基于15 GHz的室外频段信道测量与分析

金凌星，孙建红

(南京理工大学，江苏 南京 210094)

基于15 GHz的室外频段信道测量与分析

金凌星，孙建红

(南京理工大学，江苏 南京 210094)

现代通信技术的一个重要特点是计算机技术与通信技术的紧密结合。随着无线移动通信的快速发展，传统移动蜂窝频段的频谱资源面临严重短缺的局面，开展着眼于高频段的开发与利用已经刻不容缓。为此，应用基于PN序列的时域测量系统，在15 GHz频段的室外环境下,以波束宽度为10°、增益为25 dBi的标准增益喇叭天线和增益为5 dBi的垂直极化的双锥全向天线为研究对象进行了直视场景的信道测量；测量数据的处理采用基于floating intercept模型的滑动相关算法，应用最小二乘法建立了距离与路径损耗之间的相互关系，并计算获得了室外环境下路径损耗指数和阴影衰落，由此分析了传播信号的大尺度特性。实验测量结果表明，15 GHz频段在室外环境下的良好传播特性，在未来5G通信中具有较为显著的应用前景。

5G；高频段；室外环境；信道测量

0 引 言

计算机技术的内容非常广泛，主要包括计算机软件、计算机硬件、计算机接口以及计算机通信等几个方面。现代通信技术的发展已经离不开计算机技术的支持，而计算机技术的快速发展也能进一步推动现代通信技术的改进，计算机通信技术和信息技术已经很好地展现了两者间密不可分的关联。在“信息高速公路”的进展工程中，计算机技术为通信技术提供了强大的技术后盾，发挥自身的技术优势来支持图像、文字和声音的有效传递。利用计算机技术对通信信道进行了测量和特征分析。

随着移动互联网的快速发展和物联网的不断普及，通信业务的需求将呈现爆发式增长，并导致对无线电频谱资源的需求持续上升，而6 GHz以下的频段资源已经日趋拥挤，因此国内外研究机构开始着眼于高频段信道的研究和应用[1-4]。在2G通信与3G通信繁荣发展的几十年里，至今已经占用了2 GHz以下，最适合移动通信发展的大部分频谱，其他可用的频谱越来越分散，加之频谱资源的唯一性及其使用与分配上存在太多的历史继承性，使得3G乃至6 GHz以下都很难再找到一段合适的完整频谱，供4G和未来通信使用。相反，在6～15 GHz这一频段，世界范围内存在着大量可用于移动通信的频谱资源，还未被完全开发[5-6]。

高频段(>6 GHz)为5G的候选频段，目前，关于15 GHz频段的研究很少，且大部分测量方法为频域信道测量方式[7]。文献[8]用矢量网络分析仪进行15 GHz的信道测量并分析了其大尺度特性，其采用的测量方法为频域信道测量方式。文献[9]针对室内封闭走廊环境，研究了14 GHz频段的宽带无线信道时间和空间特性。文中采用基于PN序列的时域信道测量，在15 GHz频段对室外环境的直视场景(LOS)和非直视场景(NLOS)进行了测量，分析了信道的大尺度特性,验证了高频段通信的可能性。

1 数据处理与分析

1.1 测量方法

目前主流的信道测量共分为基于时域测量信道的冲激响应和基于频域测量信道的频率响应两种方法。频域信道测量采用扫频式测量，因此每一次测量会消耗比较长的时间，有可能造成测量时间超出信道的相关时间，从而导致在测量过程中所测量的信道已经发生了新的变化，最终无法有效识别多径信号和噪声以及时延等信道参数。不过时域测量则因为测量速度快、耗时短，可以避免这个问题[10]。

测量采用基于PN序列的时域信道测量系统，在发送端由PN序列产生器产生PRBS11序列作为信号源。PN序列具有良好的自相关特性和非常差的互相关特性，长度为2 048。

使用计算机、AWG任意波形产生器、PSG矢量信号产生器、PXA信号分析仪和OSC数字示波器来搭建信道测量系统。在发射端，由本地计算机将已生成好的PN序列利用软件system view搭建一个系统，对PN序列进行重复，QPSK调制以及经过平方根升余弦滤波器进行滤波等操作，处理之后的PN序列作为信号源通过局域网下载到AWG，由AWG的两路信道产生I路和Q路信号，再通过PSG进行上变频，最终输出到射频端口的是功率0 dBm、频率14.8 GHz、带宽500 MHz的正交信号。正交信号经过HPA高功率放大器放大后再由喇叭天线发射到空口。在接收机端，由双锥天线采集信号，然后经过低噪声放大器放大，PXA对放大后的信号进行下变频得到频率为322.5 MHz的中频信号，中频信号由OSC采集，采集信号时可根据需要按照采样点数或者起止时间进行采集，采集得到的信号包括I路信号和Q路信号。测量过程中由铷钟产生触发信号来进行校准，确保发射机和接收机保持同步。测量天线中，喇叭口天线采用的是增益为25 dBi、波束宽度为10°的定向天线；双锥天线采用的是增益为5 dBi、垂直极化方式的全向天线。测量系统的方框图如图1所示。

图1 测量系统方框图

文中采用滑动相关法测量，利用PN序列所具有的良好的自相关特性和非常差的互相关特性进行滑动相关。通过发射天线将已调制好的PN序列发送出去，然后由接收天线采集信号并通过系统将信号快速存储到计算机中，通过MATLAB将采集信号与作为信号源的本地PN序列进行相关处理，从而提取出信道的时域或频域特性的相关参数。测量的相关参数配置如表1所示。

1.2 测量场景与测量方案

本次测量所选取的测量场景为上海张江地区某校园环境，参照文献[11-12]的测试方案，选择校园内某教学楼5楼天台作为发射机的地址，发射天线所处的水平面相距地面的高度为21 m，发射机保持位置不动。在与教学楼相距约11.3 m的公路上共选择了13个点作为接收机位置，接收机距地面的高度为1.5 m。设定接收机的初始位置为接收机和发射机相距30 m处，并按照5 m的间隔共选取11个点，直到相距发射机的距离为80 m时终止。最后在距离发射机100 m处再选择2个点，一个为LOS场景，另一个为NLOS场景。在所选取的13个点中，有12个点是LOS场景，1个点是NLOS场景。测量位置如图2所示。

表1 参数配置

图2 测量位置

图中，五角星代表发射机位置，圆代表接收机在LOS场景下的位置，正方形代表接收机在NLOS场景下的位置。

在本次信道测量过程中，认为水平方向是以正北方向为0°的参考方向，顺时针为正方向；垂直方向是以水平位置为0°的参考方向，下倾为负。在进行测试布点时，先使用激光测距仪准确测量出发射机和接收机之间的距离，根据发射机与地面相距21 m，接收机与地面相距1.5 m，从而计算出对应不同的接收机位置时发射机所应调整的俯仰角。设定发射机的旋转水平角度范围为157°～337°，每一次的旋转间隔为5°，按顺时针旋转，因此每一个测试点共进行36次测量，每一次测量都会由OSC数字示波器采集信号并由本地计算机进行存储。

测量配置如表2所示。

2 数据处理与分析

2.1 数据处理方法

在本地计算机中使用MATLAB软件，将采集得到的IQ两路数据组合起来，再由设定好的滤波器系数对组合好的数据进行滤波和卷积，再经过下采样，和本地的PN序列进行滑动相关，得到信号的PDP功率时延谱。通过功率时延谱可以计算出接收功率，从而得到每个接收位置的PL(路径损耗)。采用最小二乘法对路径损耗进行拟合。

表2 测量配置

文中采用文献[13]中所介绍的floating intercept模型对路径损耗与距离之间的关系进行描述：

PL(d)=α+β*10log10(d)+Xσ

(1)

其中，d为发射机与接收机之间的距离；PL(d)为对应距离d下的平均路径损耗,以dB为单位；斜率β为路径损耗指数；α为以dB为单位的截距；Xσ为以dB为单位的阴影衰落，是均值为0，标准差为σ的正态分布随机变量。

根据最小二乘法，得到路径损耗指数β的公式：

(2)

(3)

2.2 数据分析与结果

2.2.1 路径损耗拟合曲线

采用2.1节的处理方法对所得数据进行处理，可得到路径损耗拟合曲线，如图3所示。当对距离作去dB处理后，得到对应的路径损耗指数β为1.695 3。对照文献[13-14]中的测量结果，本次测量得到的路径损耗指数和阴影衰落均方差相对较小，说明15GHz高频段在室外环境的传播特性相对较好。

图3 路径损耗拟合曲线

2.2.2 阴影衰落拟合曲线

图4所示曲线是利用dfittool工具对所求得的Xσ值进行拟合得到，可得到阴影衰落满足均值约为0，标准差为2.474 32的正态分布。

均值的置信区间为[-0.082 018,0.082 018]，标准差的置信区间为[2.416 231 3,2.532 408 7]。根据图5的场景分析，由于是室外场景，阴影衰落主要是因为室外树木和建筑物的阻挡和吸收造成。

图4 阴影衰落拟合曲线

2.2.3 多径分布

将Tx与Rx相距40m处的测试点分别对Tx处于247°(即Tx-Rx正对)以及202°(Tx逆时针偏转正对方向45°)进行测量。图5(a)为Tx-Rx正对功率时延谱，图5(b)为Tx偏转45°后功率时延谱。

根据图5中的功率时延谱(PDP)进行分析，由于发送长度为2 048的PN序列，发送时进行上采样，在PC端处理数据过程中也要进行相对应的下采样，得PDP中峰值之间的相隔点数是2 048。

分析图5的两个场景差别可得，图5(a)中，当Tx和Rx正对时，PDP中的最强径主要是由Tx和Rx之间的直射径组成，主径右边几乎没有多径分量；图5(b)中，Tx逆时针偏转正对方向45°，可以明显发现PDP中除了主径外多了一条路径，该多径信号产生的原因则是因为对面的建筑物对信号反射形成了一条反射径。

3 结束语

目前6GHz以下已经很难找到一段完整的频谱供未来移动通信使用，同时人们对蜂窝资源需求的急速增加促使人们着眼于15GHz以上的高频段的研究。文中对高频段15GHz在室外的传播特性进行测量，通过分析处理得到路径损耗指数为1.695 3，阴影衰落满足均值为0，标准差为3.262 54dB的高斯分布,传播特性相对较好。文中验证了高频段在未来5G通信中的可行性，对未来5G移动通信的网络发展和技术研究提供了一定参考，同时也体现出计算机技术迅速发展对通信业有更好的促进作用。

图5 功率时延谱

[1]PiersantiS,AnnoniLA,CassioliD.Millimeterwaveschannelmeasurementsandpathlossmodels[C]//ProceedingsoftheIEEEinternationalconferenceoncommunications.[s.l.]:IEEE,2012:4552-4556.

[2]RappaportTS.Wirelesscommunications:principlesandpractice[M].2nded.[s.l.]:PrenticeHall,2002.

[3] 魏崇毓.无线通信基础及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，2009:13-15.

[4] 杨大成.移动通传播环境:理论基础·分析方法和建模技术[M].北京:机械工业出版社，2003.

[5] 冯 岩.5G研发争分夺秒[J].数字通信世界,2014(1):32-34.

[6] 周世东.高频段(6-15GHz)在未来移动通信中的应用[C]//2009信息通信网技术业务发展研讨会论文集.出版地不详：出版者不详,2010:38-45.

[7] 吕潇潇,王浩文,王 雪,等.基于网络分析仪的UWB频域测试[J].电子测量技术,2012,35(5):132-135.

[8] Zhou Xin,Zhong Zhangdui, Zhang Bei,et al. Experimental characterization and correlation analysis of indoor channels at 15GHz[J].International Journal of Antennas and Propagation,2015(1):1-11.

[9] 王 萍,勾天杭,李朋朋，等.室内走廊环境高频段宽带无线信道测量与建模[J].电波科学学报,2012,27(3):496-500.

[10] 秦 成，陈 豪.无线信道大尺度传播效应的统计模型与统计方法[J].移动通信，2009，33(12):22-26.

[11] Samimi M，Wang Kangping,Rappaport T S.28 GHz angle of arrival and angle of departure analysis for outdoor cellular communications using steerable beam antennas in New York City[C]//77th vehicular technology conference.[s.l.]:IEEE,2013:1-6.

[12] Azar Y,Wong G N,Wang Kangping,et al.28 GHz propagation measurements for outdoor cellular communications using steerable beam antennas in New York city[C]//IEEE international conference on communications.[s.l.]:IEEE,2013:5143-5147.

[13] Maccartney G R,Zhang Junhong,Nie Shuai,et al.Path loss models for 5G millimeter wave propagation channels in urban microcells[C]//Global communications conference.[s.l.]:IEEE,2013:3948-3953.

[14] Rappaport T S,Gutierrez F.Broadband millimeter-wave propagation measurements and models using adaptive-beam antennas for outdoor urban cellular communications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(4):1850-1859.

Measurement and Analysis of Outdoor Channel Characteristics at 15 GHz

JIN Ling-xing，SUN Jian-hong

(Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

An important feature of modern communication technology is the close combination between the computer technology and communication technology.With the rapid development of wireless mobile communication,traditional mobile cellular frequency spectrum resource is such shortage that development and utilization of high frequency has become urgent.Therefore,the time domain measurement system based on PN sequence is employed to measure propagation characteristics of the outdoor environment in 15 GHz with the use of an horn antennas with 10゜HPBW (Half-Power Beam Width) and 25 dB gain and a vertical polarization double cone omnidirectional antennas with 5 dB gain.The sliding correlation method has been used for processing data combined with floating intercept model and least square method applied to acquire the relationship between the distance and the path loss by which the path loss exponent and the shadow fading standard variance could be achieved for analysis of large scale features of the transmitted signals.Experimental results show that the signals at 15 GHz have good propagation characteristics in the outdoor environment and that it is the potential spectrum with a good perspective of application in future 5G communications.

5G;high frequency band;outdoor environment;channel measurement

2016-04-25

2016-08-03

时间：2017-02-17

国家“863”高技术发展计划项目(2014AA01A706);国家科技重大专项基金资助项目(2014ZX03003012-001);上海市科学技术委员会资助项目(13511500600)

金凌星(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为高频段无线信道测量与建模；孙建红，硕士生导师，副教授，研究方向为电路信号检测与处理、电路故障。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1630.056.html

TP393.04

A

1673-629X(2017)03-0163-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.034