走廊环境极化信道大尺度特性测量与建模

胡留军,张继良,汪 洋,丁丽琴,陈诗军

走廊环境极化信道大尺度特性测量与建模

胡留军1,张继良2,汪 洋2,丁丽琴2,陈诗军1

(1.中兴通讯股份有限公司,广东深圳 518055;
2.哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳 518055)

为了建立室内走廊环境2.4~2.5 GHz极化大尺度衰落模型,采用矢量网络分析仪搭建无线信道测量平台,并利用该平台在典型教学楼走廊环境下测量信道。通过测量数据提取信道的损耗系数、交叉极化隔离、阴影衰落方差、频率补偿系数等大尺度特性参数,建立该环境极化信道的大尺度衰落模型。测量结果表明,在2.4~2.5 GHz频带,频率对大尺度衰落的影响可忽略不计。

走廊信道;极化信道建模;极化信道测量;大尺度衰落

2.4 ~2.5 GHz频带被广泛应用于工业、医疗和科学领域的无线通信系统。评估无线通信系统传输容量和可靠性,需建立无线信道模型以模拟各种实际信道环境。对于网络规划和链路预算算法而言,大尺度衰落模型尤为重要。当收发天线采用多种极化方式发射、接收信号时,一方面需要考虑收发距离增大导致的接收功率下降,另一方面需要考虑不同极化类型的发射天线、接收天线之间的交叉极化隔离带来的能量损失。

大尺度信道测量可采用时域测量和频域测量2种方式。时域测量需要大量昂贵的高速器件,且需要自行搭建测试平台,研究成本高,周期较长。频域测量可利用网络分析仪,测量数据量大,测量精度高[1-6]。目前大多数研究机构均采用基于网络分析仪的频域测量技术对各类室内无线信道进行研究。

1990年,Zaghloul等[1]率先采用网络分析仪测量900~1100 MHz室内信道,并给出了传输损耗系数。1993年,Kalivas等[2]采用网络分析仪测量了21.6、37.2 GHz频带穿墙后的损耗增量。1996年, Santella等[3]对室内1、5.5、10、18 GHz四个频点进行测量,并给出了室内信道的传输损耗系数。受大散射体的影响,电波功率会产生微小的波动,这种波动称为阴影衰落。Araque等[4]通过实测给出了室内802.11a信道的传输损耗系数和阴影衰落方差。文献[7-12]采用网络分析仪测量单极化无线信道的大尺度衰落特性,建立了响应的信道模型,并通过实测分析了典型MIMO无线通信系统的差错性能。

研究表明,极化分集能显著提高信道容量[15],因此,有必要对极化信道进行建模。Molina-Garcia-Pardo等[5]在2.45 GHz频率下对室内极化宽带信道进行测量,建立了极化信道的传输损耗模型,给出了传输损耗系数、交叉极化隔离及墙壁引起的损耗增量。

走廊环境是室内信道环境的重要组成部分,目前针对走廊的信道测量与建模往往关注单极化无线传播信道,如Andrusenko等[13]采用信号发生器和频谱分析仪测量了室内走廊环境单极化无线信道,但针对中国典型城区走廊环境大尺度极化信道模型的研究尚不多见。鉴于此,选择802.11b/g规定的2.4~2.5 GHz测量频带及该频带极化信道的损耗系数、交叉极化隔离、阴影衰落方差、频率补偿等参数,对哈尔滨工业大学深圳研究生院C教学楼2层南侧走廊采用网络分析仪进行测量和数据分析,以得到走廊环境大尺度衰落模型。

1 测量系统及测量方案

2.4 ~2.5 GHz宽带无线信道测量系统基于矢量网络分析仪搭建。信道测量系统的结构如图1所示。矢量网络分析仪采用扫频的方式测量端口间的幅度响应和相位响应。扫频信号经功率放大器放大后通过发射天线发射,信号经无线信道被接收天线接收并经低噪放大器放大后,送入矢量网络分析仪,从而获得信道的频率响应。

图1 信道测量系统的结构Fig.1 The structure of channel sounder system

系统天线为鞭状天线,天线增益GT=GR=7 dB。收发天线高度均为h=108 cm,收发端馈线长度均为L=10 m的同轴电缆,电缆的损耗分别为LT=16.07 dB和LR=15.89 dB;低噪放大器增益GA=15 dB,低噪放大器和馈线共同的幅度响应如图2所示。网络分析仪选用安捷伦公司的E5071B,发射功率PT= 0 d Bm,扫描频点数401个,相邻频点间隔250 k Hz。采用本系统测得的典型无线信道幅度响应如图3所示。为了尽量避免干扰,测量选择在午夜进行。测量环境平面图如图4所示。

图2 测量系统的幅度响应Fig.2 Amplitude response of measurement system

图3 典型无线信道的幅度响应Fig.3 Amplitude response of typical wireless channel

图4 测量环境平面图Fig.4 The plane graph of measurement environment

选取16个测量点,测量点间隔1 m。将垂直极化的发射天线固定在一点,改变接收天线的位置和极化方向,采用网络分析仪分别提取不同情况下信道的传递函数,并根据传递函数的幅度响应得到大尺度衰落模型参数。

2 测量结果

2.1 传输损耗平均值

为了去除放大器和馈线对测量造成的影响,需对放大器和馈线的传递函数进行测量,并在数据处理时将其影响消除。将馈线的2个端点相连,用网络分析仪测得放大器和馈线共同的频率响应Hsys(f)。

在测量信道传递函数时,对测量结果去卷积以消除馈线和放大器的影响,

其中:f为频率;H(f)为信道的传递函数;Hsys(f)为馈线和放大器的传递函数;Hmeas(f)为测得的传递函数。

测量得到的信道传递函数与距离的关系如图5所示。相同位置不同频点的信道传递函数剧烈变化的原因是多径叠加产生的衰落具有频率选择性。

接收信号Y(f)=H(f)X(f)。其中:H(f)为信道传递函数;X(f)为发射信号。则接收信号的功率谱密度为:

若发射信号在全频带内功率谱密度相等,则接收信号的功率为:

因此,信道对信号的损耗为:

频域采样后的信道损耗为各个频率上信道系数的代数平均值:

图5 信道传递函数与距离的关系Fig.5 Relation of channel transfer function and distance

采用最小均方误差估计算法对信道损耗进行线性回归,接收信号功率变化如图6所示,可得同极化和交叉极化情况下的平均传输损耗为:

因此,在垂直、水平极化模式下,无线信道的传输损耗系数分别为αV=1.24,αH=1.06。

2.2 阴影衰落方差

阴影衰落因子服从对数正态分布,根据不同位置接收功率对传输损耗的偏移量,可得到阴影衰落的估计方差代入各个测量点的接收功率值,可得=5.24 dB2。阴影衰落方差与测量数据的关系如图7所示。

图7 阴影衰落方差Fig.7 Variation of sadowing

2.3 交叉极化隔离

根据式(1)、(2),交叉极化隔离值

交叉极化隔离值随距离的增大而减小,这是因为随距离的增大,去极化作用逐渐增强。

2.4 频率补偿

在宽带信道中,不同频率信号的传输损耗可能各不相同,因此,需对大尺度衰落进行频率补偿。在计算频率补偿时,需先消除传输损耗均值和阴影衰落的影响:

其中:HV、HH分别为同极化、交叉极化2种情况下的信道传递函数;LH、LV分别为2种情况下的功率损耗。

排除距离和极化状态的影响,有

将ΔL(f)对f进行线性回归,所得频率补偿如图8所示。根据线性回归的结果可得:

根据式(3)可得max{~f}=0.83≪L。因此,在2.4~2.5 GHz频带,频率对传输损耗偏差的影响可忽略不计,即大尺度衰落无需进行频率补偿。

图8 频率补偿Fig.8 Frequency compensation

3 大尺度衰落模型

传统大尺度衰落模型为[1,14]:

其中:XS~N(0,σ);d~=10αlg d;f~=10βlg f。

由于极化分集能提高信道容量,需考虑天线极化对信道造成的影响。极化的影响需考虑传输损耗差ΔL和交叉极化隔离XPD两个参数,其定义为[7]:

其中:LVV为收发天线均垂直极化时的传输损耗;LHH为收发天线均水平极化时的传输损耗;LVH为发射天线垂直极化而接收天线水平极化时的传输损耗;LHV为发射天线水平极化而接收天线垂直极化时的传输损耗。

朗讯贝尔实验室的测量结果表明[16],ΔL=0, LHV=LVH。结合式(4)、(5),有

XPD=LVV-LVH=LHH-LHV。

若天线之间为交叉极化,则传输损耗为:

L=L0+d~+XS+f~+XPD。大尺度衰落各个参数的测量值如表1所示。

表1 大尺度衰落参数Tab.1 Parameters of large scale fading channel

由表1可知,α的测量值比文献[5]的测量值(αV=1.35,αH=1.23)偏小,这是因为本测量的空间相对狭小,散射信号功率较大。交叉极化隔离的σ2测量值与朗讯贝尔实验室的Ling等[16]的σ2测量值8.5 d B大致相同。

由表1可得收发端天线极化方向相同时的大尺度衰落为:

收发端天线极化方向为交叉极化时的大尺度衰落为:

4 结束语

针对中国城区的典型室内走廊环境,采用网络分析仪测量了2.4~2.5 GHz信道的大尺度衰落参数,并通过这些参数给出室内2.4~2.5 GHz大尺度衰落模型。测量得到了同极化和正交极化情况下的室内传输损耗系数分别为1.24、1.06,交叉极化隔离随距离的增大而降低,其取值为-0.18×10lg d+8.1,阴影衰落的方差为5.24。此外,在2.4~2.5 GHz频带,频率对大尺度衰落的影响可忽略不计。

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[3] Santella G,Restuccia E.Analysis of frequency domain wide-band measurements of the indoor radio channel at 1,5.5,10 and 18 GHz[C]//IEEE GLOBECOM,1996: 1162-1166.

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编辑:张所滨

Measurement and modeling of large scale channel fading under corridor scenario

Hu Liujun1,Zhang Jiliang2,Wang Yang2,Ding Liqin2,Chen Shijun1
(1.ZTE Corporation,Shenzhen 518055,China; 2.Shenzhen Graduate School,Harbin Institute of Technology,Shenzhen 518055,China)

In order to establish corridor polarized large scale channel model,channel measurement is carried out under a typical corridor environment by using a vector network analyzer.Based on the measured data,large scale parameters such as path loss,cross-polarization discrimination,variance of shadow fading and frequency compensation are measured.A corridor polarization large scale channel model is established.The measurement result shows that the frequency compensation is neglectable in 2.4-2.5 GHz frequency band.

corridor channel;polarized channel modeling;polarized channel sounding;large scale fading

收信号功率 Fig.6

signal power

TN929.5

A

1673-808X(2015)05-0361-05

2015-04-27

国家自然科学基金(61501137,61371101);深圳市科技计划(JCYJ20140417172417169);欧盟FP7项目(318992);中兴通讯股份有限公司委托开发项目

张继良(1985-),男,黑龙江大庆人,博士,研究方向为高速无线通信技术、多天线技术及无线电波传播特性建模等。E-mail:zhangjiliang@hitsz.edu.cn

胡留军,张继良,汪洋,等.走廊环境极化信道大尺度特性测量与建模[J].桂林电子科技大学学报,2015,35(5):361-365.