毫米波蜂窩無線網(wǎng)絡的信道測量與研究

董妮婭 林毅 重慶郵電大學移通學院 重慶郵電大學 重慶 400065

1 引言

蜂窩數(shù)據(jù)的需求一直在以驚人的速度增長，為了應對這一挑戰(zhàn)，采用30至300 GHz頻帶的毫米波蜂窩系統(tǒng)越來越受到人們關注。該系統(tǒng)在高頻率下具有極大的可用頻譜帶寬，但是由于毫米波的波長極短，信號非常容易受到陰影的影響，從而降低信道質(zhì)量。因此，我們以小蜂窩在城市環(huán)境中的部署為重點，對毫米波蜂窩無線網(wǎng)絡的信道進行了測量和研究，為實現(xiàn)下一代蜂窩系統(tǒng)提供參考。

2 毫米波蜂窩網(wǎng)絡

目前，毫米波傳輸系統(tǒng)已被用于60GHz頻段中的高吞吐量無線局域網(wǎng)（LAN）和個人局域網(wǎng)（PAN）系統(tǒng)。雖然這些系統(tǒng)提供超過1 Gb/s的速率，但鏈路通常用于短程或點對點視距（LOS）當中。雖然毫米波提供的帶寬遠遠大于當前蜂窩系統(tǒng)所能提供的帶寬，但人們擔心毫米波信號的傳播距離短，信號陰影嚴重，因此懷疑毫米波頻段對于需要在較長距離的非視距（NLOS）路徑上進行可靠通信的蜂窩系統(tǒng)是否可行。

最近的兩個趨勢促使人們重新考慮毫米波蜂窩的可行性。首先，CMOS射頻和數(shù)字處理的進步使低成本的毫米波芯片適用于商用移動設備，此外，由于毫米波波長極短，可以在整個移動設備中安置大規(guī)模天線陣列以獲得空間分集增益。其次，蜂窩網(wǎng)絡已朝著更小的半徑發(fā)展，特別是在最新的蜂窩標準中支持微微蜂窩和毫微微蜂窩異構網(wǎng)絡。在許多密集的城市地區(qū)，蜂窩半徑通常小于100米，通常在毫米波信號覆蓋范圍內(nèi)。

3 毫米波蜂窩信道測量

隨著60GHz LAN和PAN系統(tǒng)的發(fā)展，毫米波信號在室內(nèi)環(huán)境中的傳播模型已經(jīng)比較成熟，而在微蜂窩網(wǎng)絡的室外環(huán)境中傳播的研究相對較少。由于缺乏實際測量的數(shù)據(jù)，許多早期研究依賴于具有各種反射假設的分析模型。這些模型通常假設傳播將由LOS鏈路或具有一些強鏡面反射的鏈路共同作用，因此分析結果可能不準確。

為了評估毫米波網(wǎng)絡的可行性，我們首先進行了城市環(huán)境中毫米波信號的近距離信道測量，并總結出路徑損耗結果。覆蓋范圍是毫米波系統(tǒng)面臨的關鍵問題之一。因此，正確評估毫米波系統(tǒng)的關鍵是首先確定路徑損耗如何隨距離變化。為此，圖1顯示了在距發(fā)射器不同距離處測得的全向路徑損耗的散點圖。在28G和73GHz測量中，根據(jù)測量時的分類，每個點被分類為處于NLOS或LOS狀態(tài)。再分別擬合LOS和NLOS路徑損耗。圖1顯示LOS路徑損耗大致遵循基于Friis定律的自由空間傳播規(guī)律（虛線所示）。

對于NLOS點，可以應用下式進行線性擬合：

其中d是以米為單位的距離，α是最佳擬合截距，β是最佳擬合斜率，σ2是對數(shù)正態(tài)分布方差。

我們可以將實驗得出的毫米波路徑損耗模型（1）與傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中使用的模型進行比較。標準3GPP城市微蜂窩傳播（UMi）路徑損耗模型由下式給出：

其中d是以米為單位的距離，fc是以千兆赫為單位的載波頻率。我們看到，我們用于28和73 GHz單位增益天線的傳播模型預測全向路徑損耗，對于大多數(shù)距離，其比2.5 GHz處的3GPP UMi模型高約20 dB。但是，28G和73 GHz的波長比2.5 GHz時小約10-30倍。因為對于相同天線尺寸，波束成形增益隨著頻率而增長，所以可以通過在發(fā)射器或接收器處應用波束成形來完全補償路徑損耗的增加。我們的結論是，在相同的物理天線尺寸下，毫米波傳播不會有相對于當前蜂窩頻率的路徑損耗的增加，甚至可以比現(xiàn)今的系統(tǒng)有所改進。此外，通過大規(guī)模天線陣列的空間復用還可以進一步提高增益。

圖1 毫米波路徑損耗測量結果圖

4 結論

毫米波系統(tǒng)提供了巨大的潛力，為了評估毫米波系統(tǒng)的可行性，我們在城市環(huán)境中進行了一些典型場景的傳播測量。通過測量結果與標準UMi模型的對比表明，通過反射和散射，即使在完全NLOS情況下，毫米波信號在100-200米的距離內(nèi)完全能滿足蜂窩網(wǎng)絡的傳輸要求。