室内60 GHz毫米波无线信道参数及其相关性研究

室内60 GHz毫米波无线信道参数及其相关性研究

耿绥燕1,2刘盛尧1,2洪伟2赵雄文1,2

(1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206;2.毫米波国家重点实验室,江苏 南京 210096)

摘要基于典型的室内走廊环境,对60 GHz毫米波通信信道参数及其相关特性进行了研究.在视距和非视距条件下,分析了信道参数包括多径个数、均方根时延扩展、莱斯因子、阴影衰落的特点及其分布模型, 研究了信道参数之间的相关特性.结果表明:在视距条件下各参数之间普遍具有较强的相关性,而在非视距条件下只有均方根时延扩展和多径个数之间的相关性较强.利用信道参数的相关特性可从一个参数来预测另一参数,为60 GHz无线通信系统的设计提供有用信息.

关键词毫米波60 GHz;信道参数分布模型;参数相关特性

中图分类号TN958.93

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)04-0808-06

AbstractIn this work, indoor channel parameters and correlation properties are studied based on experimental measurements performed at 60 GHz in typical corridors for both line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) scenarios. Specifically, channel parameters like number of paths, root mean square(RMS) delay spread, Rician K-factor, and shadow fading are extracted from measurement data, and parameter distributions are analyzed further. Channel parameter correlation properties are also studied. Results show that in the LOS corridor channel parameters are highly correlated, in the NLOS corridor only RMS delay spread and number of paths are correlated highly. The excellent correlation property can provide useful information in predicting channel parameters from one another for design of 60 GHz wireless communications systems.

收稿日期：2014-09-19

作者简介

Mm-wave 60 GHz indoor channel parameters and

correlation properties

GENG Suiyan1,2LIU Shengyao1,2HONG Wei2ZHAO Xiongwen1,2

(1.InstituteofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectric

PowerUniversity,Beijing102206,China;

2.StateKeyLaboratoryofMillimeterWave,NanjingJiangsu210096,China)

Key words Mm-wave 60 GHz; channel parameter distribution; parameter correlation properties

资助项目: 毫米波国家重点实验室开放课题经费(项目编号：K201517)

联系人： 耿绥燕 E-mail：gsuiyan@ncepu.edu.cn

引言

近年来,随着微波段无线通信频谱资源的紧缺,可提供约7 GHz免许可带宽频谱资源的60 GHz毫米波受到越来越多的关注. 同时,各种高清多媒体和高速率无线通信设备的大量出现,带动了无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)和个人局域网(Wireless Personal Area Network,WPAN)的快速发展.爱立信认为,未来五年全球移动宽带用户将会达到固定宽带用户的 5 倍,数据流量会增长 9 倍,这意味着只有高速传输的通信网才可满足消费者多种个性化的需求,而60 GHz毫米波通信被公认为未来无线短距离通信最具潜力的技术之一[1].

目前,国际上针对60 GHz频段的标准有ECMA-

387, IEEE802.15.3c & Wireless HD以及IEEE 802.11ad (VHT60) & WiGig Alliance.国内对于60 GHz标准的研究也逐渐开展了起来. 2010年3月,无线个域网项目组(PG4)成立,拟定IEEE 802.11ad作为中国标准蓝本,随后与IEEE 802.11工作组形成了正式合作关系. 在2012年9月,成立了IEEE 802.11aj任务组,针对中国毫米波频段制定下一代无线局域网标准,并在2013年2月19日成立了IMT-2020(5G,第五代移动通信系统)推进组,进一步推动了5G技术中60 GHz技术的研究和标准的制定,标准计划于2014年底制定完成[2].

信道实验及参数分析在系统可行性设计研究中是非常重要的.例如,信道小尺度衰落特性中的多径扩散程度决定了接收机的结构、均衡复杂度和通信能力.信道多径数目影响收发天线的方向性和极化方式的选择.而大尺度衰落特性反映视距(Line-of-Sight, LOS)和非视距(Non-LOS, NLOS)通信的传输范围.各种物体、材料等对60 GHz电磁波的吸收、反射、散射程度,都决定了60 GHz室内通信的性能[3].目前国外对于60 GHz毫米波信道的研究比较多,比如文献[4]中,对于毫米波在未来5G移动通信中的应用给出了总结,并通过研究3～300 GHz毫米波传输的路径损耗,多径分量,多普勒特性等常用参数特性设计出了毫米波移动宽带系统等.国内对毫米波信道特性的研究较为有限.本文是文献[5]的后续学习,分析了60 GHz无线信道参数及其分布特性,研究了信道参数之间的相关性能并给出了预测信道参数的模型,为60 GHz无线通信系统的设计提供科学依据.

1信道测量环境

室内60 GHz毫米波无线信道测量环境为一典型的办公室走廊环境[6],见图1.测量中,发射天线(TX)位于60 m走廊的尽头,接收天线(RX)分别沿视距(A-B, 52 m)和非视距(M-N, 25 m)路径移动.众所周知,60 GHz无线通信系统最大的挑战是其路径损耗高,但这可用高增益天线来弥补传播过程中巨大的路径损耗,同时选择不易产生极化电流,避免能量大幅衰减的垂直极化方式,可保证信号的有效传播[7]. 本实验中天线采用的是定向喇叭天线和全向天线,即在TX处使用定向喇叭天线,而在RX端沿LOS和NLOS路径分别采用的是定向天线和全向天线.图2为测试中所用的定向天线,其尺寸分别为A=36.2 mm,B=27.8 mm,C=69.2 mm.定向天线的半功率角在H-平面和E-平面分别为9.1°和9.8°.定向天线的极化方式为垂直极化.60 GHz无线信道测量参数见表1,更具体的实验配置见文献[5].

图1　室内走廊视距和非视距测试环境

图2　测试系统中的定向天线

参数 数值 载频61.7GHz带宽60MHz发射功率+14dBm发射天线增益22.7dB(喇叭天线)接收天线增益5dB(全向天线)TX/RX天线高度1.25m/1.23m定向天线垂直极化

260 GHz信道参数及其分布特性

信道参数和模型的研究在无线系统设计中非常重要.比如,描述时间色散特性的均方根时延扩展,会影响无线高速系统的性能.多径个数是评估调制性能和均衡技术的重要参数[8].莱斯因子用于分析无线系统的性能质量.阴影衰落直接影响到无线通信覆盖面和系统的可靠性能评估等.

多径个数(Number of Paths, NPs)为功率延迟分布(Power Delay Profile, PDP)在延时域上峰值的个数. 值得一提的是,功率动态范围的选择对多径个数的结果有很大的影响.根据具体的测试脉冲响应,本文在LOS环境下选择30 dB的固定值进行去噪,而在NLOS环境下选择20 dB和15 dB进行去噪[9].

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莱斯因子(K-factor,K)定义为信道中主信号的功率与多径分量的功率之比,表达式为K(dB)=10 lg(A2/2σ2),其中A为主信号幅度的峰值,2σ2为散射路径的平均功率. 莱斯因子通常用矩量法[10]来估算,本文中的K因子也是用矩量法得到的.

阴影衰落(Shadow Fading, SF) 是信道大尺度特性中路径损耗测量值和理论值的分贝差. 正的阴影衰落转换成路径衰减,负的阴影衰落转换成路径增益.测量[5]中表明60 GHz系统的阴影衰落服从对数正态分布, 即SF(dB)=N(0,σ),其中σ为标准差.σ值的大小取决于不同的测试环境与频率,频率越高σ值越大.

信道参数比如多径个数,均方根时延扩展,莱斯因子,以及阴影衰落在文献[5]中进行了分析研究,本文对这些参数的分布情况做了更具体的研究.即在LOS和NLOS路径下,运用正态 (normal),对数正态 (log-normal),生存 (logistic)[11]和对数生存(log-logistic)[12]等分布来拟合实验数据.值得一提的是logistic和log-logistic在经济学中是经常用到的分布曲线.当均值和标准差分别为μ和σ时, logistic分布的概率密度函数(pdf)表达为

(1)

(a)　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　(d) 图3　 LOS路径下信道参数拟合分布

从图3可看出,多径个数,均方根时延扩展,莱斯因子,阴影衰落这些参数在此测试环境的LOS条件下,服从对数正态,对数生存,正态,生存分布;而在NLOS条件下服从生存,对数正态,生存和正态分布.表2给出了在LOS和NLOS路径下的拟合分布参数. 但是,我们需要更多的实验数据来验证以上信道参数的分布情况,为60 GHz无线通信系统设计提供科学依据.

(a)　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　(d) 图4　NLOS路径下信道参数拟合分布

对数正态对数生存正态生存NPsLOSμ=2.00σ=0.34NLOSμ=7.10,σ=1.10DSLOSμ=3.51σ=0.35NLOSμ=3.83,σ=0.27KLOSμ=15.15σ=6.48NLOSμ=5.31,σ=2.32SFLOSμ=-0.17σ=1.78NLOSμ=0.61σ=2.07

3信道参数的相关性

研究信道参数相关性的重要性在于可以通过已知量或容易生成的信道参数来预测其它参数.为了研究四个参数之间的相关性,我们首先画出NPs,DS,K和SF分别沿 LOS和NLOS路径的变化情况如图5(a)、5(b)所示.由图可以看出NPs,DS,SF的波峰与波谷总是出现在相同的时间位置,说明它们具有高度的相关性. 而K因子却恰恰相反,这说明K因子与其他参数NPs,DS,SF之间具有负相关性.

表3列出了在LOS和NLOS条件下信道参数的相关系数.从中我们可看到在LOS路径下信道参数的相关系数要普遍高于在NLOS路径下的信道参数.在LOS路径下这四个参数之间的相关系数的绝对值大于0.7(最低的相关系数为DS和SF之间的0.685 9).其中NPs和DS之间的相关系数最高,在LOS和NLOS路径下分别达到了0.928 8和0.895 9.这说明在多径信道中时延扩展决定于多径个数,即多径个数越多时延扩展越大.K因子与其他参数之间的负相关性可以解释如下:K因子是信道中视距功率与其他多径射线功率之比,K因子越大视距功率就越强,而较强的视距功率会抑制其他多径分量,从而导致较小的多径个数、传播时延和阴影衰落.在NLOS路径的情况下,K因子和NPs,DS和SF之间的相关系数较小,分别是-0.358 8,-0.365 1和-0.257 9,这实际上表明了在直射路径消失的情况下K因子的不确定性.文献[5]中认为在非视距的情况下,衍射是一个重要的传播机制,因为通过混凝土或砖墙时传输损耗是非常高的.因此,在设计60 GHz无线系统时建筑物的环境、结构应为重要的考虑因素.

(a) LOS路径

(b) NLOS路径 图5　信道参数随收发距离的变化

信道参数LOSNLOSlg(NPs)&SFlg(NPs)&lg(DS)lg(NPs)&KSF&lg(DS)lg(DS)&KK&SF0.76380.9288-0.80530.6859-0.7425-0.70960.66960.8959-0.35880.6482-0.3651-0.2579

4信道参数预测模型

信道参数之间存在较强的相关性表明我们可通过建立数学模型来预测信道参数.在视距条件下各信道参数均都具有较高的相关性,而在非视距条件下只有DS和NPs的相关性较强,而且多径个数可以直接反映多径信道特性,换句话说, 多径个数与其他信道参数的关系可用线性模型描述,即:y=a*x+b,其中x变量代表多径个数NPs,y变量表示其他信道参数,分别为均方根时延扩展DS,莱斯因子K,以及阴影衰落SF.

信道参数及预测模型见表4.在预测模型中a代表信道参数之间的正、负相关性,例如a为正表示两信道参数存在正相关性,反之存在负相关性.表4中各参数均以dB为单位来计算的,σ参数代表线性回归线的标准偏差,σ值较小表明该预测模型与测量数据具有良好的统一性.表4中给出的参数只适用于文中所述的测量环境,但是对于其他环境也有一定的参考价值.在我们以前的工作[13]中对信道参数在LOS条件下的相关性做了分析说明, 本文进一步研究了信道参数的相关性、在LOS和NLOS不同条件下参数预测模型的特性,为未来60GHz无线系统的设计提供了参考.

表4　信道测量参数及预测模型

5结论

基于60 GHz室内走廊测试环境,本文分析了在LOS和NLOS条件下信道参数及其分布的特点,研究了信道参数之间的相关系数及相关特性.分析结果表明对数正态,对数生存,正态,和生存分布可用来描述信道多径个数,均方根时延扩展,莱斯因子,以及阴影衰的分布情况.在视距条件下信道参数之间普遍具有较强的相关性,而在非视距条件下只有均方根时延扩展和多径个数相关性较强.莱斯因子与多径个数,均方根时延扩展和阴影衰落存在负相关性.通过建立信道参数预测模型,可由一个已知或容易生成的参数来预测其它参数,为60 GHz无线通信系统的设计提供有用信息.

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耿绥燕(1966-),女,华北电力大学电气与电子工程学院副教授.主要从事UWB短距离通信技术及应用,毫米波MIMO 无线通信信道实验与建模,无线通信系统链路分析,电磁场理论及其应用等研究和教学工作.

刘盛尧(1990-) 女,安徽人,现为华北电力大学通信与信息系统专业硕士研究生,主要研究方向为短距离无线通信和毫米波技术应用等.

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