28 GHz室内毫米波信道路径损耗模型研究

李双德 刘芫健 林乐科

(1. 南京邮电大学电子与光学工程学院,南京 210023;2. 中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107)

引 言

随着移动通信网络的快速发展,通信业务的不断增长,网络流量的持续上升,第五代(the 5th Generation, 5G)移动通信技术业务的提供能力将更加丰富,目前得到了全球企业、研究所和高等院校的广泛关注和大量研究[1]. 毫米波信道建模及传播特性研究是5G无线通信系统的关键技术,它允许使用更多的频谱来支持各种多媒体业务所需的更大的数据流量,如无人驾驶、智能终端和回程服务[2]. 随着5G技术的深入研究,相应的毫米波信道模型也表现出了不同的特性,因此相关的信道测量与建模需要迫切开展[3]. 此外,国际电信联盟 (International Telecommunication Union, ITU)在全球无线电通信会议(World Radio Communication Conference, WRC-15)中将24.25～27.5 GHz作为5G主要候选频段之一[4]. 我国工业和信息化部批复24.25～27.5 GHz 频段用于我国5G技术研发试验,28 GHz频段被首先确定为实现商用化的5G候选频段.

近年来,由于28 GHz毫米波信道传输速率快、能提供更大的带宽,相比60 GHz频段其空间损耗小等优点而被广泛研究. 国内外众多学者对室内外不同复杂环境的28 GHz毫米波信道传播特性进行了研究. 通过对实际测量数据进行统计与分析,研究了毫米波信道传播特性参数,提出了相应的信道模型. 对于室外28 GHz毫米波信道,Rappaport团队使用宽带滑动相关信道探测器,在曼哈顿市中心的纽约大学及布鲁克林区市中心进行信道测量,研究了每一个频点的路径损耗、多径时延扩展、到达多径数、中断率等,提出了定向和全向路径损耗模型、时空信道模型,并指出对于特性的环境路径损耗指数随着频率的增加而略增大[2]. 此外,分析了离开角、到达角、均方根时延扩展以及建筑物的穿透和反射特性,研究表明由于市区环境相对于郊区环境中散射体数目较多,导致其路径损耗值及传播路径时延值大于郊区环境的值[5]. 由于实际信道测量成本昂贵且耗时,相对少量的信道样本可获得,通过信道仿真建模与测量结果对比分析进行一致性验证,研究表明通过射线跟踪方法可以获取大量的信道样本来填补实测样本中的空白. 因此,Hur等[6]利用确定性射线跟踪方法与实际信道测量研究了韩国大田城市街道环境及纽约大学校园环境下的无线信道参数,同时提出了视距(Line-of-Sight, LOS)概率模型、路径损耗模型及双向信道模型. 对于室内28 GHz毫米波信道,Deng等[7]使用不同极化形式的定向喇叭天线和垂直极化全向天线对典型的室内办公环境进行了信道测试,采用最小均方误差拟合分析了不同极化形式的定向与全向路径损耗模型. 为避免最小均方误差拟合方法的计算复杂度, Al-Samman等[8]研究了典型室内走廊环境毫米波信道模型,在自由空间相对参考距离路径损耗模型的基础上引入了交叉极化鉴别因子与频率衰减因子,提出了一种新型的路径损耗模型. 另外,毫米波大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)信道建模也是5G的研究热点之一. 文献[9]基于定向信道探测器,对室内楼层环境及市区环境进行大量信道测量,分析了多径时延、路径损耗及角度统计等传播特性参数,重点研究了时域与空间域的丛簇特性. 研究表明,时域多径丛簇概率密度函数服从指数分布,空间域服从拉普拉斯分布. 文献[10]使用先进的MIMO信道探测器在典型的会议室中进行信道测量,基于实测数据分析了路径损耗模型与阴影衰落. 不同的信道测量方式导致提取信道参数的方法也不同. Wu等[11]利用可旋转的定向天线及矢量网络分析仪在实验室环境中进行信道测量,利用空间交替广义期望最大化(Space-Alternating Generalized Expectation-maximization, SAGE)算法对到达接收端的多径丛簇特性进行了分析. 另外,分析得到了功率延迟分布、功率角度分布以及均方根时延扩展等传播特性参数. 文献[12]利用可旋转定向天线在典型会议室环境中进行信道测量,研究分析了使用不同的半功率点带宽天线的接收信号强度,大尺度衰落下的路径损耗模型以及阴影衰落分布,研究表明,当收发天线的半功率点波束宽度较大时,其路径损耗指数较小,其阴影衰落服从对数正态分布.

现有文献中针对5G毫米波热点频段28 GHz频段,还很难发现用来表征普遍适用的室内环境信道的具体路径损耗模型. 本文在典型的室内办公室环境以及室内走廊环境中进行测量、建模与研究,提取相应的路径损耗模型,并与众多研究学者提出的特定室内环境路径损耗模型进行对比分析,给出一种普遍适用的室内环境28 GHz与60 GHz毫米波信道的路径损耗模型.

1 入射及反弹射线法/镜像法

入射及反弹射线法/镜像法[13-14](Shooting-and-Bouncing-Ray/Image method, SBR/Image method)适用于典型室内复杂毫米波传播环境中,它可以找到从发射机到接收机的所有电波传播路径,具有较高的计算精度和计算效率,这种方法是一种具有较高实用价值的电波传播预测方法. 该方法的具体实现流程如图1所示.

图1 基于SBR/Image方法的技术路线流程图

1) 创建室内环境模型

将室内复杂环境的建筑结构进行简化及抽象化,赋予每个面一个唯一的标识符来表示该平面,同时记录每个平面的几何数据及形态数据. 几何模型需要预先设定房间的长、宽、高,发射点源坐标,接收点坐标等. 室内物理模型需要储存各个墙面介质材料的电参数,例如:相对介电常数、相对磁导率和电导率.

2) 创建波前球

先确定波前球的半径,并建立一个内接于波前球的正二十面体,由正二十面体的特征可以计算出它的12个顶点坐标. 然后对其进行细分, 细分是因

为射线管截面将随着传播距离的增加而不断扩大,从而影响跟踪的精度,所以应该划分为精细的波前面使射线管的截面变小.每一次划分时取每条边的中点,然后连接各个中点将其分成4等份.

3) 建立发射射线管

已知发射点源和接收点的坐标,从正二十面体的12个定点确定构成的20个三角形射线管,每个射线管的三条射线方向矢量唯一确定.

4) 墙面相交测试

判断射线管与平面的相交[13],若射线平行于平面,可做不相交处理;若射线在平面上,则与该平面有无数个交点;反之,射线所在直线和平面有一交点.

5) 反射管方向矢量的确定

求墙面所在平面的法向量[14],根据镜像理论求出电源关于平面的镜像点,由平面解析几何理论,求出反射管的方向矢量.

6) 接收点的判收

计算射线管的三条射线到达接收点的两两围成的角度之和,若角度和等于360°,则可视为该射线管可到达接收点.

7) 总场强计算

到达接收天线的信号有许多的多径分量,其中的每一条多径分量都是发射射线与周围物体和环境相互作用的结果.接收端接收的场强是直射场、反射场、绕射场与透射场之和.

2 测量环境与测量系统

2.1 测量环境

本文的测量环境分三类:第一类为会议室,长、宽均为5.86 m,高为2.40 m,室内放置长宽高分别为3.63 m、1.83 m、0.77 m的办公桌,办公桌由木头材料制成,测量环境如图2(a)所示;第二类为室内走廊环境,长宽高分别为25 m、2 m、2.2 m,走廊环境平面图如图2(b)所示;第三类为办公室复杂环境,长30 m,宽12 m,高4 m,办公室四周墙壁为混泥土,其平面图如图2(c)所示,其中花型代表盆栽,深黑色表示可旋转的椅子,灰色表示办公的桌子,Tx1表示发射天线的位置,Rx表示接收天线的位置.

(a) 会议室环境

(b) 室内走廊环境

(c) 办公室复杂环境图2 测量环境

2.2 测量系统

针对测量环境一和二使用的测量设备如图3(a)所示,信号发射机包括产生基带信号模块和上变频模块. 基带信号模块产生PN序列,通过ASK或BPSK调制后送入上变频模块. 通过两次上变频,基带信号被调至28 GHz,然后将变频后的信号发射出去. 接收机由下变频模块和基带信号采集模块两部分组成. 下变频模块将天线收到的信号通过一次下变频和一次IQ下变频将信号搬移至零中频. 采集模块采用两路同步的采集信号,得到IQ信号. 最后,对信号进行提取、处理和分析,最终得到毫米波无线信道传播特性参数. 测量时,收发两端都采用垂直极化的喇叭天线,天线增益25 dBi,收发天线高度都为1.80 m,发射功率为21.3 dBm. 发射天线在室内平面图中Tx所标注的位置处,在会议室中接收天线沿着A-B-C-D移动,在室内走廊环境中,接收天线沿着虚线箭头方向一直移动下去.

对于测量环境三使用的测量设备如图3(b)所示,测量系统由发射机和接收机两部分构成.发射机主要包括产生基带信号的任意波形发生器M8190A、用以信号调制的矢量信号发生器E8267D、功率放大器、发射天线,以及同步铷钟模块四部分. 接收机主要包括接收天线、天线控制开关、解调器N5183A、低噪声放大器,以及铷钟模块等. 测量原理是先产生基带信号,再经过上变频到28 GHz频段,再经过功率放大器,并由发射天线将信号发射出去. 发射信号经待测信道后,接收天线接收信号,再经过下变频与低噪声放大器后,采集信号,由此得到接收信号. 接收端与发射端分别与计算机相连. 接收机位于图2(c)中Rx1、Rx2、Rx3和Rx4处,分别在这四个位置上进行测量,喇叭天线半功率角约为10°. 每个接收位置进行测量时,俯仰角保持0°,并在水平面顺时针旋转喇叭天线的方位角,每隔7.5°旋转一次,这样,每个测量点处共进行48次测量. 测量系统的参数如表1所示.

(a) 测量系统一

(b) 测量系统二图3 测量系统

参数取值中心频率/GHz28带宽/MHz500发射天线垂直极化全向天线接收天线垂直极化的喇叭天线发射功率/dBm0收/发端高度/m1.80/1.80接收端天线增益/dBi25

3 测量与仿真结果对比分析

3.1 测量与仿真路径损耗模型

路径损耗[15]是表征无线信道传播大尺度衰落影响的重要参数之一. 在本文中,基于实际测量数据与仿真结果,考虑两种典型的路径损耗模型,即:自由空间邻近(Close-In, CI)参考距离的路径损耗模型[16]和ABG (Alpha-Beta-Gamma)路径损耗模型[17].

CI路径损耗模型为

(1)

ABG路径损耗模型为

(2)

对于场景一会议办公室,当接收天线沿着会议桌四周每隔0.6 m移动一次时,实际测量路径损耗模型与仿真路径损耗模型如图4所示．根据最小二乘法对于实际测量数据(蓝色点表示实际测量数据)拟合为n=1.82,σ=0.80 dB.其CI模型仿真数据(红色点表示仿真数据)拟合值为n=1.61,σ=0.60 dB.ABG模型仿真数据拟合值为α=2.43,β=59.98 dB,σ=3.65 dB.通过对比可以看出:实际测量路损模型与仿真结果基本一致,验证了SBR/Image方法在研究毫米波信道的有效性与可靠性;CI模型形式简单、鲁棒性更好,该结果与文献[20]一致,因此后两个场景考虑CI路径损耗模型.

图4 28 GHz会议室环境路径损耗模型

对于场景二室内走廊环境,当接收天线沿着虚线路径每隔0.6 m移动一次时,实际测量路径损耗模型与仿真路径损耗模型如图5所示．根据最小二乘法对于实际测量数据(蓝色点表示实际测量数据)拟合为n=1.78,σ=2.10 dB.CI模型仿真数据(红色点表示仿真数据)拟合值为n=1.41,σ=0.85 dB.从图2可以明显看出,在LOS室内走廊环境中,路径损耗指数要比自由空间传播路径损耗指数小,这是由于波导效应造成的. 当收发距离较小时,由于电波碰到天花板、地板、墙壁等室内障碍物后进行反射,反射波部分被定向天线的空间滤波所滤掉;然而在较大的距离上,反射波对平均接收功率贡献较大,导致路径损耗要比自由空间小. 另外,通过对比实测与仿真得到的CI路径损耗模型,可以看到结果基本一致,有一些地方略有差异,这是由于仿真建模与实际测量环境之间有一定的差异,包括建筑物材料的相对介电常数与电导率之间的差异,还有信道中散射物体位置的不精确性造成的.

图5 28 GHz室内走廊环境路径损耗模型

对于场景三室内科研室办公环境,由于在实际测量信道中,发射端采用全向天线,接收端采用旋转的定向喇叭天线,这样的信道可以看成是单输入多输出(Single-Input Multiple-Output, SIMO)信道. 在接收端使用高增益的喇叭天线时,可根据方向扫描探测(Direction-Scan-Sounding, DSS)[21]方法对信道进行测量,DSS信道探测示意图[15]如图6所示.

图6 DSS信道探测示意图

在本次测量中,接收端可以看成N=48个分量合成,接收端接收到的信号可表示为[15]

s(t;ρl) =[s1(t;ρl),…,sN(t;ρl)]T

=c(θl,φl)αlexp(j2πvlt)u(t-τl).

(3)

式中:ρl=[τl,θl,φl,vl,αl]是信道预估参数.

若在测量过程中,信道是时不变信道,那么旋转矢量可表示为

(4)

则接收端接收到的总信号可表示为

(5)

式中:N(t)=[N1(t),…,NN(t)]T是复高斯白噪声;N0为常数.

在仿真建模过程中,收发两端都采用全向天线,通过对实测数据及仿真数据处理,在四个接收点处实际测量的路径损耗如图7所示．实测与仿真接收功率对比如表2所示. 通过对比,可以得到在接收端定向喇叭天线可以近似看成全向天线,这样不仅能把每一个平面上的多径分量全部接收,而且也可以同时利用天线的分集技术补偿衰落信道的路径损耗.

图7 四个接收点处的实测路径损耗

接收点实测值/dBm仿真值/dBmRx1-83.97-83.35Rx2-80.53-76.95Rx3-74.29-72.99Rx4-71.86-71.05

通过对室内科研办公室环境中路径1、路径2以及路径3进行仿真分析,得到路径损耗模型如图8所示,该路径损耗模型与之前的会议室路径损耗模型基本一致.

图8 28 GHz科研办公室环境路径损耗模型

3.2 室内环境普遍适用的路径损耗模型

每一个室内环境的结构、尺寸、墙壁材料以及室内散射物体的位置、形状等都有本质性的差异. 此外,实际信道测量设备也不同,后期对实际信道测量数据处理的算法以及处理过程中设置噪声门限准则

也有很大的区别,提取的信道参数表面上不具备可比性,但是对于不同的室内环境,其毫米波无线信道多径传播特性参数中路径损耗模型表现出一定的相似性[22],因此可以通过对比分析得到室内环境下28 GHz与60 GHz毫米波无线信道的一种普遍适用的路径损耗模型. 本文实测与仿真得到的路径损耗参数与国内外其他研究学者研究得到的路径损耗信道参数对比如表3所示.

表3 28 GHz室内环境毫米波信道路径损耗参数对比

通过比较本文得到的室内路径损耗模型与现有文献中存在的室内路径损耗模型,可以将室内环境整体分成四类,分别为:室内办公室环境、室内走廊环境、室内大型候车厅环境以及室内楼层环境. 这四类环境根据直射路径是否被阻挡又可以分为室内LOS环境和室内非视距 (Non-Line-of-Sight, NLOS)环境,通过对表中所有四类环境中提取的路径损耗模型参数取均值,得到四类室内环境中路径损耗参数的均值,结果如表4所示.

表4 28 GHz不同类室内环境平均路径损耗指数与

通过比较表4得到的平均路径损耗参数,可以看到,室内LOS走廊环境的平均路径损耗指数最小,其值为1.48,这是由于波导效应造成的.另外,通过对比还发现室内环境的路径损耗参数具有相似性,因此室内LOS环境与NLOS环境可以总结概括为通用的路径损耗模型,其路径损耗模型参数结果如表5所示.

表5 28 GHz室内环境路径损耗普遍适用模型参数

由表5知,当载频为28 GHz,对于室内LOS环境,其一般CI路径损耗模型基本可以表示为

(6)

当载频为28 GHz,对于室内NLOS环境,其一般CI路径损耗模型基本可以表示为

(7)

文献[29]中,Peter F. M. Smulders针对前人已发表的测量和信道建模结果,对60 GHz室内无线信道的传播特性进行了综合分析,推导得出一种普遍适用于60 GHz室内无线信道的路径损耗模型,得到的CI路径损耗模型参数如表6所示.该CI路径损耗模型参数值与本文得到的28 GHz室内无线信道的路径损耗模型参数结果基本一致.

表6 60 GHz室内环境路径损耗普遍适用模型参数

通过对比可以看出在毫米波信道中,当载频为28 GHz与60 GHz时,对于室内LOS环境,其一般CI路径损耗模型基本可以表示为

(8)

对于室内NLOS环境,其一般CI路径损耗模型基本可以表示为

(9)

4 结 论

本文对28 GHz三种室内典型毫米波信道进行了大量的测量,并通过将实际测量结果与入射及反弹射线法/镜像法结果对比分析,验证了该方法的正确性. 结果表明CI模型更稳定,形式更简单. 在DSS信道探测中,通过实测结果与仿真结果对比分析可以得到:利用旋转的定向喇叭天线可近似看成全向天线,不仅可以全方位地检测到达接收端的多径信号,而且可以使用定向天线覆盖较大的范围. 最后,给出了一种普遍适用于28 GHz毫米波信道室内环境CI路径损耗模型,同时给出了一种普遍适用于当载频为28 GHz与60 GHz的毫米波信道室内环境CI路径损耗模型. 本文结果可以为5G毫米波通信系统的设计及无线信道建模提供理论依据.

致谢:感谢北京邮电大学通信实验室对会议办公室及室内走廊环境提供了实际测量的平台,感谢中国电波传播研究所对复杂办公室环境的实际测量工作给予的支持.

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