CPE 非視距路徑與弱信號(hào)場(chǎng)景下5G毫米波接收研究

張永亮,劉 洋

(中興通訊股份有限公司 上海研發(fā)中心,上海 201203)

1 引言

5G網(wǎng)絡(luò)主要使用兩段頻率，F(xiàn)R1頻段(450MHz～6GHz，即Sub 6GHz頻段)和FR2頻段(24.25GHz～52.6GHz，即毫米波頻段，3GPP R17進(jìn)一步擴(kuò)展支持從52.6GHz到71GHz頻段以及免許可頻段)。毫米波雖然有傳播距離短和穿透性差的缺點(diǎn)，但其帶來大帶寬和高速率：帶寬能達(dá)到400MHz甚至800MHz，傳輸速率可達(dá)到10Gbit/s。同時(shí)，由于毫米波頻率高，天線尺寸小，終端可以集成更多的天線，形成更窄的波束。當(dāng)前毫米波應(yīng)用場(chǎng)景主要是基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)熱點(diǎn)，如交通樞紐、展館、體育場(chǎng)、步行街等；智慧園區(qū)，與人工智能技術(shù)結(jié)合，疊加豐富的智能業(yè)務(wù)，提供本地化園區(qū)的解決方案；固定無線寬帶接入以及接入回傳一體化，可以通過毫米波做寬帶接入乃至接入回傳一體化的服務(wù)。

CPE(Customer Premise Equipment，客戶終端設(shè)備)是上述毫米波主要應(yīng)用場(chǎng)景中的典型終端載體，室內(nèi)外都能用到，可以像手機(jī)一樣通過插卡獲得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，然后直接充當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)接口，或者將其轉(zhuǎn)化為WiFi信號(hào)，供家庭或者辦公等場(chǎng)景內(nèi)設(shè)備進(jìn)行連接?；诋?dāng)前毫米波主要應(yīng)用場(chǎng)景，目前關(guān)于CPE在各種室內(nèi)外場(chǎng)合5G毫米波信號(hào)接收性能數(shù)據(jù)大多聚焦于城市街區(qū)、交通樞紐以及大型場(chǎng)館等非視距路徑和弱信號(hào)場(chǎng)景，很少涉及基站近處局部復(fù)雜環(huán)境下的場(chǎng)景。因此，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，需要增強(qiáng)對(duì)CPE置于基站近處的非視距路徑、樓梯間以及穿樓層局部孔洞拉遠(yuǎn)等弱信號(hào)場(chǎng)景多向接收室外5G毫米波基站信號(hào)接收探究。

2 毫米波信道特征

毫米波相比厘米波寬帶寬，但隨著射頻頻段升高，無線電信號(hào)的傳播行為與光的傳播越來越類似，準(zhǔn)光學(xué)傳播的低衍射概率導(dǎo)致高的阻塞概率，在較低頻段中很少能觀察到的幾何因素如路燈、樹木和小家具等形成了阻塞的損耗，使得位于建筑物后面或角落附近位置處的通信終端所接收的信號(hào)會(huì)被嚴(yán)重衰減[1]。同時(shí)，移動(dòng)的人或物等很多在不影響低頻信號(hào)傳播的因素也會(huì)引起高頻傳播擾動(dòng)，使得高頻信道變得不穩(wěn)定。

2.1 毫米波傳輸路徑損耗參數(shù)

空間傳播的損耗與載波頻率和距離有關(guān)，當(dāng)載波頻率從6GHz提升到60GHz，則相同距離的衰落會(huì)提升100倍。

PL=β+α·10lgd

(1)

這是路徑損耗隨距離的變化公式[2,6]，其中，α為路徑損耗指數(shù)因子，表示路徑損耗隨距離變化的情況；β則涵蓋了其他影響傳播的損耗因素，并在特定場(chǎng)景下會(huì)抽象為一個(gè)常數(shù)；d為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離。對(duì)于高頻傳輸，更多關(guān)注的是路徑損耗的因子，因?yàn)槠渲苯佑绊憣?shí)際部署時(shí)的覆蓋范圍。

對(duì)典型毫米波應(yīng)用頻段28GHz和38GHz來說，其路徑損耗可進(jìn)一步表示為[3]

(2)

其中，d0是近似自由空間的參考距離(設(shè)置d0=5m)；λ為波長(zhǎng)(28GHz是10.71mm，38GHz是7.78mm)；α是距離和所有指向角的平均路徑損耗因子；Xσ陰影隨機(jī)變量，為均值0、方差σ的高斯隨機(jī)變量。

在無線蜂窩的城區(qū)場(chǎng)景中，當(dāng)終端和基站距離較近且沒有建筑物遮擋時(shí)，通常包含視距路徑(Line of Sight，簡(jiǎn)稱LOS)；其他經(jīng)過建筑物的繞射及反射損耗的傳播路徑稱之為非視距路徑(Non Line of Sight，簡(jiǎn)稱NLOS)。表1給出5G毫米波常用的28GHz和38GHz頻段下路徑損耗因子α和陰影隨機(jī)變量σ標(biāo)準(zhǔn)差。

表1 5G毫米波常用頻段α與σ

上述典型5G毫米波應(yīng)用頻段參數(shù)說明，高頻傳輸?shù)男盘?hào)衰落并不會(huì)隨著距離的增大而顯著提升。特別從損耗因子α角度看，Sub 6Hz在LOS和NLOS下分別為2.2和3.67，毫米波與低頻只是僅僅有著固定的差值(LOS下差距極小，NLOS下差距略大)，說明高頻傳輸?shù)母髶p耗可以通過技術(shù)手段克服。

根據(jù)費(fèi)葉思公式[2]

(3)

PR是無阻擋自由空間的接收功率，PT是發(fā)射功率，GT和GR分別是發(fā)射和接收天線的增益，R是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離，f是載頻，c是光速。在理想的全向發(fā)射(GT=1)和全向接收(GR=1)條件下，接收信號(hào)功率與載頻的平方成反比。在實(shí)際應(yīng)用中，天線增益(GT或GR)大于1的天線或天線陣列被用于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，在給定天線孔徑的條件下，天線增益與載頻的平方成正比，也就是說，高頻段的發(fā)射和接收天線，能夠通過相對(duì)較窄的方向性波束，以更集中的能量進(jìn)行發(fā)射和接收。

2.2 毫米波傳輸LOS概率和路徑損耗計(jì)算模型

進(jìn)一步地，在毫米波傳輸信道建模過程中，通常使用LOS概率來建模終端和基站間的傳播路徑中是否包含LOS路徑。在UMa(基站高于周圍建筑物)環(huán)境下LOS概率不僅與基站和終端的室外水平距離d2D-out相關(guān)，還與終端高度hUT相關(guān)，LOS概率PLOS具體可表達(dá)為[4,8]

PLOS=PLOS-ITU-UMA(1+C(d,hUT))

(4)

其中，C(d2D-out，hUT)表示近距LOS(用戶在基站周圍建筑物中，基站與終端之間無障礙物)與遠(yuǎn)距LOS(通常是指終端和基站間有矮障礙物阻隔，但障礙物對(duì)高層用戶起不到遮擋作用)之間的概率之比。

比較高的終端在距離基站比較遠(yuǎn)時(shí)與ITU信道規(guī)定的LOS概率相差較大，需要通過增加相關(guān)性因子對(duì)于距離大于18m高度以及在[13m,23m]范圍內(nèi)的用戶增加LOS概率進(jìn)行修正。

(5)

其中

(6)

UMa場(chǎng)景下毫米波頻段的NLOS 3D信道路損為

PL=max(PLUMa-NLOS,PLUMa-LOS)

(7)

即，取UMa場(chǎng)景NLOS和LOS路損值的最大者。

在陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差σ=4的情況下，

(8)

在陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差σ=6的情況下，

PLUMa-NLOS=161.04-7.11log(W)+7.5log10(h)-
(24.37(h/hBS)2)log10(hBS)+(43.42-
3.11log10(hBS))(log10(d3D)-3)+20log10(fc)-
3.2(log10(17.625))2-4.97)-0.6(hUT-1.5),
10m

(9)

由式(9)看出，UMa環(huán)境布局對(duì)NLOS傳輸路徑損耗有很大影響，建筑物的平均高度和建筑物中間的廊道寬度會(huì)影響傳輸鏈路的路徑損耗。

3 CPE毫米波NLOS弱信號(hào)具體場(chǎng)景下接收性能

目前毫米波通信收發(fā)系統(tǒng)基于毫米波上述特性，配置了物理緊湊型天線實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO操作，提升天線和波束賦形增益，提高能量效率；提升空間復(fù)用增益，提高頻譜效率；提升窄帶波束方向性通信，提高空間復(fù)用性能。

當(dāng)毫米波通信的雙方為毫米波基站和客戶終端設(shè)備CPE時(shí)，兩者的功率地位是明顯不對(duì)等的，后者尤其在上行功率方面是明顯不足的，因此其在NLOS、封閉半封閉狹窄空間、拉遠(yuǎn)低功率等弱信號(hào)場(chǎng)景下的具體表現(xiàn)是非常需要關(guān)注的。

為此，組建一個(gè)UMa[1]場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用NSA構(gòu)架的數(shù)模混合波束賦形結(jié)構(gòu)[5]的毫米波基站(AAU)和LTE基站(天饋+RRU)置于一中間有較大天井空間的口字形樓群南側(cè)裙樓四樓樓頂，機(jī)械俯角12度并朝北向，基站方面錨點(diǎn)頻率為L(zhǎng)TE Band1，毫米波頻段選n257，毫米波基站為512陣子(4個(gè)射頻通道，每通道128陣子)，單個(gè)信道最大輸出功率25dBm，EIRP最大51dBm；同時(shí)，把用于接收毫米波信號(hào)的CPE置于手推車上，CPE上下行MIMO均為2*2，單個(gè)信道最大功率14dBm，EIRP最大23dBm。

然后分別把CPE置于基站底部非視距路徑、樓梯間以及穿樓層局部孔洞拉遠(yuǎn)以及關(guān)聯(lián)弱信號(hào)場(chǎng)景多向接收室外5G毫米波基站信號(hào)場(chǎng)景下進(jìn)行針對(duì)性的測(cè)量。

3.1 CPE 反射環(huán)境下的NLOS位置毫米波信號(hào)接收

CPE非視距NLOS位置選取的是基站底座下部裙樓一樓內(nèi)的半開間，半開間朝向口字型樓群天井(基站位于口字型樓群中的南側(cè)裙樓上)，即基站和半開間間隔著二樓和三樓樓體。

實(shí)測(cè)場(chǎng)景如圖1所示，接收機(jī)CPE位置是位于相對(duì)空曠環(huán)境，但地面對(duì)毫米波基站信號(hào)形成反射環(huán)境，使得CPE在地面反射環(huán)境下的NLOS位置接收毫米波信號(hào)。

進(jìn)一步地，如圖2所示，分別把半開間內(nèi)的CPE按東、西、南、北四個(gè)朝向進(jìn)行實(shí)測(cè)(和圖1視角正好相反，可以看到具有綠地、行道和車棚的完整天井)。

圖2 實(shí)測(cè)場(chǎng)景二

實(shí)測(cè)Beam ID(波束標(biāo)識(shí))、RSRP(Reference Signal Receiving Power，參考信號(hào)接收功率)、MCS(Modulation and Coding Scheme，調(diào)制編碼方案)、BLER(Block Error Rate，誤塊率)、THP(Throughput，吞吐率，也簡(jiǎn)作TUP，分物理層和應(yīng)用層)以及PDCP(Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

這組數(shù)據(jù)中，位于天井底部一側(cè)裙樓一樓半開間內(nèi)的CPE，因在空曠地面反射環(huán)境的NLOS路徑下毫米波衰減小，對(duì)毫米波信號(hào)的接收數(shù)據(jù)情況還是比較理想的(應(yīng)用層在 MCS 28理想值，THP可以達(dá)到均值459.7Mbps，上述四個(gè)朝向MCS值和THP總體情況除了西向略差，其余均尚可)。

3.2 CPE樓梯間位置毫米波信號(hào)接收

如圖3所示，把CPE放置在狹窄空間的樓梯間內(nèi)(圖1基站所在樓左側(cè)的樓內(nèi)樓梯間，該樓共五層，總層數(shù)高于基站所在樓)接收毫米波信號(hào)。

圖3 實(shí)測(cè)場(chǎng)景三

測(cè)試共測(cè)5個(gè)樓層，每個(gè)樓層測(cè)4個(gè)方向，CPE朝北和朝南均距離窗戶0.65m，朝西距離窗戶0.40m，朝東距離窗戶1.25m。 測(cè)得的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

從上面數(shù)據(jù)看出，一方面，CPE在不同樓層的樓梯間，其毫米波接收性能是不相同的，即終端高度和基站高度相對(duì)變化時(shí)毫米波接收性能會(huì)相應(yīng)變化，與前述第2節(jié)所述理論部分基本相符。另一方面，在具體某層的樓梯間內(nèi)，CPE不同的朝向其毫米波接收性能也有很大不同，且由于樓梯間內(nèi)涉及不同朝向的LOS和NLOS路徑下因毫米波信號(hào)傳播路徑很復(fù)雜，已經(jīng)超出前述第2節(jié)所述的理論模型所覆蓋的場(chǎng)景。

具體到不同樓層方面，一樓和二樓距離基站較遠(yuǎn)，一樓和二樓的朝東向和朝南向都是完全NLOS路徑，基本情況差不多，雖然表中反映的是一樓的朝東和二樓的朝南毫米波信號(hào)不能穩(wěn)定捕捉，但實(shí)際CPE位置稍挪動(dòng)也會(huì)存在二樓的朝東和一樓的朝南不能穩(wěn)定捕捉毫米波信號(hào)的情況；一樓和二樓朝西向是朝向樓梯間窗戶，有比較大的LOS概率，MCS值和數(shù)據(jù)吞吐率都比較高；朝北向都基本靠樓梯斜面反射，由于樓梯斜面和基站是正對(duì)方向，反射的信號(hào)還是有保證的，但由于距離基站較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)表現(xiàn)比較勉強(qiáng)。

三樓和四樓CPE位置由于接近基站，各個(gè)朝向都是有效接收數(shù)據(jù)的。朝西向是朝向樓梯間窗戶，有比較大的LOS概率，MCS值和數(shù)據(jù)吞吐率都比較高，朝東向都背向窗戶數(shù)據(jù)相對(duì)較差；朝北向雖然都基本靠樓梯斜面反射，但由于樓梯斜面和基站是正對(duì)方向，反射的信號(hào)有足夠保證所以數(shù)據(jù)也還是有足夠保證，不過也因具體NLOS路徑呈現(xiàn)差異；三樓朝南向和四樓朝南向有一定的差異，這也和三樓、四樓的具體NLOS路徑有一定關(guān)系。

五樓樓梯間實(shí)際位置是高于具有機(jī)械下傾角的毫米波基站的，朝西和朝北方向有信號(hào)是難得的，說明樓梯間外部存在一定的反射環(huán)境，導(dǎo)致可以接收到一定速率的毫米波信號(hào)。

3.3 CPE穿樓層局部孔洞外部拉遠(yuǎn)位置毫米波信號(hào)接收

基于圖1和圖2，進(jìn)行CPE相對(duì)基站水平距離的穿樓層局部孔洞拉遠(yuǎn)測(cè)試，拉到口字型樓群相對(duì)于基站所在位置的裙樓的對(duì)面?zhèn)纫簿褪潜眰?cè)的裙樓底樓門洞通道的外側(cè)，如圖4所示，即已經(jīng)到了口字型樓群的外部，以通道外緣為基準(zhǔn)分別拉遠(yuǎn)0m，3m，6m，9m，12m，15m六個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)四個(gè)方向，測(cè)得如下數(shù)據(jù)(表4所示)。

圖4 實(shí)測(cè)場(chǎng)景四

表4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

從穿樓層孔洞拉遠(yuǎn)測(cè)試看，毫米波信號(hào)強(qiáng)度依照拉遠(yuǎn)距離逐漸衰減，從口字型樓群北側(cè)裙樓底樓門洞通道內(nèi)的反射、繞射后，還是有一定距離能夠有效通信的，一直拉遠(yuǎn)到了門洞外部15m才脫網(wǎng)。

這個(gè)拉遠(yuǎn)測(cè)試南向是有部分LOS路徑的，但因裙樓底樓門洞通道空間有限，拉遠(yuǎn)到較遠(yuǎn)距離時(shí)，LOS概率逐漸降低，直至脫網(wǎng)。

3.4 CPE在模擬弱信號(hào)狀態(tài)下的毫米波信號(hào)接收

模擬弱信號(hào)測(cè)試，基站功率下降20dB，gNB這項(xiàng)，TX Power也降了20dB為5dBm，EIRP降為31dBm。追加樓梯間弱信號(hào)測(cè)試并得到數(shù)據(jù)(表5所示)。

表5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

從表5可以看到弱信號(hào)下樓梯間信號(hào)衰減程度非常大，樓梯間一樓和二樓覆蓋非常弱，基本沒有速率，整體覆蓋范圍明顯減小。此外，之前的強(qiáng)點(diǎn)峰值速率也明顯下降。

毫米波相對(duì)于低頻會(huì)出現(xiàn)近距離完全收不到信號(hào)的情況，這是由于隨著頻率的升高，電磁傳播的粒子性增強(qiáng)，反射和衍射的特性增強(qiáng)，散射特性降低，再考慮本身傳播損耗就比較大，從而會(huì)導(dǎo)致此種情況發(fā)生。

綜合CPE在非視距、樓梯間、穿樓層孔洞拉遠(yuǎn)、模擬低功率場(chǎng)景下毫米波信號(hào)接收的數(shù)據(jù)來看，相對(duì)于大空間室內(nèi)，樓梯間干擾因素更大，有反射、散射、小物體阻塞陰影區(qū)繞射、衍射參與；毫米波反射在天井底部一側(cè)裙樓一樓半開間數(shù)據(jù)良好表現(xiàn)方面，貢獻(xiàn)突出；穿樓層孔洞拉遠(yuǎn)測(cè)試表明，毫米波透過裙樓底部門洞通道還有一定輻射能力，有反射、散射、繞射參與。

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)環(huán)境下的CPE在基站底部非視距路徑、樓梯間以及穿樓層局部孔洞拉遠(yuǎn)等相關(guān)弱信號(hào)場(chǎng)景多向接收室外5G毫米波基站信號(hào)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除了毫米波在純地面反射的NLOS路徑下衰減不嚴(yán)重外，其余弱信號(hào)下衰減均非常嚴(yán)重，毫米波這種源于對(duì)幾何阻塞的脆弱性和傳播環(huán)境的敏感性造成的高路徑損耗會(huì)最終形成時(shí)間和空間上的不平衡性，呈現(xiàn)稀疏的信道特征。

但是，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)毫米波反射、散射、繞射確實(shí)彌補(bǔ)了相當(dāng)程度的輻射能力，這是增強(qiáng)基站近處局部復(fù)雜環(huán)境下CPE接收毫米波信號(hào)的有效方式，為此可以基于此方面進(jìn)行針對(duì)性的接收環(huán)境和接收設(shè)備性能增強(qiáng)改進(jìn)。

4.1 接收環(huán)境方面的增強(qiáng)措施

基站側(cè)增強(qiáng)多站覆蓋和協(xié)作，使得單基站近處局部復(fù)雜環(huán)境得到其他基站信號(hào)增強(qiáng)覆蓋[5,7]。

在普遍接收信號(hào)弱點(diǎn)方向集中區(qū)，找到合適的界面位置，如墻體、廣告牌等，加裝基于界面電磁學(xué)技術(shù)的毫米波相控陣天線，對(duì)基站毫米波信號(hào)進(jìn)行反射或透射，實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)增強(qiáng)[1]。

基站近處局部復(fù)雜環(huán)境特別是室內(nèi)加裝有源室分微基站，強(qiáng)化熱點(diǎn)覆蓋。

4.2 接收設(shè)備方面的增強(qiáng)措施

毫米波基站內(nèi)部天線陣列后方增加反射透鏡，增強(qiáng)集中弱信號(hào)拉遠(yuǎn)區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度[9]。

CPE設(shè)備本身增加旋轉(zhuǎn)性，通過人工智能統(tǒng)計(jì)信號(hào)強(qiáng)區(qū)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)到信號(hào)強(qiáng)度高的方向進(jìn)行信號(hào)接收。

CPE設(shè)備分拆為室外和室內(nèi)部分或者5G通信部分和Wifi通信部分，室外部分或5G通信部分在信號(hào)強(qiáng)區(qū)接收的毫米波信號(hào)經(jīng)有線線纜傳到信號(hào)弱區(qū)的室內(nèi)部分或Wifi通信部分轉(zhuǎn)換為Wifi信號(hào)。