室内走廊环境高频段宽带无线信道测量与建模

王 萍 勾天杭，2 李朋朋，2 李颖哲，2 赵振维 张利军

(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050； 2.中国科学院研究生院，北京 100039；3.中国电波传播研究所，山东 青岛 266107)

引 言

随着无线通信技术的迅速发展，无线频谱资源越来越紧张[1]。而高频段无线频谱资源应用相对空闲，且具有衰落快、波束集中，方向性强，不易受干扰等特点。如果能合理利用高频段频谱资源，与现有的无线通信系统相结合，优势互补，将能很大程度上提高通信系统的性能，满足持续增长的业务需求。此外，高频段电磁波的波长相对低频段电磁波小，使得所需的天线尺寸减小，适合终端设备的小型化。

对高频段无线信道特征加以认识是合理利用高频段频谱资源提高通信系统性能的基础。为此，需要对高频段宽带无线信道进行测量与建模，获取电波传播的特性，为系统设计提供参考。目前，受商用信道探测器的限制，多数无线信道测量频点集中于传统蜂窝移动通信系统的工作频段[2-5]，不能支持6 GHz以上频率的测量。国内外，高频段宽带无线信道测量建模工作已经开展[6-8]，然而，高频段宽带无线信道测量及建模还不够成熟，需要进行更多的信道测量和建模。在国家科研项目支持下展开的14 GHz室内走廊环境下的宽带无线信道测量与建模作为对高频段无线信道特性研究的一部分，对于后续技术的研发具有较重要的参考价值。

本文介绍了无线信道的参数化模型的理论基础，从设计搭建测试平台开始，依次介绍了高频段宽带无线信道的测量方法，测试平台参数及场景的配置，给出基于信道测量数据的参数化模型结果并进行了分析。

1.无线信道参数化模型分析

为了描述信道参数化模型对某一无线环境进行大量的信道测量，获得具有潜在统计特性的无线信道测量数据集合，对测量数据中的无线信道参数进行统计分析建模，获取信道的参数化模型。由于信道的参数化模型是建立在统计意义上的，不仅适用于测量环境本身，还适用于其他类似环境。信道的参数化模型主要包括以下几个方面：

1.1 路径损耗和阴影衰落

传输损耗(TL)定义为所有时延上的传输径能量总和，

(1)

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

(2)

李氏定理[9]指出:对特征长度为40个波长的距离间隔内采样36～50个传输损耗样本做平均可以去除由多径传输引起的快衰落。处理数据过程中按照李氏定理的要求取平均，所以只考虑路径损耗和阴影衰落。

路径损耗模型是某种环境下无线信号衰落与发射机和接收机之间距离的关系模型[10]

PL(d)[dB]=10n·log10d+B

(3)

式中：n是路径损耗系数；d为发射机与接收机之间的距离； 截距B是d=1时路径损耗的值。

对比传播路径上大量的传输损耗与统计的路径损耗模型，可以得到阴影衰落是服从零均值方差为σSF的正态分布[10]

SF～N[0，σSF]

(4)

1.2 时延扩展参数

由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展的现象称为时延扩展。描述时延扩展的参数有平均附加时延、均方根(RMS)时延扩展和最大附加时延扩展，他们都与时延功率谱有关[10]。

平均附加时延是时延功率谱密度的一阶矩，某一测量时刻t的平均附加时延定义为

(5)

RMS时延扩展是时延功率谱密度的二阶矩，是随机信道建模中最常用的时延参数，其定义为

(6)

最大附加时延扩展定义为是多径能量从初值衰落到低于最大能量X(dB)处的时延。一般称起始时延到最大附加时延扩展这段时延时间为信道的时延窗。

1.3 角度扩展参数

角度扩展描述的是多径在空间的统计分布特性，分别有发射方位角扩展、发射俯仰角扩展、接收方位角扩展、接收俯仰角扩展。角度扩展参数最常用的是RMS角度扩展[10]，其定义和计算如下：

令Δ为一个角度的偏移量，在计算方位角时Δ∈(-π，π]，计算俯仰角时Δ∈[-π/2，π/2]。定义角度变量为

θi(Δ)=θi+Δ，θi∈{φi，ϑi}

(7)

这里θi∈{φi，ϑi}，i=1，2，…，Nθ为在角度上的采样点。将θi转换到角度范围

(8)

功率角度谱的一阶矩为

(9)

将所有的角度以一阶矩θmean(t)归一化

(10)

(11)

(12)

2.信道测量系统及场景描述

由于现有信道探测器不能支持中心频率在6 GHz以上的信道测量，需要自行搭建信道测量系统。文献[8][11][12]中，采用矢量网络分析仪进行高频段宽带无线信道测量。本次信道测量平台基于扫描频率测量法设计，采用商业测试仪器构建，同时结合方向性天线，可在宽频带内测量时域色散和空域色散的多径信道。

本测量平台中，安捷伦N5230A矢量网络分析仪的发射端口通过电缆连接功率放大器和发射天线构成发射机，接收天线通过馈线连接到矢量网络分析仪的接收端口构成接收机，控制电脑通过GPIB数据线控制矢量网络分析仪采集存储数据。发射天线为全向天线，接收端选用了窄波瓣的喇叭天线作为接收天线，根据方向性天线测量方法捕捉信道空间信息。测量时，将喇叭天线固定在一个带有刻度的旋转平台上，根据精度需求按刻度旋转平台带动喇叭天线扫描遍历所有一周方位角。利用窄波瓣喇叭天线获取信道空间信息，需假设在测量期间信道保持恒定不变。因此，这种获取信道空间信息的方法适用于慢变化的环境。

图1 高频段无线信道空间特性测量系统平台

参数测量平台配置测量场景室内走廊中心频点14GHz带宽100MHz发射天线全向天线接收天线定向喇叭天线,水平波瓣9度发射天线高度2m接收天线高度1.5m测量范围30m

图2为14 GHz室内封闭走廊测量场景示意图。测量基站(BS)架设在走廊的一端，移动台(MS)测量路径位于走廊中间。测量路径包括直视路径(LOS)和非直视路径(NLOS)两类区域。

图2 14 GHz频段封闭走廊测量场景和测量路线

3.数据处理结果及分析

正式测量之前，应对测量系统进行校准，去除测量链路中仪器、功放、线缆、接头等对频域响应测量结果的影响，让校准后的频域响应在测量带宽内保持平坦。利用高精度的信道参数提取算法[13]，对信道测试数据进行分析处理，获得信道参数化模型。

3.1 路径损耗与阴影衰落

在走廊的不同位置，测试数据体现出不同的衰减特征。收发距离在10 m以内时，走廊两侧均为办公室及会议室，表现出良好的封闭管道特征；收发距离在10～20 m之间，走廊两侧有楼梯通道和电梯存在，对电波的衰减较大；而收发距离较远处，走廊的弯曲墙体对电波有反射，增强了接收到的信号功率。为了体现楼梯电梯等物体对电磁波的衰减，在数据分析时将楼梯电梯附近的测试数据与其他测试数据分开拟合。

图3描绘的是14 GHz室内封闭走廊环境下信道传输损耗随基站和移动台之间距离变化的分布图及其拟合结果，表2显示了相应的路径损耗和阴影衰落参数。

图3 14 GHz频段室内场景实测传输损耗

从表2中可见：封闭走廊中路径损耗因子小于2，而当走廊两侧有楼梯电梯时，路径损耗因子比较大。这是由于电波在室内封闭走廊中传播时能量比较集中，体现出一定的波导效应，而楼梯电梯附近，由于楼梯电梯通道对电波传播带来较大损耗。

表2 14 GHz频段室内封闭走廊场景

由于14 GHz频段对于目前常用的移动通信频段来说属于高频段，路径损耗相对于同类场景低频段较大，而且随距离增加也较快。另一方面考虑到14 GHz频段频谱资源丰富，所以该频段适合用作室内短距离宽带通信传输，或者室外基站间宽带互联。

3.2 时延扩展参数

图4为测量获得的14 GHz频段室内封闭走廊场景的信道冲激响应，计算得到的时延参数见表3.

图4 14 GHz 频段室内场景测量点的时延功率谱

经统计，14 GHz频段室内封闭走廊场景的信道时延扩展参数如表3。14 GHz频段电波传播的损耗相对较大，传播距离小，能从远处反射到达接收机的多径能量较少，接收机接收到大延迟且具有较大功率的多径信号几率很小，导致信道时延扩展较小。

表3 14 GHz频段室内封闭走廊场景的时延扩展参数

3.3 角度扩展参数

测量获得的归一化的角度功率谱如图5.由角度功率谱可获得信道的平均角度和角度扩展(AS)，如表4.

图5 14 GHz频段室内场景LOS(左)和NLOS(右) 区域的归一化角度功率谱

可以看出，LOS区域的平均角度指向基站方向，而NLOS区域的平均角度则指向主要反射体方向；LOS区域角度相对NLOS区域较为集中。因此，高频段LOS环境下适合进行对方向性要求高的通信，而NLOS环境下，则可利用散射体增强信号的覆盖范围。

表4 14 GHz频段室内封闭走廊场景的角度扩展

4.结 论

针对室内封闭走廊环境，在14 GHz频段上对宽带无线信道时间和空间特性进行了研究，获得了路径损耗和阴影衰落、时延扩展、角度扩展信道参数。分析结果表明:高频段无线信道的时延扩展较小，LOS环境下波束集中，NLOS环境中的散射体可以增加电磁波的覆盖范围。这些结果为高频段无线通信领域的深入研究奠定了基础。

致谢：感谢中国电子科技集团公司22所专家在测量中给予的帮助。

[1] ITU-R.Report ITU-R M.2024，Summary of Spectrum Usage Survey Results[R/OL]．[2011-08-23].http://www.itu.int/pub/R-REP-M.2024

[2] NIE Xin，ZHANG Jianhua，ZHANG Yu，et al.An experimental investigation of wideband MIMO channel based on indoor houspot NLOS measurements at 2.35 GHz[C]// IEEE GLOBECOM.New Orleans，2008:1-5．

[3] KIM M D，KWON H K，PARK B S，et al.Multipath channel parameters based on indoor hotspot channel measurements at 3.7 GHz[C]// Proceedings of the 13th International Conference on Advanced Communication Technology.Phoenix Park，2011:579-583．

[4] 李颖哲， 王 萍， 勾天杭， 等.散射环境下宽带移动通信衰落信道扩展模型[J].电波科学学报，2009，24(6):1159-1163．

LI Yingzhe，WANG Ping，GOU Tianhang，et al.An extended radio channel model of scattering environment for broadband mobile communication[J].Chinese Journal of Radio Science，2009，24(6):1159-1163.(in Chinese)

[5] 张 蕊， 张利军， 原梦珏，等.多输入多输出宽带时变信道分布散射模型研究[J].电波科学学报， 2011， 26(1):73-78．

ZHANG Rui，ZHANG Lijun，YUAN Mengyu，et al.Distributed scattering model for MIMO wideband and time-variation channel[J].Chinese Journal of Radio Science，2011，26(1):73-78.(in Chinese)

[6] BARDIA A，NAYEF A，KAVEH P.UWB channel measurements for accurate indoor localization[C]//IEEE Military Communications Conference.Washington，2006:1-7．

[7] 王映洲， 龚 克， 李利军.毫米波室内传播的场强测量[J].电波科学学报， 1999， 14(4): 389-395．

WANG Yingzhou，GONG Ke，LI Lijun.Field strength measurements on millimeter-wave indoor propagation[J].Chinese Journal on Radio Science，1999，14(4):389-395.(in Chinese)

[8] 张念祖， 刘蕾蕾， 洪 伟， 等.车内宽带信道测量与建模[J].电波科学学报 ，2009， 24(5): 793-798．

ZHANG Nianzu，LIU Leilei，HONG Wei，et al.Measurement and modeling of wideband channel for in-vehicle environment[J].Chinese Journal of Radio Science，2009， 24(5): 793-798.(in Chinese)

[9] LEE W C Y.Estimate of local average power of a mobile radio signal[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，1985，34(1): 22-27．

[10] IST-4-027756 WINNER II D 1.1.2 V1.0 WINNER II Channel Models Patr II:Radio Channel Measurement and Analysis Results[R/OL].[2011-08-23].http://www4.tu-ilmenau.de/nt/generic/paper_pdfs/Part%20II%20of%20D1.1.2.pdf．

[11] SALOUS S.High bandwidth indoor measurements[C]//Proceedings of Antennas and Propagation Congerence.Loughborough， 2010:79-83．

[12] KALIVAS G，EL-TANANY M，MAHMOUD S.Channel characterization for indoor wireless communications at 21.6 GHz and 37.2 GHz[C]// Proceedings of the 2nd Universal Personal Communications.Ottawa， Canada，1993:626-630．

[13] 王 萍， 李颖哲. 一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法: 中国， 200910054644.8[P].2009-11-25．