5G无线传播信道模型分析

于 力

（中国电信股份有限公司太原分公司，太原 030012）

5G无线传播信道模型对于评估和比较不同技术方案的性能，以及对评价整个未来的5G无线系统起着至关重要的作用。因此，分析解决5G信道建模的难点，以及研究信道建模的新方法对整个5G网络规划具有重要意义。

目前，针对5G信道建模研究的方法主要有两种：随机建模方式和基于地图的建模方式。其中，随机建模的目的是要对WINNER项目中采用的5G建模方案进行扩展，而一些5G需求很难通过随机建模的方式实现[1]。因此，为了使建模更加精确，业界对基于地图的建模方式进行了大量研究，该方法能够在基于射线追踪的模式下对5G信道进行建模。为了对这些模型进行参数化分析及评估，相关研究机构展开了大量的测量活动。

随机过程的模型参数是依据相关文献和在相关环境下的传播测量进行推导而来的，是一种基于几何的随机信道模型（GSCM）；而基于地图的模型是通过其结果和测量值的对比进行调整的，在三维简化的环境中采用射线追踪。另外，还存在一种混合模型，该模型通过合并地图模型中要素并部分地应用随机模型，从而实现了模型的可扩展性，具有很强的应用前景。

目前，大多数文献都是研究的随机过程下的信道模型，而且对整个信道建模需要考虑的因素和流程未作详细介绍。因此，本文针对以上不足，详细的介绍了5G信道建模的需求、挑战、传播场景，并简要介绍了METIS信道模型，对5G规划甚至更长远的网络规划都有一定的指导性建议。

1 5G信道建模分析

鉴于5G无线通信系统设计场景及应用案例的多样性和复杂性，5G无线信道和传播模型需要满足更加严格的需求。这些需求主要包括：一是从1GHz以下到100GHz的极宽频率范围；二是超大带宽（大于500MHz）；三是三维全方位的精准的极化模型；四是支持极其密集的场景下的空间一致性，即当发射端或接收端移动或转向时，信道的变化依然相对平缓；五是支持同一区域内不同类型链路的共存；六是支持双端移动性，即链路的两端节点能够同时独立运动，用于支持D2D和V2V（车辆到车辆）的连接及移动的基站；七是具有极高的空间分辨率和球面波，用于支持大规模天线阵列，大规模MIMO和波束赋性；八是支持垂直方向扩展，用于支持3D模型；九是支持针对高频技术的镜面散色特性。

目前，很多信道模型已经得到了广泛应用，例如3GPP/3GPP2空 间 信 道 模 型（SCM），WINNER，ITU-R IMTAdvanced，3GPP 3D-Umi与3D-Uma和IEEE802.11ad，但这些模型并不能充分满足高规格的5G需求。另外，一些通用信道模型，如SCM，WINNER和IMT-Advanced，适合于低于6GHz的频段范围，IEEE 802.11ad适合于60GHz的高频段。由以上分析可知，目前大多数模型都仅适用于特定的频率范围。因此，找到一种能够覆盖1GHz以下到100GHz的整个蜂窝频段的信道模型具有极其重要的意义与应用前景。在此研究前提下，METIS信道模型得到了广泛的关注和研究[2]。

本文主要分析总结了5G传播信道的需求、传播场景、挑战，并且研究了能够满足5G高规格需求的信道模型。

2 建模需求与场景

无线信道建模需求需要从两方面因素考虑：一是环境到用户的各个方面；二是为终端用户提供所需服务的关键技术。

2.1 信道建模需求

建模方法的主要挑战在于需要支持更高的频率和更大的带宽，同时支持更大的天线阵列。其中，大带宽和大天线阵列尺寸带来了在时延和空域范畴更精细的信道模型分辨率的需求。本文总结了主要的5G信道模型需求，如表1所示[3]：

频谱：5G信道模型的终极目标是建立适合所有信道模型参数和所有1GHz以下到100GHz频率之间的传播效果的连续函数。

天线：目前的信道模型的传播大多是在平面波模式下进行的分析，只需要很小的天线阵列尺寸。然而，随着大规模天线阵列的应用，其具有很强的方向性，因此，采用目前传统的建模方式已经不能满足角度精度方面上的需求，需要用球面波方式替代。

系统：多样化的连接类型会在相同区域内共存，如传统的宏蜂窝、微蜂窝、皮基站、微微站等，因此5G通信系统应该包含各种链路类型。此外，连读预算密度也会急剧的增长，这就对信道模型提出了新的需求。然而，目前最通用的信道模型是基于撒点的，也就是说散射的环境都是基于每条链路随机创建的。

以上所总结的5G信道模型需求都是基于通用的5G假设和场景情形，目前现有的模型大多无法满足全部的5G传播需求。

2.2 传播场景

5G的愿景之一是“万物互联”，任何人或物无论何时何地都能够获取和分享信息数据，因此，就需要考虑更广泛的传播场景以及网络拓扑，需要满足以下几方面条件：一是无线网络需要能够服务于不同类型的用户，例如静止的或移动的用户；二是无线系统在任何传播场景下工作必须是可靠的，包括室外对室内（O2O），室内对室内（I2I），室外对室内（O2I），密集城区，广域，高速公路，大型商超，体育场馆等；三是网络拓扑应该能够同时支持蜂窝网络，以及直接D2D，M2M，以及V2V链路等。

5G传播场景取决于物理环境、链路类型、小区类型、天线位置及所支持的频率范围。表2给出了基于地图和随机过程建模的传播场景类型[4]。

表2 传播场景

3 METIS信道模型

通过以上分析的场景、传播特性和复杂度等因素可知，建立完备的5G信道模型具有非常大的挑战。最直接的方式是对目前的随机过程建模进行扩展，而这些模型都是基于经验模型的，需要收集大量的测量值才能获得大量的模型参数及它们之间的相关性。

5G信道建模所需的自有等级非常高，导致经过测量值精确地获取所有参数具有很大难度。因此，METIS信道模型得到了学术界和工业界的重视。此模型使用射线追踪，能够较好的满足5G关于传播场景和无线信道特性的高级别要求。其主要的优势在于模型预备内在的空间一致性，且只有一部分模型参数需要结合测量值进行校准。鉴于以上分析，为了提供一个基于建模用户需求且规模可控的复杂度，METIS信道模型对传统的随机过程方式和基于射线追踪的方式进行了结合。

以下简要介绍了5G传播和信道模型的要求，并简要概括了METIS信道模型。

3.1 基于地图的模型

基于地图的模型可以获得较精确且真实的空间信道特性，适合于大规模MIMO和波束赋性等新技术应用。该模型基于射线追踪，并与一个简化的传播环境的三维几何模型结合，包括衍射、镜面反射、满散射和阻塞情形，并能够为非常有挑战性的用例自动提供空间一致性的建模，如具有双端移动性的D2D及V2V链路。模型中建筑面被建模成长方形，表面带有特定的电磁材料特性，而且该模型并不包含任何显式的路径损耗，其路径损耗、阴影及其他传播特性是依据地图上的布局等因素决定的。为更好的理解基于地体的模型建立过程，图1给出了信道模型建立的流程图[5]。

3.2 随机过程模型

随机过程模型是基于几何的随机信道模型家族扩展而来的，主要来自3GPP 3D信道模型，其为WINNER+模型的延伸。本文总结分析了所建议的扩展方式，如表3所示：

图1 基于地图的模型建立框图

表3 建议GSCM的扩展

4 结束语

由以上分析可知，传统的信道模型并不能满足许多重要的5G信道模型需求，而METIS信道模型就较好的满足5G需求，该模型强调了这些需求所需功能和参数来建模一个5G系统。另外，不同的仿真场景和测试用例会需要不同的建模功能，而由于这些差异化的需求，METIS信道模型并不是一个单一的模型，它包括了基于地图和随机的模型。

由于METIS信道模型的复杂性，并且还存在许多待改善及解决的问题，因此目前大规模采用METIS信道模型进行仿真分析和网络规划还存在一些不足。下一步内容将继续对该系统模型作进一步研究，希望对未来更精准的信道建模、仿真分析和网络规划起到一定的建议。