5G毫米波场景信道建模与发展应用

陈祎祎 电信科学技术研究院硕士研究生

任宇鑫 中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

1 引言

为满足未来万物互联时代可预见的、海量增长的通信业务需求，5G标准化及商用测试工作正在按部就班的推进。5G的核心目标，就是彻底突破现有移动通信的速率瓶颈，达到峰值10Gbit/s的超高速数据传输。这需要更大的带宽、更多的频谱资源来提供支持。而目前传统6GHz以下频段的频谱资源已被分配的所剩无几，因此5G提出了采用频率更高的毫米波频段来传输无线信号的畅想。2015年11月，ITU在世界无线电通信大会（WRC）上发布了从24～86GHz的全球可用频率建议列表，为毫米波技术的实施奠定了基调。

新技术的引入往往面临着新的挑战：毫米波波长较短，信号在传播过程中绕射能力差、衰落更高；5G的网络场景更为丰富；大规模天线（Massive-M IMO）的应用更为迫切等新特性都是传统通信系统不曾涉及的。因此，如何构建科学系统的毫米波信道模型，成为亟待解决的问题。本文结合最新3GPP国际标准及国内外相关研究成果，从毫米波信道模型的建模研究以及仿真应用等各个方面进行了阐述。

2 信道特性及应用场景

2.1 信道特性

相较于传统频段，毫米波具有很多新的技术特点，且在应用范围上存在诸多拓展。要实现5G毫米波信道的充分测量与建模研究，了解其信道特性尤为重要，主要集中于大气损耗及雨衰、空间一致性、高速及双向移动等方面。

在室外远距离传输的情况下，由于存在氧气、水汽等环境因素，致使电磁波在传播过程中会受到大气损耗和雨衰的影响。与低频段波相比，毫米波受到的大气损耗尤为严重。但这种衰落并不是单调的，在高频段依然存在某些在大气层透射率高、衰减较小的“大气窗口”，如图1中的深灰色波谷部分所示。这也是美国联邦通信委员会（FCC）建议采用28、39和73GHz频段而被业内广泛接受的原因之一。此外，由于毫米波的短波长特性（其波长甚至与雨滴的尺寸相近），使得毫米波频段的雨衰同时受到降雨量及频率的影响，衰减率随着频率和降雨量的增大而逐渐增大。

5G毫米波信道模型支持更高的频率范围、更大的频带宽度和更小的天线孔径，这对保持信道空间上的一致性提出了更高要求。这是因为5G移动通信是以终端设备和贴近用户的微基站为主体的立体覆盖架构，多种链路类型将会在同一区域内共存，如移动接入、固定前传/回传、终端之间的直接通信信道，并且位置不同终端的信道具有与距离有关的连续性。保持信道的空间一致性使得人们不论何时何地，都能实现实时的收发信息和共享数据。

5G通信系统的重要目标之一就是支持高速及双向移动，即在高速铁路列车、高速公路等密集人群高速移动场景下，使用高频段进行通信。由于高频段的多普勒扩展较明显，增大了信道的波动范围，为信道建模带来了难度。并且，5G物理层设备到设备（D2D）技术的发送端和接收端均具有可移动性，因此在高速运动的信道场景构建中，需要最大化地发挥D2D技术双向移动性的优势。

图1 毫米波频段的大气吸收率（dB/km）

此外，对于5G全频带、多天线的配置方式，保持频率一致性和天线一致性也是在构建信道模型中必须考虑的问题。如何构建出多场景下连续性好的毫米波信道模型成为5G研究的一项关键环节。

2.2 应用场景

除了前几代通信系统的典型应用场景，5G毫米波信道所适用的关键场景简述如下：

（1）室外到室外（O2O）和室外到室内（O2I）的城市微小区（UM i）（街道峡谷，开放区域）：类似于3DUM i场景，其中BS安装在周围建筑的屋顶层下方。UM i开放区域旨在还原真实场景，例如城市或车站广场，典型开放区域的宽度约为50～100m。

（2）具有O2O和O2I的城市宏小区（UMa）：类似于3D-UMa场景，BS安装在周围建筑的屋顶之上。

（3）室内（InH）：此场景旨在还原各种典型的室内部署场景，包括办公环境和购物中心。典型的办公环境包括开放式隔间区域、有围墙的办公室、开放区域、走廊等；购物中心通常高1～5层，可能包括几层共用的开放区域（或“中庭”）。其中，BS安装在天花板或墙壁上2～3m的高度。

（4）回程：包括城市地区的室外屋顶回程和街道峡谷场景，其中小型小区BS放置在灯柱上。（5）车联网中的V2V通信场景：开放区域、街道峡谷和室内场景中的D2D通信。在高速行车、车辆的变道、减速等操作时，可通过D2D通信的方式发出预警。V2V情况下，通信双方设备都是移动的。（6）其他场景：如体育场（敞开式屋顶）和健身房（闭屋顶），农村部署方案侧重于更大和连续的覆盖范围，这种情况的关键特征是支持高速车辆的连续广域覆盖。

3 毫米波信道建模

自ITU于2014年10月形成“IMT-2020”工作计划稿，明确了全球5G发展总体规划、国际标准化流程以来，各项工作有条不紊地进行。在标准化方面，ITU和3GPP将5G标准化研究分为两个阶段：第一阶段研究40 GHz以下的频率，以满足较为紧急的商业需求，于2018年9月完成。第二阶段计划从2018年开始，到2019年9月完成，该阶段专注于最高100GHz的频率，以全面实现IMT-2020的愿景。有关毫米波的信道建模工作，主要集中在信道测量和理论模型构建两个方面。

3.1 信道测量

信道测量主要分为时域和频域两种方案：在室外场景中，常常采用收发端分离的时域方案：在发端采用频率固定的定制射频单元，发送自相关性良好的宽带信号，如PN、ZC序列等。在接收端对接收信号进行解相关运算，继而得到时域信道冲激响应。需要注意的是，收发两端需要通过GPS晶振或原子钟来保持同步。频域测量方案的核心是采用矢量网络分析仪，通过扫频的方式得到一定带宽内的信道频率响应，再利用傅里叶反变换得到信道冲激响应，辅以上下变频器和本震源等模块，则可进一步扩大其测量范围。频域测量法的系统模型相对简单，主要用于室内信道测量。

表1归纳了国际主流的、最新参与5G信道测量的团体和项目组。可以看到，对于毫米波信道的测量研究，各组织机构主要集中于20～30GHz频段，这也符合5G标准化的初步研究愿景。欧洲、日本和中国部分组织对6～20GHz频段有所研究，而韩国及美国并未涉足其中。中美日韩在30～60GHz频段均有拓展，欧洲在此处则发力较少。还可以看到，业内对于宏蜂窝小区的测量着墨不多。关于>60GHz的超高频部分，未来还有许多工作要做，欧美目前处于先导地位。

3.2 模型构建

为构建面向5G的毫米波理论信道模型，各组织机构纷纷建言献策，最权威全面的当属3GPP的标准化信道模型。3GPP在TSG RAN＃69会议上批准了关于“6GHz以上频谱的信道模型”的研究项目。该项目总结了高频技术的研究现状与期望（例如频谱分配、适用场景、测量方案等），构建了频率高达100GHz的信道模型。2017年3月，3GPP发布了TR 38.901，其所描述的信道模型在很大程度上与早期的<6GHz信道模型一致，如3D SCM模型（3GPP TR 36.873）或IMT-Advanced（ITU-RM.2135），为包含大小尺度的基于几何分布统计的信道模型。新模型适用于0.5～100GHz的大频段范围、最高带宽支持达中心频率的10%（不超过2GHz），还支持链路一端的移动性以及信道空间一致性。

此外，最新参与构建5G信道模型的团体和项目组如：METIS（欧盟启动的面向IMT-2020的移动和无线通信推动项目）、M iWEBA（一个将毫米波技术引入移动无线电世界的研究项目，着眼于回程和接入的毫米波演进）、ITU-RM、COST2100、IEEE 802.11（无线局域网通用标准）、NYUW IRELESS（国际公认领先的5G网络研究组织）、Fraunhofer HHI开发的QuaDRiGa信道模型。

以上各模型分别从频带范围、路径损耗、空间建模及一致性、天线设计、双向移动、阻挡衰落等各个方面进行了侧重研究。

4 系统仿真及拓展应用

4.1 系统级仿真分析

毫米波信道模型的重要应用之一，就是针对预设的场景进行理论分析，并与Massive-M IMO、波束赋形等新技术相结合，从而指导5G技术研发与系统验证。本文采用TR 38.901提供的信道模型，基于现有5G基站（gNodeB）的Massive-M IMO配置，对于衰落场景中单用户不同信噪比下的吞吐量进行了仿真。考虑到与现阶段厂商产品能力的结合，仿真频段选取了sub 6GHz，毫米波频段遵循相同模型相同方法。仿真基本参数见表2。

表2 单用户衰落场景吞吐率参数配置

仿真系统中gNodeB采用64射频通道输出以配合现有硬件配置，天线总数为192根。射频通道与天线的映射采用垂直一分三方式，即一个射频通道映射为同一列相同极化方向的三根天线。gNodeB天线采用±45°极化，同一极化对的两根天线间距为0，水平相邻两根同极化方向的天线间距为0.5λ，垂直相邻两根同极化方向的天线间距为0.7λ（见图2）。终端配置为四天线，分为两组，每组天线采用0°和90°极化，组间天线间距为0.5λ。

图3给出了衰落场景单用户不同信噪比下吞吐量比较，由仿真结果可以看到：在5G的毫米波信道模型与天线配置下，单用户吞吐量可以达到Gbit/s量级。随着噪声与速度的增长，吞吐量也显著降低。对于LOS场景的CDL-D信道，其峰值吞吐率随着信噪比的增长，先高于、后低于NLOS场景的CDL-C信道。这反映了在毫米波信道模型中，LOS径在信道质量较差时，可以起到能量聚合的效果；而在信道质量好的情况下，反射和散射径所带来的信号吞吐量提升，开始变得尤为重要。

4.2 拓展应用

毫米波信道模型另一个重要应用在于：在实验室中完成对真实外场环境的模拟，从而指导5G产品的研发与测试。目前，主流趋势是虚拟路测技术（VDT）加空口OTA暗室的实现方法。其主要思想是：首先使用扫频仪、路测终端等仪器仪表对外场信道状况进行实地采集，然后整理路测数据，分析建模生成规范化的信道模型，最后应用于多探头暗室（MPAC）测试系统中，从而将外场环境还原到实验室。系统结构如图4所示。

该方案可以有针对性地定性定量检测被测设备（不限于手机，可能为基站、汽车等）的性能。通过在暗室中模拟无线信道的空间特性，让电磁波以类似于真实场景的方式到达被测终端，实现对于被测设备的有源整体评估。此外还可以依据具体方案进行信道文件的调整，以满足不同测试目标的需要。

图2 gNodeB天线配置示意图

5 结束语

图3 衰落场景单用户不同信噪比下吞吐量比较

图4 模拟外场OTA系统结构图

本文着眼于信道特征、应用场景、建模进展、系统仿真以及拓展测试等维度，对即将到来的5G毫米波信道进行了全面介绍。应当看到，5G毫米波信道模型的构建是一个复杂的体系流程，它不仅集先前信道建模经验之大成，更需要根据新的场景需求不断补充完善。当然，它的应用也是广泛而深远的，无论是对于科学研究，亦或实际工程的实践，都有巨大的指导意义和参考价值，需要业内同仁不断合作与探索。