高频段信道建模研究现状与展望

张建华　北京邮电大学教授唐　盼　北京邮电大学博士田　磊　北京邮电大学讲师



高频段信道建模研究现状与展望

张建华北京邮电大学教授
唐盼北京邮电大学博士
田磊北京邮电大学讲师

摘要：5G研究工作已在全球范围内展开，ITU也已经给出了5G的愿景。为了满足未来5G的通信需求，需要利用到6GHz以上的连续、宽阔的高频段。而采用高频段移动通信的主要挑战来自其固有的传播特性建模，为了更好地了解这一特性并进行建模，本文调研、总结了目前关于高频段信道无线电波传播特性和建模的研究成果，并指出了未来高频段信道建模需要深入研究的内容。

关键词：高频段；信道建模；测量平台

1　引言

2015年10月26—30日，在瑞士日内瓦召开的2015无线通信全会上，国际电联无线电通信部门（ITU-R）正式将5G命名为IMT-2020，预示着5G的研究和标准化工作正式启动。在其定义的时间表中，信道模型的研究被确认为2016年的工作重点。频谱是无线系统宝贵的资源。根据ITU-R的预测，到2020年5G系统所需的频谱资源将超过1000MHz。然而，6GHz以下的频谱已被各种服务所占据而变得极其拥挤，因此6GHz以上的高频带吸引了越来越多的关注。2015年世界无线电通信大会（WRC-15），确定了未来5G通信系统的候选频段。从表1可以看到高频段将为5G通信提供充足的频率资源。

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表1　6GHz以上侯选频段

为了更好地设计和验证高频段通信系统，并为5G的研究提供技术支持，需要对高频段信道无线电波传播特性进行研究并建模。不同于低频段，高频段的信道特性由于电波频率增加而在各方面发生了变化：主要传播方式，无线电波在信道中的主要传播方式有直射、反射、衍射和散射，电波波长的大小决定了其衍射和散射的能力。在高频段由于电波波长较短，相应的衍射能力较弱而容易被障碍物遮挡，在信道中主要靠直射和反射的方式进行传播；路损，由自由空间路损公式可知，随着电波频率增加，相应的路损值也会增加。而且由于高频信号的散射和衍射能力较弱，在复杂的环境中，用户更难接收到基站发送过来的信号，反映到路损上就是增加了高频信号在该环境下的路损值；时延信息，由于高频信号在信道中的主要传播方式为直射和反射，相应的时延扩展值也会变小。研究信道的功率时延谱就可以发现，多径信号成簇出现，而且有些多径信号几乎同时达到。这就需要信道测量系统具有更高的时延分辨率，才能更好地获取信道的时延特性；角度信息，类似于时延信息，高频信道的角度扩展值相应的也会变小，不过这还有待更多的研究工作来进行验证。

2　高频段测量平台

正因为高频段信道建模的迫切性以及高频段相对低频段在信道特性上发生的变化，需要对高频段信道特性进行大量的研究。一种传统的方式是进行现场测量，利用实测数据得到信道空时频域的参数统计特性，建立基于实地信号采集而得到的信道模型。然而，测量精度及准确性是由测量平台所确定的。据调研所知，目前主要存在两种信道测量平台，即基于矢网仪（VNA）和基于分离元器件。图1显示的是基于VNA的信道测量平台的结构；图2和3描绘的是基于分离元器件的平台。显然，对于后者，该平台的特定组件可以有很大的差异，但是它们具有类似的功能。更重要的是，该平台的结构是相似的。以图2中北京邮电大学的平台为例，该平台配备了一对双锥天线，其能够支持全向单输入/单输出的测量。具体工作过程为：在发射机端，PN序列发生器生成特定的调制伪随机序列。然后，信号经由上变频调制到高频。最后，通过发射天线发射出去。相对应的，在接收端，信号由接收天线所采集，然后经过下变频变成基带信号。最后，信道冲激响应可通过基带信号的滑动相关解调获得。实时结果的显示有助于确定原始测量数据的有效性，而结果最终将以特定的格式进行存储。与此相反，图3的测量平台采用了一对四贴片天线，其通过部署在发射端的高速切换器和接收端的多通道转换器完成4×4双极化MIMO测量。至于基于VNA的信道测量平台，连接发射端和接收端天线的VNA是关键设备。关于测量频率和带宽的选择是在VNA内部完成的。由于VNA只能对频域的信道传输函数进行测量，因此时域上的信道冲激响应应该通过对测量数据的逆快速傅里叶变换得到。通过VNA进行测量的优点是其自同步和设置都比较简单。此外，这种测量的测量频点和带宽也是灵活的。而其缺点是有限的测量距离，因为电缆必须连接在收发天线和VNA相对应的收发接口。与此相反，基于分离元器件的测量平台，其收发端是分离的，因此其测量距离不会被限制。此外，该平台的优势是具有较高的时延带宽积，这使得它在低峰值因子下达到高时延分辨率。

图1　基于VNA的测量平台

图2　配置双锥天线的分离元器件平台

图3　基于分离元器件的MMO平台

3　高频段信道建模研究现状

国际上从20世纪90年代末开始，包括纽约大学、东京工业大学、奥尔托、北京邮电大学、东南大学、芬兰阿尔托大学等科研机构开始对信道建模进行试验性研究。各团队的工作囊括了不同频率、不同场景及基于矢量网络分析仪或分离元器件平台的信道特性参数。

国内方面，北京邮电大学选取的测量场景有办公室、走廊、大厅。在测量中利用了两个喇叭天线以及一个VNA。通过此次测量得到了一些传播特性，如PDP、路损、时延拓展均方根。分析的结果表明，信道参数和信道环境有极强的关系。在大厅、办公室和走廊里的PLEs分别是2.2、1.8、1.2，额外损耗范围从5～10dB。室内场景的时延拓展均方根大约是50ns，它和传播环境的大小有很强的关系。从图4可以看出，尽管LOS成分是信道中的主要成分，但还是有大量的多径成分在传播的过程中产生。总的来说，由于室内场景的空间比较小，RayTracing的建模方式将会更加易于实施。东南大学利用信号发生器和微波网络分析仪搭建了45GHz频段下的信道测量平台，测量平台带宽可以灵活配置最高能达到1080MHz，对室内不同环境下的传播特性进行了测量，分析了45GHz的信道路损，此外还比较了不同带宽下的信道测量结果。

图4　功率延迟谱

国外的芬兰阿尔托大学用扫频仪作为发射机、矢量网络分析仪作为接收机对81～86GHz的无线信道进行测量，场景包括街道峡谷以及屋顶到街道，最大测量范围高达685m。美国纽约大学的Rappaport团队利用分离元器件自主搭建的基于扩频滑动相关的测量平台，通过灵活的频率配置，此平台可以工作在28、38、60以及72GHz，其测量射频带宽高达800MHz，可用于分析路损、时延、角度等参数。此外，还研究了高频信号的穿透损耗、反射特性。基于测量结果，Rapport团队提出了一个适用于城市密集区域的毫米波信道模型，该模型主要是利用空域上的分簇结果进行建模，并在模型中应用除了LOS和NLOS之外的另一种信道状态-Outage，该模型虽然能够与纽约大学的测量结果相吻合，但是模型中并没有考虑时域上的多径时延信息。在28GHz频段ETRI对室内热点，包括机场、火车站，进行了测量。由于测量范围较远，选择了喇叭天线来弥补由高频率带来的高路损。基于测量结果，对方向性路损的路损指数和阴影衰落进行了研究（见表2）。

从表2可以看到，在LOS场景下的路损结果和自由空间的结果很接近。但是NLOS场景下，路损指数在2.68～3.03之间，特别是通过旋转喇叭天线得到所有方向上的路损结果，路损指数达到了3.5～4。这表明高频段无线电波的传播具有很强的方向性，收端接受到的信号主要集中在几个方向上。并且由于喇叭天线的高方向性，当使用喇叭天线进行测量时，能将大部分能量按照天线朝向定向发射。

表2　28GHz室内热点方向性路损

各研究机构已经对不同的高频波段进行了信道测量研究，并取得了一些结果。表3总结了高频段测量活动，可以发现传播特性（如路径损耗（PL）、延迟扩展（DS）、阴影衰落（SF）和角度信息等）是关心的主要问题。在表3中，给出了对包括PLE、DS和SF等一些重要的信道参数测量结果。同样，“/”意思是对应的数据不可用。根据表3，PLE显示对频率的无明显相关性；相反，它严重依赖于传播环境。很显然，在视距（LOS）的情况下PLE接近2，而在非视距（NLOS）情况变化很大。在室内LOS情况下，大厅和办公场景的PLE分布在1.8～2.2之间，而在走廊里由于波导效应PLE只有1.64。室外环境时，LOS情况下PLE是介于1.68～2.55，而在NLOS情况下PLE明显变大甚至达到最高值5.76。一般情况下，在6GHz以下的频率和高频的PL的主要区别是对信号阻塞的敏感性。因此，在高频率的研究需要考虑高频信道模型的阻滞效果，特别是对非视距情况。此外，如高密集的基础设施和中继这种减少阻滞效果的技术应进一步研究。同样，SF也对传播环境有强烈的依赖。SF是在非视距情况下明显比在LOS的情况下大。此外，SF在室外场景中的偏差值比室内场景大。

就DS的均方根值而言，在不同的场景和频率波段有不同的变化。室外环境时，DS的RMS在NLOS情况比在LOS的情况有更大的值。但对于室内场景，11GHz的室内场景的结果显示了相反的趋势。NLOS情况下11GHz 的DS的RMS是20ns，比在LOS情况的值小。此外，以室外LOS的情况为例，随着频率的增加，其DS的RMS均随频率的增加而降低。但对于室内场景，没有明显的依赖关系。因此，需要更多在不同的场景下、不同的频段下的测量结果来研究高频波段延迟特性。

4　高频段信道建模研究展望

随着无线通信信道向复杂化和多样化的不断演进，信道对于通信系统设计的作用越发重要。而在高频段研究领域，国内已经涌现出一大批研究机构、企业针对高频段信道特性展开研究。相比4G信道建模，我国5G信道建模研究领域一个巨大的进步就是企业也纷纷重视此基础研究，并投入大量人力和物力支持，如中国移动研究院、华为、大唐、中兴等公司。目前的研究已经取得了很大的成果，促进了未来5G高频段通信的实现。但由于高频段信道特性研究在技术和平台上的限制，未来仍需要在以下几方面展开深入研究。

表3　各频段参数表

4.1信道建模方法研究

目前，国际主流的建模思路还是基于几何的统计模型（GBSM），如欧洲2012年颁布的面向5G的信道模型COST2100就是延续了GBSM模型的思路，增加了多个散射体之间的对偶关系（TwinCluster）来描述除了镜面反射波之外的多径分量。GBSM相比确定性模型复杂度低，但缺点是它不能准确地预测某个特定地理位置上的信道脉冲响应CIR，因此对很多物理现象很难解释，另外簇位置采取随机分布，很多情况下与实际环境偏差太大。因此，确定性模型也逐渐引起了大家的关注，此模型主要依据电磁场理论，利用地理数据和形态信息确定Maxwell方程组的解或者近似解，以确定某个地理位置的准确CIR。例如，中兴公司一直在基于射线跟踪（Ray-tracing）方法来给出毫米波的传播特性，欧洲的METIS项目也提出了类似想法的基于地图的建模（Map-based）。但是这种建模方法的主要问题在于计算量大而且依赖于原始地理信息的精确程度和近似算法的准确程度。因此，针对5G新需求，特别是高频段的应用研究，需要一个更加可行并能够真实反映高频段无线信道特性的模型。近期在28GHz频段室内办公室场景进行了测量（见图5），星号代表发射端的位置，圆点代表接收端位置。基于测量结果，研究了信道中簇的分布情况。图6是对P2点和P9点的多径信息在时域和空域上的分簇结果，同一种颜色代表一个簇，颜色越深代表功率越大。对应到测量场景图，分析得到在P2点，B、C簇的多径信号主要来自柱子的反射，A、D簇则主要是由直射径组成的。而在P9点，A、B、C簇的多径信号主要来自墙壁两边的反射。由此可以看到环境中的散射体与簇存在一定的对应关系。因此，为了走出传统信道建模的思路，探索新型的信道建模方法，可以考虑结合统计性建模方法和确定性建模方法，研究环境中散射体与簇之间的对应关系。

4.2独立于天线的信道传播特性和模型研究

图5　测量场景

图6　分簇结果

信道的传播特性应该与天线的类型无关，应通过测量平台收集其总体特性。然而，在大多数的测量平台中，高方向性的喇叭天线被用来作为发射和接收天线。这种天线只能以窄波束发射和接收多个信号路径，从这样的测量数据很难得到所有方向完整和详细的传播路径。图7显示了28GHz、800MHz带宽的情况下，利用喇叭天线和双锥天线测量得到的PDP。很显然，如果从接收信号的峰值看，双锥天线具有比喇叭天线更多的多径分量。信道特性（多径数、时延等）将不同，基于这样的随机值得到的信道模型的精度也会受天线类型影响。考虑到低的工业制造难度和高增益的喇叭天线的成本，一些研究人员试图用定向测量数据重建全向的信道信息。例如，全向的接收功率是通过接收天线在方位和俯仰平面的半功率波束宽度步进增量得到的特定唯一指向角的功率来合成。为了刻画的延迟信息，通过利用在相同的延迟但来自不同方向的PDP的最大峰值功率选择的MPC来合成PDP。虽然，所有这些方案都展现出良好的结果，但在一定程度上，有一个严格的要求，例如保持在定向测量过程中的信道是静态的。因此，为了给高频带的移动提供可靠的模型，用全向天线收集的信道数据更好，那样可以得到独立于天线的模型。

图7　PDP比较

4.3全向天线的测量研究

目前，大部分高频段测量都用到了喇叭天线，利用喇叭天线的高增益特性来拟补高频信号由于高路损带来的影响，从而增加测量范围，提高非视距条件下的测量能力。但是这也导致了测量得出来的结果是非全向的，而这些结果无法满足信道建模对信道全向特性的要求。虽然已有论文论证了通过旋转喇叭天线得到的结果在一定程度上和通过空间迭代最大期望估计（SAGE）算法估计出来的结果相吻合，但是并没有量化两者之间的差别，以及对模型和系统的影响。相应的就还不能说明喇叭天线的测量结果能直接代替全向天线的测量结果。另外，在使用频域上的方法来研究视距条件下的莱斯因子时，喇叭天线测量的时延扩展结果会相对偏小，这会很大程度上影响莱斯因子的准确性。因此，为了获取完整的信道信息，还需要利用全向天线进行测量。

4.4 MIMO特性研究

研究高频段的MIMO特性，多天线测量平台是必要的。众所周知，高频信号的小波长使小型化天线能被大量放置在小尺寸物体上从而形成具有很高的增益的电控阵列。已被证明，天线数目为256的虚拟大规模MIMO在20GHz实现20Gbit/s的吞吐量相比天线数16基于链路级仿真传统MIMO可以减少17dB所需的信号噪声比。因此，基于高频大规模MIMO波束成形对补偿较大的路径损耗和降低总发射功率是有吸引力的。然而，以往的研究主要集中于虚拟MIMO设置单天线的信道测量系统，例如旋转喇叭天线来模拟全向信道。这样的虚拟测量是被限制于静态信道环境。此外，在虚拟天线之间的严格的相位同步是必要的。基于这样的测量方法，给出了一个类似3GPP的静态信道模型，该模型是从测量得到的功率时延谱、角度功率谱以及3D射线跟踪方法得到的绝对时延信息中提取出来的。此外，试图通过旋转喇叭天线的测量数据并利用SAGE算法提取角度信息。然而，信道特性中存在和天线之间由天线波束宽度限制的耦合。该模型也仅限于静态环境。在高频段，为了用更小尺寸的天线阵列提供更高的数据速率服务，在未来的高频通信中需要采用多天线技术。因此，研究多天线条件下存在移动散射体时信号传播特性势在必行。是德最近成立了一个在发射机和接收机配置500ns切换速度的高速切换开关和相位阵列天线的测试平台。基于这样的平台，角度的信息可以在信道相干时间内收集和并支持动态环境。如果天线的数目可以增加，那么就可以提取高分辨率的角度信息，这有利于高频段的信道建模。

5　结束语

在移动通信中使用高频信号的解决方案以满足移动数据服务的探索需求吸引了越来越多的关注。本文介绍了最近几年高频段的测量与建模工作，总结了现有对高频信道传播特性的最新研究成果，涉及频段包括11、28、45、60、70、73和81～86GHz；探讨了在不同频段下无线电波的传播特性，并进行了分析。最后，本文针对高频信道测量与建模的现状，提出了未来工作需要考虑的问题，包括建立多天线测量平台和独立于天线的信道模型等，解决这些问题是未来建立精确高频信道模型的重要基础。

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Status and prospect of high frequency band channel modeling

ZangJianhua，TangPan，Tian Lei

Abstract：Thefifth generation mobile communication （5G）research has been launched worldwide. InternationalTelecommunication Union （ITU） has also given a vision of 5G. In order to meet the communication needs of 5Gin the future， high frequency bands beyond 6GHz， which are continuous and wide， need to be used. The major challenge for applying the high frequency to mobile communication comes from the modeling of its inherent propagation characteristics. In order to better understand the characteristics and model， we summarize the current research on propagation characteristics and modeling of high frequency channel， and point out the research fields neededmoreefforts in the future.

Keywords： high frequency band； channel modeling； measurement platform

Outline and prospect on 5G high frequency band study based on the new agenda item 1.13 of WRC-19

Zhu Ying，Xu Ying，Fang Jian

Keywords：WRC-19AgendaItem1.13；5G；highfrequencyband （

Abstract：Different targeted frequency bands for different scenarios was analyzed.And the opportunities and challenges of 5G applications in high frequency bands was illustrated. By introducing the result of 2015 World Radiocommunication Conference（WRC-15），theestablishmentandobjectivesofnewagendaitem1.13of WRC-19wasdiscussed，meanwhilethe relevantfuturestudiesundertakenbydifferentITU-Rworkinggroupswereintroduced.

收稿日期：（2016-02-28） 2016-03-15）