，其特性由时延功率谱（Power Delay Profile，PDP）描述.PDP定义为无线信道多径成分在时延域上的分布［4，18］为

式中h（i，j，τ）为第i根接收天线与第j根发射天线之间的信道冲击响应.该参数由频率响应经过离散傅里叶反变换（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）获得

式中w（f）为布莱克曼窗函数，用以消除频域截断带来的影响［19］.

均方根时延扩展（Root Mean Squared-Delay Spread，，RMS-DS）是用于描述信道时延扩展程度的参数，其定义为

受散射程度和天线间距的限制，MIMO天线阵列的天线之间存在一定的相关性，这种相关特性可以用空间间隔相关系数描述.相关系数的大小直接影响MIMO无线通信系统的信道容量和分集特性.

根据克罗内克相关信道模型［15，21］，空间间隔相关矩定义为

归一化，可得空间间隔相关系数：

2 信道测量方案

2.1 测量平台

基于矢量网络分析仪搭建了支持2.45GHz和6.05GHz两个频带，带宽为100MHz的宽带 MIMO信道测量平台.在100MHz的带宽内，平台对每个频率传递函数采样400次，频域采样间隔为250kHz.平台的时延域分辨率为10ns，可测最大时延为4μs.平台结构和各部分器件照片如图1所示.表1给出了测量平台的参数.

表1 测量平台参数

矢量网络分析仪采用扫频的方式测量端口间的幅度响应和相位响应［17］.矢量网络分析仪发射的扫频信号经功率放大器放大后通过发射天线发射，再经无线信道被接收天线所接收、经低噪放放大之后送入矢量网络分析仪，从而获得信道的频率响应.两个频带下的功率放大器和低噪声放大器增益均为60dB.发射天线阵列和接收天线阵列为均匀线阵，阵元间距为0.5λ（2.45GHz时阵元间距6cm，6.05 GHz时阵元间距2.5cm），两个频带下的天线增益均为2.5dBi.平台收发两端均配备4根相同的全向天线，天线通过单刀四掷射频开关进行切换.计算机直接控制射频开关实现4×4收发天线之间的自动切换.此外计算机还负责协调测量过程并存储测量数据.网络分析仪和放大器之间均采用长度25m的低损耗稳相电缆进行连接.

2.2 测量场景

测量工作在哈尔滨工业大学深圳研究生院A栋4楼开展.图2（a）为测量环境平面图.Tx为发射天线的位置，位于狭长走廊的西侧.M1和M2为接收天线测量点分布范围，M1为走廊环境中60个接收天线测量点，M2为教室环境中90个接收天线测量点.走廊长约为35m，宽约为3m，墙和地板为混凝土结构，天花板为金属板.测量过程中无人员走动.

在室内覆盖场景中，接入点往往被放置于走廊环境［4］.因此本实验针对两种场景：

场景A：走廊-走廊视距（Line-of-Sight，LOS）环境

当接收天线位于M1时，信号经历的是走廊-走廊LOS传播，测量链路共66条.如图2（b）所示.

场景 B：走廊-实验室（Non-Line-of-Sight，NLOS）环境

当接收天线位于M2时，信号经历的是走廊-教室NLOS传播，测量链路共84条.如图2（c）所示.

对于这两种场景下的每一条链路，都利用前文介绍的信道测量平台分别进行2.4～2.5GHz和6.0～6.1GHz的4×4MIMO信道测量.在测量过程中两个频带的测量环境和测量位置完全相同.

3 测量结果分析

3.1 传输损耗

通过对测量数据进行最小二乘线性拟合，得到两个场景下2.4～2.5GHz和6.0～6.1GHz传输损耗分别为：

传输损耗差值为：

传输损耗和传输损耗差值分别如图3、图4所示.由图可知，ΔLP为正值，即高频段的传输损耗大于低频段.在LOS场景下，由于墙体对6.05GHz电波的反射系数比2.45GHz的大导致波导效应增强，ΔLP随距离的增大而降低.这导致在室内LOS场景下，高频段无线通信系统的远近效应弱于低频段，降低了对通信系统动态范围的要求.在NLOS场景下，高频电磁波在有耗介质中穿透能力减弱，墙等遮挡体对高频电磁波的损耗大于低频电磁波，ΔLP比LOS场景大10dB左右，即6.05GHz频段的同频干扰比2.45 GHz小约10dB.这表明房间对高频段无线电波具有更好的隔离作用，在频谱资源有限的情况下，高频段移动通信系统在室内环境下具有更高的频谱利用率.

因此，在引进高频段进行移动网络覆盖时，需要在同样发射功率的前提下降低约60%的小区覆盖范围.小区覆盖范围降低使得每个高频段室内接入点能够服务更少的用户，进而提高移动通信系统的频谱利用率.

3.2 时延扩展

根据式（8）可得RMS-DS概率分布函数，如图5所示.在LOS场景下6.05GHz频段RMS-DS的平均值为13.1ns，2.45GHz频段 RMS-DS的平均值为11.9ns.在NLOS场景下6.05GHz频段RMSDS的平均值为24.9ns，2.45GHz频段 RMS-DS的平均值为22.5ns.根据ITU-R P.527-3［20］报告给出的2.45GHz和6.05GHz频段下干燥泥土的介电常数和电导率，6.05GHz频段的无线电波反射系数比2.45GHz大0.1左右.大反射系数导致6.05GHz反射径相对直达径的强度高于2.45 GHz.6.05GHz的时延扩展比2.45GHz高10%～11%.

在码间干扰和信道估计精度相同的前提下，6.05GHz高频段无线通信的码速率和导频间隔需要比传统的2.45GHz频段降低10%.

图5 均方根时延扩展的概率分布函数

3.3 空间相关

根据式（9）可得6.05GHz和2.45GHz频段MIMO信道的空间间隔相关系数平均值，如图6所示.由图可知：在LOS场景下，6.05GHz高频段空间间隔相关系数在天线间距为0.5λ、λ和1.5λ时均高于2.45GHz.表明在采用高频段通信系统进行室内LOS覆盖时，需要增加天线的间距以降低天线之间的相关性来取得更大的信道容量或更高的分集增益.值得注意的是，6.05GHz频段波长约为5cm，2.45GHz频段波长约为12cm.由测量结果可知，间距5cm（6.05GHz频段下的λ）的6.05GHz频段空间间隔相关系数比间距6cm（2.45GHz频段下的0.5λ）的2.45GHz频段空间间隔相关系数略小.因此，在LOS场景下，6.05GHz能够采用更小的天线间距提供更高的信道容量和分集增益.

表2 6.0～6.1GHz与2.4～2.5GHz信道参数对比

与LOS场景不同，在NLOS场景下，6.05GHz高频段空间相关系数与2.45GHz差别小于0.05.由于6.05GHz频段的波长小于2.45GHz，因此，室内NLOS覆盖场景下，6.05GHz高频通信系统提供与2.45GHz频段相同的信道容量和分集增益时，天线间距仅为2.45GHz频段的42%.

综上，为方便在数值上比较两个频段的信道参数，6.0～6.1GHz与2.4～2.5GHz信道传输损耗参数γPL、LP，0、时延扩展参数τRMS在不同测量位置的平均值以及空间相关系数ρRx和ρTx在不同测量位置的平均值和分别归纳于表2.除方便比较以外，表2中的信道参数还可为高频段MIMO系统设计和性能仿真评估提供参考.

4 结 论

基于网络分析仪搭建支持2.45GHz和6.05GHz两个频段的4×4MIMO信道测量平台.基于该测量平台在典型室内场景下进行了高低频段MIMO无线信道测量和对比分析.分析结果表明：相对2.45GHz频段而言，6.05GHz频段同频干扰低，在房间之间有较高的隔离度，更适于室内热点单房间覆盖.相比2.45GHz频段，6.05GHz频段无线通信需要降低码速率和导频间隔.在相同的天线间距下，6.05GHz高频段能够提供更高的信道容量和分集增益，更适合采用MIMO技术.这些结果为高频段无线通信领域的深入研究奠定了基础.

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