室内办公室场景10 GHz频段传播特性研究

刘加欢，杨丽花，张 捷，吕文俊

(1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)2.南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室，江苏 南京 210003

随着过去十年无线技术的快速发展，诸如智能手机、平板电脑、智能家居以及智能多媒体等海量设备投入使用，终端用户对通信服务质量的要求越来越高，使得无线数据流量爆炸式增长，解决频谱资源短缺问题迫在眉睫。目前，低频段（6 GHz以下）频谱资源逐渐拥塞，探索高频段无线频谱资源对未来无线通信有着重要的意义[1-2]。

由于高频段比低频段有较大的空间传播损耗和较差的传播特性，高频电波被认为难以满足蜂窝无线通信系统的需求。但是，随着硬件技术和通信系统的不断进步，使得高频段进行无线通信成为可能[3-4]。无线通信系统的研究往往是在对被采用场景的信道传播特性进行充分研究的基础上进行的，通过无线信道模型来评估无线链路的覆盖范围与系统的性能。但是由于传播环境复杂多变，使得无线信道呈现出随机、时变特性，不同传播环境下的无线信道特性在链路损耗、多径时延以及阴影衰落等方面存在较大差别。因此，在实际的信道建模中，需要针对不同环境进行大量的实际传播场景测量，然后通过实测数据对无线信道特性进行建模，从而根据信道模型设计出满足需求的无线通信系统。正是基于以上原因，开展高频段典型场景下无线信道测量与建模的研究是十分必要的。

办公室是高频段典型应用场景之一，其是人们日常活动最频繁的场所，环境复杂多变，对信号传播有着不可忽略的影响，正确认识高频段办公室场景下的信道传播特性对设计该场景下短距离无线通信系统尤为重要。目前，已有些高频段应用于卫星通信、长距离点到点通信、军事通信和LMDS（28 GHz）等，但对高频段在短距离室内移动通信是否可行还在不断地探索中[5-10]。其中文献[5]通过MIMO探测仪对11 GHz频段室内场景展开测量，给出了不同极化方式的路径损耗、阴影衰落、RMS时延扩展和相干带宽，并使用双向测量结果来分析特定环境的信道传播特性；文献[6]基于 10.1 GHz频段，以COST-231模型为基础提出了O2I传播模型，针对混凝土墙和玻璃窗两种传播环境确定信道模型，发现穿过混凝土墙的传播损耗在很大程度上取决于墙体材料，而穿过窗户的传播损耗与低频（2 GHz）相同；文献[7]通过网络分析仪对28 GHz室内场景的信道进行了测量，并给出了室内不同环境下路径损耗衰减指数的变化；文献[8]使用近地参考模型给出了17 GHz频段下的视距和非视距场景的路径损耗指数和阴影效应；文献[9]针对10.1 GHz给出了在两层大堂场景下基于几何随机信道建模的方法，研究表明在LOS场景下与较低频率具有相似的路径损耗指数，但是在NLOS场景下，路径损耗指数会大得多；文献[10]在室内场景下对8～11 GHz频段进行了信道测量，给出了该频段下不同极化方式的信道特性，并给出了不同类型材质的墙壁（完全阻塞）造成的路径损耗。然而，这些现有的高频段室内短距离非视距场景的信道建模均是基于静态遮挡物进行研究的，即考虑的是一个由室内到室外之间的墙壁作为遮挡物构建的非视距场景，而没有考虑遮挡移动物对信道传播特性的影响。在实际的通信系统中，遮挡物不是一直静止不动的，信道的传播特性会随遮挡物的位置变化而变化，遮挡物位置的变化会对路径损耗、时延扩展等信道参数产生一定的影响。因此，在室内非视距NLOS场景下，研究遮挡物位置变化的信道模型对更准确地描述高频段室内无线信道的传播特性具有重要的意义。

本文基于办公室场景，对中心频率10 GHz频段进行测量，获得大量的测量数据。基于测量数据，分别建立了视距和非视距两种场景下的信道模型，并对视距与非视距场景下的路径损耗、阴影衰落，以及时延扩展进行了分析，为室内高频段短距离无线通信提供重要的理论依据。

1 数据采集环境与设备

图1（a）、图1（b）分别给出了数据采集的实测场景图与示意图，数据采集的地点为南京邮电大学主楼第五层的一间办公室（7.0 m×8.1 m×3.1 m），室内物体包括办公桌、电脑、试验台、储物柜和立式空调。墙体为混凝土，办公室内底板为木地板，北面是带有玻璃门的玻璃隔墙。在实际测量时，将发射天线固定在给定的位置，接收天线固定在三脚架上，收发天线高度均为1 m，水平放置。按照预先设定好的测量点间移动，距离发射天线从1 m到5 m，每隔0.5 m设置一个测量接收点。每个测量接收点测量25个网格点，分布在20 cm×20 cm的网格中，其间距为10 cm，该间隔大于所研究频率的波长。

图1 数据采集的实测场景

测量使用的设备包括X波段信道sounder、HD-10180DRHA双脊喇叭天线、两根5 m长低损耗同轴电缆。实验的核心设备是X波段信道Sounder。测量时，设置好中心频率10 GHz，测量系统带宽为1 GHz。连接X波段信道Sounder的电脑可以实时显示信道冲击响应（Channel Impulse Response，CIR）图像，直观反映当前信道状态信息（Channel State Information，CSI）。该系统可以直接输出信号的路径损耗值。相比传统的测量设备减小了因人为数据处理导致的路损误差，提高了测量精度。收发天线均使用HD-10180DRHA双脊喇叭天线，规格如表1所示。

表1 HD-10180DRHA双脊喇叭天线的参数

2 数据采集方法

本文中采用频域测量的方法来研究无线信道的传播特性，信道频域测量系统的示意图如图2所示。

图2 信道频域测量系统示意图

测量场景分为视距LOS场景和非视距LOS场景。在视距LOS场景中，按照预先设定好的测量点间移动。在非视距NLOS场景中，使用金属板（50 cm×50 cm×0.5 cm）作为遮挡物，中心与收发天线齐平，高度1 m。本文主要针对以下两种情况分别记录对应的路径损耗值与分析遮挡物对路径损耗的影响：

（1）接收端固定在4.5 m测量点处，遮挡板从0.5 m测量点处移动到4 m测量点处。

（2）遮挡板固定在1.5 m测量点处，接收端从2 m测量点处移动到5 m处。

3 路径损耗模型

3．1 LOS 场景路径损耗

无线信道的路径损耗模型决定了通信系统的覆盖范围，通常信道的路径损耗和收发天线间距离成正比。现有两种主流路径损耗模型：一是基于Friis传输理论的自由空间参考距离路损模型（Close-In free space reference distance path loss model，CI）[11]，一是WINNER II和3GPP标准信道模型中的浮动截距模型（Floating Intercept，FI）[12-13]。 利用 CI模型，LOS场景的路径损耗可以表示为

其中，PL（d0）表示参考点d0处的路径损耗值，n表示路径损耗指数（Path Loss Exponent，PLE），单位为dB，Xσ是标准差为σ的零均值高斯分布随机变量，也称为阴影因子（Shadow Factor，SF），其描述了关于距离上的平均路径损耗的大规模信道信号波动。

CI模型中PLE值是最小均方误差（Minimum Mean Squared Error，MMSE）意义下的最佳估计值。式（1）中参考点处的路径损耗值PL（d0）大小理论上只与通信频率f有关，可以利用自由空间路径损耗表达式直接计算得到

其中，f为中心频率，单位为 Hz，c为光速，单位为m／s，d0为自由空间近地参考点，单位为m。但是为了数据的准确性，通常在实际环境中根据参考点做大量的数据测量，取其平均值。在本文中，选取参考距离d0＝1 m。

利用FI模型，LOS场景的路径损耗可以表示为

其中，β为浮动截距，单位为dB。

FI模型中PLE参数n和浮动截距β通过最小二乘法（Least Squares，LS）对测量值进行数据拟合获得。其中，LS直线拟合的斜率为α，截距为β。

图3给出了利用CI模型和FI模型的路径损耗拟合曲线，从图3中可以看出，对于CI模型，路径损耗指数n为1.85，参考点处的路损为52.96 dB；对于FI模型，路径损耗指数n为1.76，浮动截距值为53.47 dB。研究结果表明CI模型和FI模型的路径损耗指数n都略小于理论自由空间传播指数（n＝2），这很可能是室内环境发生波导效应产生的结果，并且在其他文献中也给出了相似的测量结果[13-14]。

图3 LOS场景下基于CI和FI模型拟合的路径损耗曲线

图4（a）、图4（b）分别给出了 LOS 场景下利用CI模型与FI模型的阴影衰落的累计概率正态分布拟合曲线。对于CI模型，阴影衰落的累计概率分布符合均值为零的正态分布，标准差σ为1.224 57；对于FI模型，阴影衰落的累计概率分布符合均值为零的正态分布，标准差σ为1.214 63，两种模型均呈现出了良好的拟合度。

图4 LOS场景下阴影衰落的累计概率正态分布拟合曲线

3．2 NLOS 场景路径损耗

由于传播媒质的变动，如移动台和环境物体的运动，无线信道传播具有很大的随机性，大多数传播环境都是在非视距情况下完成。遮挡物所造成的路径损耗与遮挡物的尺寸、材质、相对收发端的位置等因素有关。因此，本文将着重研究遮挡物相对接收端位置发生变化对路径损耗的影响。

由于CI模型相比较FI模型受到波导效应更小，路径损耗指数更接近自由空间理论值，因此，本文选择在CI模型上进一步研究NLOS场景下遮挡物对路径损耗的影响。考虑遮挡物后，式（1）可以重新表示为

其中，SAF为遮挡物造成的路径损耗衰减因子。

本文将主要考虑遮挡物移动与静止两种情况下接收端的路径损耗情况：

（1）遮挡物移动，接收端静止时

通过对遮挡物造成的路径损耗进行分析，发现SAF与遮挡物到接收端的距离呈线性关系，见图5，拟合曲线的表达式可以表示为SAF＝-3.444×D＋25.76，其中D为遮挡物到接收端的距离。带有遮挡物衰减因子模型的阴影衰落的累计概率分布满足均值为零的高斯正态分布，标准差为2.942 38，其拟合曲线如图6所示。

图5 NLOS场景下遮挡损耗与遮挡物到接收端距离之间关系（遮挡物移动，接收端静止）

图6 NLOS场景下SAF的正态分布拟合曲线（遮挡物移动，接收端静止）

（2）遮挡物静止，接收端移动时

通过对遮挡物造成的路径损耗进行分析，发现SAF与接收端到遮挡物的距离呈指数函数关系，如图7所示，拟合曲线的表达式可以表示为SAF＝32.56e-1.867D，其中D为接收端到遮挡物距离。带有遮挡物衰减因子模型的阴影衰落的累计概率分布满足均值为零的高斯正态分布，标准差为2.246 8，其拟合曲线如图8所示。

图7 NLOS场景下遮挡损耗与接收端到遮挡物距离之间关系（遮挡物静止，接收端移动）

图8 NLOS场景下SAF的正态分布拟合（遮挡物静止，接收端移动）

根据以上结果，分析发现：

（1）当遮挡物移动，接收端静止时，遮挡物离接收端的距离越近，路径损耗越大。由遮挡物造成的路径损耗与遮挡物到接收端的距离呈线性函数关系。研究发现当遮挡物靠近收发端中间位置时，遮挡物造成的路径损耗数据集中在3个不同数值附近，信号到达接收端的主要路径至少有3条，多径效应显著，分析可能是因为喇叭天线波瓣较窄的原因。

（2）当遮挡物静止，接收端移动时，遮挡物造成的路径损耗值与接收端到遮挡物的距离呈指数函数关系。接收端若是离遮挡物很近，遮挡物造成的路径损耗值SAF会特别大，随着接收端离遮挡物距离的增大，SAF值将趋近于一个定值14.46。也就意味着，遮挡物静止时，远距离非视距NLOS路径损耗指数和视距LOS路径损耗相同，只是截距发生了变化。

4 时延扩展

由于信号到达接收端的传播环境复杂，可能经过反射、折射和散射等多种方式到达接收端，经过不同路径的各个信号到达接收端存在一定的时间差，这就导致了接收信号呈现出脉冲宽度扩展的现象，这种现象被称为时延扩展。

时延扩展主要通过平均附加时延和均方根时延扩展τRMS来表征，这两个参数都可根据功率延迟谱（Power Delay Profile，PDP）获得。 平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩，可以表示为

其中，P（τk）表示第k个可分辨时延对应路径的功率。

均方根时延扩展是功率延迟分布的二阶矩的平方根

图9给出了实测LOS场景下的时延功率谱，从图9可以看出次径的功率相较于主径只有不到百分之一，基本可以忽略不计，主次径区分非常明显。图10给出了LOS场景下RMS时延扩展累积分布和对数正态拟合分布，从图10可以发现均方根时延扩展的累积分布符合对数正态分布，RMS时延扩展的均值约为2.342 76 ns，标准差约为0.130 76。

图9 LOS场景下时延功率谱

图10 LOS场景下RMS时延扩展累积分布和对数正态拟合分布

图11分别给出了NLOS场景下遮挡物静止和遮挡物移动场景下的时延功率谱。

图11 NLOS场景下时延功率谱

从图11中可以看出，相较于LOS场景，主径并不突出，具有更大主径衰减，并且在主径附近有其他径存在，说明信号到达接收端集中路径不止一条。这是由于NLOS场景下信号更多是通过反射、折射和散射的方式到达接收端，传播损耗更大，多径效应更明显。并且在NLOS场景下遮挡物移动所造成的主径衰减小于遮挡物对NLOS测量数据的RMS时延扩展的累积分布函数进行拟合，发现对数正态拟合效果最好。遮挡物静止和遮挡物移动的RMS时延扩展的均值分别为8.810 4和9.530 2 ns，如图12所示。从图12可以看出，NLOS场景下的均值和偏差相较于LOS场景都有所扩大，说明多径传播影响显著，具体的对数正态拟合参数如表2所示。

表2 NLOS场景下RMS时延扩展对数正态拟合参数

图12 NLOS场景下RMS时延扩展累积分布和对数正态拟合分布

一般而言，室内环境越复杂，该场景下的多径效应越明显。本文研究结果已经验证了具有遮挡物的NLOS场景下的多径效应程度要明显大于无遮挡物的LOS场景下的多径效应。但是，除了复杂的环境因素外，不同的收发设备也对多径效应具有一定的影响。为此，将给出低增益天线作为收发端情况下信道的时延功率谱，并将其与使用喇叭天线时的时延功率谱进行对比，以此来说明收发设备类型对多径效应的影响。

为了更好地呈现不同收发设备情况下的多径效应，对采集的数据进行简单的处理，即只保留了低于主径20 dB以内的散射径，如图13所示。从图13可以发现：收发端使用喇叭天线时，NLOS场景的散射径数多于LOS场景；收发端使用低增益天线时，低增益天线情况下的散射径数远远多于收发端采用喇叭天线时的多径数。因此，收发天线的类型对多径效应具有一定的影响。

图13 不同收发天线情况下时延功率谱

除此之外，收发端天线的俯仰角、高度差和发射信号频率等因素，以及复杂室内环境中如遮挡物大小、高低、数目等因素对多径也具有重要的影响，在后续的工作中将对其进行更深入的研究。

5 结束语

本文针对室内办公室场景，在10 GHz频段上对宽带无线信道特性进行了研究，基于大量测量数据得到了LOS和NLOS情况下信道的路径损耗、阴影效应统计特性，并给出了时延扩展统计特性。在非视距NLOS场景下分析了遮挡物对路径损耗的影响，发现遮挡物的位置变化对接收端路径损耗有着不可忽略的影响。本文的研究结果对未来高频段室内短距离通信系统的设计有着重要的参考价值。