室內(nèi)走廊環(huán)境高頻段寬帶無線信道測量與建模

王 萍 勾天杭，2 李朋朋，2 李穎哲，2 趙振維 張利軍

(1.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050； 2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100039；3.中國電波傳播研究所，山東 青島 266107)

引 言

隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線頻譜資源越來越緊張[1]。而高頻段無線頻譜資源應(yīng)用相對空閑，且具有衰落快、波束集中，方向性強(qiáng)，不易受干擾等特點(diǎn)。如果能合理利用高頻段頻譜資源，與現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，將能很大程度上提高通信系統(tǒng)的性能，滿足持續(xù)增長的業(yè)務(wù)需求。此外，高頻段電磁波的波長相對低頻段電磁波小，使得所需的天線尺寸減小，適合終端設(shè)備的小型化。

對高頻段無線信道特征加以認(rèn)識是合理利用高頻段頻譜資源提高通信系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。為此，需要對高頻段寬帶無線信道進(jìn)行測量與建模，獲取電波傳播的特性，為系統(tǒng)設(shè)計提供參考。目前，受商用信道探測器的限制，多數(shù)無線信道測量頻點(diǎn)集中于傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)的工作頻段[2-5]，不能支持6 GHz以上頻率的測量。國內(nèi)外，高頻段寬帶無線信道測量建模工作已經(jīng)開展[6-8]，然而，高頻段寬帶無線信道測量及建模還不夠成熟，需要進(jìn)行更多的信道測量和建模。在國家科研項目支持下展開的14 GHz室內(nèi)走廊環(huán)境下的寬帶無線信道測量與建模作為對高頻段無線信道特性研究的一部分，對于后續(xù)技術(shù)的研發(fā)具有較重要的參考價值。

本文介紹了無線信道的參數(shù)化模型的理論基礎(chǔ)，從設(shè)計搭建測試平臺開始，依次介紹了高頻段寬帶無線信道的測量方法，測試平臺參數(shù)及場景的配置，給出基于信道測量數(shù)據(jù)的參數(shù)化模型結(jié)果并進(jìn)行了分析。

1.無線信道參數(shù)化模型分析

為了描述信道參數(shù)化模型對某一無線環(huán)境進(jìn)行大量的信道測量，獲得具有潛在統(tǒng)計特性的無線信道測量數(shù)據(jù)集合，對測量數(shù)據(jù)中的無線信道參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析建模，獲取信道的參數(shù)化模型。由于信道的參數(shù)化模型是建立在統(tǒng)計意義上的，不僅適用于測量環(huán)境本身，還適用于其他類似環(huán)境。信道的參數(shù)化模型主要包括以下幾個方面：

1.1 路徑損耗和陰影衰落

傳輸損耗(TL)定義為所有時延上的傳輸徑能量總和，

(1)

TL[dB]=PL[dB]+SF[dB]+FF[dB]

(2)

李氏定理[9]指出:對特征長度為40個波長的距離間隔內(nèi)采樣36～50個傳輸損耗樣本做平均可以去除由多徑傳輸引起的快衰落。處理數(shù)據(jù)過程中按照李氏定理的要求取平均，所以只考慮路徑損耗和陰影衰落。

路徑損耗模型是某種環(huán)境下無線信號衰落與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離的關(guān)系模型[10]

PL(d)[dB]=10n·log10d+B

(3)

式中：n是路徑損耗系數(shù)；d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離； 截距B是d=1時路徑損耗的值。

對比傳播路徑上大量的傳輸損耗與統(tǒng)計的路徑損耗模型，可以得到陰影衰落是服從零均值方差為σSF的正態(tài)分布[10]

SF～N[0，σSF]

(4)

1.2 時延擴(kuò)展參數(shù)

由于多徑效應(yīng)引起的接收信號中脈沖的寬度擴(kuò)展的現(xiàn)象稱為時延擴(kuò)展。描述時延擴(kuò)展的參數(shù)有平均附加時延、均方根(RMS)時延擴(kuò)展和最大附加時延擴(kuò)展，他們都與時延功率譜有關(guān)[10]。

平均附加時延是時延功率譜密度的一階矩，某一測量時刻t的平均附加時延定義為

(5)

RMS時延擴(kuò)展是時延功率譜密度的二階矩，是隨機(jī)信道建模中最常用的時延參數(shù)，其定義為

(6)

最大附加時延擴(kuò)展定義為是多徑能量從初值衰落到低于最大能量X(dB)處的時延。一般稱起始時延到最大附加時延擴(kuò)展這段時延時間為信道的時延窗。

1.3 角度擴(kuò)展參數(shù)

角度擴(kuò)展描述的是多徑在空間的統(tǒng)計分布特性，分別有發(fā)射方位角擴(kuò)展、發(fā)射俯仰角擴(kuò)展、接收方位角擴(kuò)展、接收俯仰角擴(kuò)展。角度擴(kuò)展參數(shù)最常用的是RMS角度擴(kuò)展[10]，其定義和計算如下：

令Δ為一個角度的偏移量，在計算方位角時Δ∈(-π，π]，計算俯仰角時Δ∈[-π/2，π/2]。定義角度變量為

θi(Δ)=θi+Δ，θi∈{φi，?i}

(7)

這里θi∈{φi，?i}，i=1，2，…，Nθ為在角度上的采樣點(diǎn)。將θi轉(zhuǎn)換到角度范圍

(8)

功率角度譜的一階矩為

(9)

將所有的角度以一階矩θmean(t)歸一化

(10)

(11)

(12)

2.信道測量系統(tǒng)及場景描述

由于現(xiàn)有信道探測器不能支持中心頻率在6 GHz以上的信道測量，需要自行搭建信道測量系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8][11][12]中，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行高頻段寬帶無線信道測量。本次信道測量平臺基于掃描頻率測量法設(shè)計，采用商業(yè)測試儀器構(gòu)建，同時結(jié)合方向性天線，可在寬頻帶內(nèi)測量時域色散和空域色散的多徑信道。

本測量平臺中，安捷倫N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的發(fā)射端口通過電纜連接功率放大器和發(fā)射天線構(gòu)成發(fā)射機(jī)，接收天線通過饋線連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收端口構(gòu)成接收機(jī)，控制電腦通過GPIB數(shù)據(jù)線控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集存儲數(shù)據(jù)。發(fā)射天線為全向天線，接收端選用了窄波瓣的喇叭天線作為接收天線，根據(jù)方向性天線測量方法捕捉信道空間信息。測量時，將喇叭天線固定在一個帶有刻度的旋轉(zhuǎn)平臺上，根據(jù)精度需求按刻度旋轉(zhuǎn)平臺帶動喇叭天線掃描遍歷所有一周方位角。利用窄波瓣喇叭天線獲取信道空間信息，需假設(shè)在測量期間信道保持恒定不變。因此，這種獲取信道空間信息的方法適用于慢變化的環(huán)境。

圖1 高頻段無線信道空間特性測量系統(tǒng)平臺

參數(shù)測量平臺配置測量場景室內(nèi)走廊中心頻點(diǎn)14GHz帶寬100MHz發(fā)射天線全向天線接收天線定向喇叭天線,水平波瓣9度發(fā)射天線高度2m接收天線高度1.5m測量范圍30m

圖2為14 GHz室內(nèi)封閉走廊測量場景示意圖。測量基站(BS)架設(shè)在走廊的一端，移動臺(MS)測量路徑位于走廊中間。測量路徑包括直視路徑(LOS)和非直視路徑(NLOS)兩類區(qū)域。

圖2 14 GHz頻段封閉走廊測量場景和測量路線

3.數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

正式測量之前，應(yīng)對測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，去除測量鏈路中儀器、功放、線纜、接頭等對頻域響應(yīng)測量結(jié)果的影響，讓校準(zhǔn)后的頻域響應(yīng)在測量帶寬內(nèi)保持平坦。利用高精度的信道參數(shù)提取算法[13]，對信道測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得信道參數(shù)化模型。

3.1 路徑損耗與陰影衰落

在走廊的不同位置，測試數(shù)據(jù)體現(xiàn)出不同的衰減特征。收發(fā)距離在10 m以內(nèi)時，走廊兩側(cè)均為辦公室及會議室，表現(xiàn)出良好的封閉管道特征；收發(fā)距離在10～20 m之間，走廊兩側(cè)有樓梯通道和電梯存在，對電波的衰減較大；而收發(fā)距離較遠(yuǎn)處，走廊的彎曲墻體對電波有反射，增強(qiáng)了接收到的信號功率。為了體現(xiàn)樓梯電梯等物體對電磁波的衰減，在數(shù)據(jù)分析時將樓梯電梯附近的測試數(shù)據(jù)與其他測試數(shù)據(jù)分開擬合。

圖3描繪的是14 GHz室內(nèi)封閉走廊環(huán)境下信道傳輸損耗隨基站和移動臺之間距離變化的分布圖及其擬合結(jié)果，表2顯示了相應(yīng)的路徑損耗和陰影衰落參數(shù)。

圖3 14 GHz頻段室內(nèi)場景實測傳輸損耗

從表2中可見：封閉走廊中路徑損耗因子小于2，而當(dāng)走廊兩側(cè)有樓梯電梯時，路徑損耗因子比較大。這是由于電波在室內(nèi)封閉走廊中傳播時能量比較集中，體現(xiàn)出一定的波導(dǎo)效應(yīng)，而樓梯電梯附近，由于樓梯電梯通道對電波傳播帶來較大損耗。

表2 14 GHz頻段室內(nèi)封閉走廊場景

由于14 GHz頻段對于目前常用的移動通信頻段來說屬于高頻段，路徑損耗相對于同類場景低頻段較大，而且隨距離增加也較快。另一方面考慮到14 GHz頻段頻譜資源豐富，所以該頻段適合用作室內(nèi)短距離寬帶通信傳輸，或者室外基站間寬帶互聯(lián)。

3.2 時延擴(kuò)展參數(shù)

圖4為測量獲得的14 GHz頻段室內(nèi)封閉走廊場景的信道沖激響應(yīng)，計算得到的時延參數(shù)見表3.

圖4 14 GHz 頻段室內(nèi)場景測量點(diǎn)的時延功率譜

經(jīng)統(tǒng)計，14 GHz頻段室內(nèi)封閉走廊場景的信道時延擴(kuò)展參數(shù)如表3。14 GHz頻段電波傳播的損耗相對較大，傳播距離小，能從遠(yuǎn)處反射到達(dá)接收機(jī)的多徑能量較少，接收機(jī)接收到大延遲且具有較大功率的多徑信號幾率很小，導(dǎo)致信道時延擴(kuò)展較小。

表3 14 GHz頻段室內(nèi)封閉走廊場景的時延擴(kuò)展參數(shù)

3.3 角度擴(kuò)展參數(shù)

測量獲得的歸一化的角度功率譜如圖5.由角度功率譜可獲得信道的平均角度和角度擴(kuò)展(AS)，如表4.

圖5 14 GHz頻段室內(nèi)場景LOS(左)和NLOS(右) 區(qū)域的歸一化角度功率譜

可以看出，LOS區(qū)域的平均角度指向基站方向，而NLOS區(qū)域的平均角度則指向主要反射體方向；LOS區(qū)域角度相對NLOS區(qū)域較為集中。因此，高頻段LOS環(huán)境下適合進(jìn)行對方向性要求高的通信，而NLOS環(huán)境下，則可利用散射體增強(qiáng)信號的覆蓋范圍。

表4 14 GHz頻段室內(nèi)封閉走廊場景的角度擴(kuò)展

4.結(jié) 論

針對室內(nèi)封閉走廊環(huán)境，在14 GHz頻段上對寬帶無線信道時間和空間特性進(jìn)行了研究，獲得了路徑損耗和陰影衰落、時延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展信道參數(shù)。分析結(jié)果表明:高頻段無線信道的時延擴(kuò)展較小，LOS環(huán)境下波束集中，NLOS環(huán)境中的散射體可以增加電磁波的覆蓋范圍。這些結(jié)果為高頻段無線通信領(lǐng)域的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

致謝：感謝中國電子科技集團(tuán)公司22所專家在測量中給予的幫助。

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