65.5 GHz毫米波信道测量与分析

侯春枝 刘永胜 吴振森 李清亮 卢昌胜 林乐科 陈安涛 张玉强

（1. 西安电子科技大学物理与光电工程学院，西安 710071；2. 中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室，青岛266107；3. 中电科仪器仪表有限公司，青岛 266555）

引 言

下一代无线通信技术要具备更高的数据传输速率、更低的时延和更好的移动性，要达到相应的技术指标必须增加传输带宽[1]. 但6 GHz以下的频段已经非常拥挤，无法为下一代移动通信提供更大带宽. 为了应对这一挑战，未来移动通信将使用毫米波频段.由于可用带宽范围广，毫米波可以提供高达每秒几千兆比特的数据速率，但毫米波频段同时具有更大的传输损耗. 由于毫米波频段的波长短，天线尺寸可以做的更小，因此可以采用大规模天线阵列技术，利用高增益波束来补偿其路径损耗.

美国、日本和韩国等国家采用的毫米波频段是28 GHz. 2016年7月第三代合作伙伴计划(the 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)制定并发布了5G信道标准化报告. 2019年11月在国际电联世界无线通信会议(World Radiocommunication Conference 2019, WRC-19)上，国 际 电 信 联 盟(International Telecommunication Union, ITU)为5G确定了更多的频段，包括24.25～27.5 GHz、37～43.5 GHz、45.5～47 GHz、47.2～48.2 GHz和66～71 GHz[2]. 国内外对28 GHz、32 GHz和39 GHz等毫米波段的信道测量和建模工作已经很多[3-7]. 2015年，Maccartney G R等人进行了28 GHz和73 GHz典型室内办公室环境的信道测量，研究了同极化和交叉极化方向的路径损耗模型[8]. 2016年，赵雄文等人进行了在室外微蜂窝环境中32 GHz的信道测量、建模、仿真和验证，并使用参数化方法和非参数化方法分析了大尺度信道参数[9]. 2013年，纽约大学的Shuai Nie等人使用滑动相关信道测量系统研究了72 GHz室内办公室的传输和穿透特性[10]. 2014年，纽约大学George R等人研究了路径损耗模型和信道统计数据，提出在毫米波频段使用定向天线能更好地应用于未来的蜂窝通信[11].2017年，Xianyue Wu等人在办公室环境中进行了60 GHz毫米波信道测量和建模，研究三维空间中的60 GHz信道[12]. 2017年，张蕊等人研究了地物附加损耗模型等[13]. 总体上对于66～71 GHz频段的研究仍然相对较少.

本文在会议室环境下进行了65.5 GHz频段的信道测量活动. 首先基于方向性路损模型，研究路径损耗指数和阴影衰落特性；然后基于空间交替广义期望最大化(space-alternating generalized expectationmaximization, SAGE)参数化分析算法，提取水平到达角、时延和幅度信息；最后根据多径分量距离方法，对多径分量进行分簇，分析均方根时延扩展和均方根角度扩展特性. 本文旨在为5G毫米波60 GHz频段链路和系统设计及其模拟仿真提供数据和模型支撑.

1 65.5 GHz信道测量简介

1.1 测量系统和天线

本文使用滑动相关原理来进行信道测试，如图1所示. 本系统发射端主要由铷钟、M8190任意波形信号发生器、E8267D矢量信号源、模拟信号源和N5152A上变频器组成. 铷钟提供时间参考信号，M8190生成模拟测量信号，E8267D将其变为5 GHz中频信号，模拟信号源提供本振(local oscillation, LO)信号，在N5152A上变频器中将5 GHz中频信号上变频变为65.5 GHz射频信号. N5152A上变频范围为57～66 GHz.

图1 毫米波信道测量系统Fig. 1 Millimeter wave channel measurement system

接收端主要由N9029A下变频器、N5183B信号源和M9703A数字化仪构成. N9029A下变频器射频输入范围为50～75 GHz. N5183B为下变频器提供本振信号. N9029A输出中频信号频率范围为16 kHz～2.5 GHz，之后M9703A数字化仪对中频信号进行采样. 本系统利用GPS信号对铷钟进行驯服，有非常好的同步精度，能够支持系统进行远距离测量.

发射天线和接收天线均采用喇叭天线，工作频率为49.8～75.8 GHz，标称增益值为20 dBi. 65.5 GHz时喇叭天线的增益为21.68 dBi，E面和H面的半功率波束宽度分别为13.94°和13.83°，发射天线和接收天线均是垂直极化.

1.2 测量过程

本文在室内会议室环境下开展65.5 GHz的视距(line-of-sights, LoS)信道测量，测量场景如图2所示. 测量带宽为1 GHz，测量时E8267D中频输出的功率为−3 dBm，通过收发端直连校准把上变频器N5152A以及下变频器N9029A对信号功率的影响(放大或衰减)消除掉. 发射端采用喇叭天线，固定在一个位置，使其为垂直极化天线. 接收端采用喇叭天线利用转台在水平方向上移动，形成虚拟阵列天线，水平方向移动8次，每次移动的水平距离为λ/2，测量了6个接收点. 相邻两个点之间的距离为3 m. 发射天线和接收天线相对地面的高度均为1.8 m，墙的高度为2.75 m. 由于未来毫米波频段会采用波束成形技术，收发天线将会采用最大增益方向收发信号，因此接收天线在任意测量点始终朝向发射天线. 具体测试参数信息如表1所示.

图2 会议室测量场景Fig. 2 Meeting room measurement scene

表1 测试参数Tab. 1 Measurement parameters

2 基本理论

2.1 路径损耗

路径损耗模型是无线电系统设计的重要模型[14-16]，分为全向路径损耗模型和方向性路径损耗模型. 通过合成所有发射接收天线波束的接收信号，就能计算出每个测量位置的全向路径损耗. 方向性路损模型是指取接收天线在所有旋转方向上的最大功率或最小路径损耗. 全向路径损耗模型和方向性路损模型又都分为固定截距(close-in，CI)路径损耗模型和浮动截距(floating intercept，FI)路径损耗模型. 对于LoS情况，按如下方式使用CI路径损耗模型：

式中：LP(d)的单位为dB；d是距离，单位为m；LP,F(d0)是参考距离d0处的自由空间路径损耗；线性斜率n是通过对数据进行最小二乘法拟合得到的路径损耗指数；阴影效应Xσ是均值为零和标准偏差为σ的高斯随机变量，以dB为单位.

FI路径损耗模型用于WINNER Ⅱ和3GPP标准中. 该模型需要两个参数，与式(1)有相似的形式：

式中：α是以dB为单位的FI；β是直线的斜率；Xσ是均值为零的阴影衰落随机变量.

2.2 时延扩展和角度扩展

均方根时延扩展[17]是无线电信道质量的重要信道参数，其是功率时延分布的二阶矩，用于表征无线电信道的频率选择性. 为了提高参数分析准确性，在进行功率时延谱(power delay profile, PDP)处理时，对20个快拍的数据进行平均，均方根时延扩展定义如下：

式中：Pl是第l条路径的功率；τl是第l条路径的时延；στ是平均附加时延. 当计算均方根时延扩展的时候，将低于阈值的所有路径的功率设置为零，以减小噪声的影响，此时有

根据3GPP空间信道模型规范所述，计算每个测量时刻的圆角度扩展[18]. 利用角度估计值(例如：水平到达角、水平离开角、垂直到达角和垂直离开角)和每个多径的接收功率计算角度扩展，如下式所示：

式中，ψl是第l条路径的到达角(水平到达角或者垂直到达角)或者离开角(水平离开角或者垂直离开角).

2.3 平移扫描测量系统下的信号模型

SAGE算法已经广泛应用于无线信道参数估计.SAGE算法是期望最大化的一种升级，其由两个步骤组成：E步和M步. SAGE算法的更多详细理论和实现过程可以参考文献[19-21]. 本文利用SAGE算法对多径参数进行提取，包括多径相对时延、到达角、离开角、多普勒频移和幅度信息. 在单输入多输出的场景中，接收天线由一个天线阵列组成，该天线阵列由位于不同位置的M个天线组成. 接收信号可表示为

式中：N(t)是高斯白噪声；s(t;θl)是接收到的第l条路径的信号，可以表示为

式中：λ、e(Ω)和fm(Ω)分别为波长、由Ω确定的单位向量和第m个天线元件的复电场方向图.

2.4 分簇算法

多径分量距离最初由文献[22]引入，用于度量无线信道任意两个多径之间的关系[23]. 多径分量距离定义为

由于多径分量距离对角度域和时延域使用不同的处理方法，对于角度距离，给出了以下公式：

此式，适用于水平到达角和垂直到达角.

时延距离为

式中：ς是合适的时延域和角度域的比例因子；τstd为时延的标准差；. 同时用时延比例因子表示时延域与角度域的比值. 本文测量的是二 维空间中的信道特性，因此可以简化垂直到达角.

3 无线电信道参数分析

3.1 路径损耗和阴影衰落

根据2.1节介绍的方向性路损模型对会议室场景进行建模，图3是路径损耗随收发端距离变化曲线. 由图3可知：CI路径损耗模型的路径损耗指数为2.090 34，阴影衰落标准差为0.385 14；FI路径损耗模型路径损耗指数为2.018 56，阴影衰落标准差为0.373 43. 图3还给出了自由空间中随着收发距离变化的路径损耗，可以看出：CI路损模型和FI路损模型均与自由空间损耗符合得很好；路径损耗指数与自由空间中的路径损耗指数非常接近，说明了本次测试的准确性；CI路径损耗模型的阴影衰落比FI路损模型的阴影衰落大，差别在1 dB内.

图3 定向路径损耗变化曲线Fig. 3 Directional path loss curve

3.2 SAGE参数化和多径分量距离分析

利用SAGE算法提取信道冲激响应中的时延、水平到达角和幅度信息. 运行SAGE算法时参数设置如下：路径条数为200，迭代次数为50，多径功率阈值为−22 dB，可以从200条径中选取有用的多径信号. 本文选取第1个测量点分析SAGE算法的提取结果，从图4中可以看出方位角在85°附近、附加时延为2 ns时，信号最强. 由于接收天线的E面和H面半功率波束宽度约为14°，因此到达方位角大约为 83°～96°，相邻两个点的时延相差很小. 由于实际测量环境中会议室两边都是玻璃窗，因此本次测量中提取到的多径信号主要来自镜面反射.角度域的比例因子 ς=1.5，LoS径的阈值为0.12，常规阈值为0.25. 本文对第一个测量点进行分簇，如图5所示，分为了两个簇，由于主要是LoS和玻璃墙壁的镜面反射引起的，因此符合客观事实. 包括红色圆点

根据2.4节介绍的分簇算法(即多径分量距离)来进行分簇. 分簇时，阈值的选择要使分簇结果符合实际情况，并且簇的边界在时延域和角度域上清晰可见. 本文进行大量的试验可以得到时延域和的簇主要是由LoS引起的，另一个簇是由玻璃墙引起的，即体现出65.5 GHz频率下传播距离短，环境中的簇具有稀疏性.

图4 第1个测量点提取到的多径成分Fig. 4 Multipath component extracted from the first measurement point

图5 第1个测量点的多径分簇Fig. 5 Multipath clustering at the first measurement point

3.3 小尺度参数与3GPP对比分析

根据2.2节介绍的时延扩展和角度扩展对SAGE算法提取的时延、水平到达角和幅度进行分析.SAGE算法提取的多径是根据相同的功率值作为标准来筛选的，最终结果如图6和7所示. 由图6可知，根据所有径的时延扩展拟合出的均方根时延扩展均值为−9.010 3 dBsec，标准差为0.148 65 dBsec，这些值与表2中3GPP TR38.900的值相近. 由图7可知，拟合出所有径的均方根角度扩展均值为0.809 57 dB°，标准差为0.034 396 dB°，与3GPP TR38.900[24]中室内65.5 GHz的时延扩展与角度扩展的均值和标准差十分接近.

图6 均方根时延扩展概率累积分布Fig. 6 Probability cumulative distribution of root mean square delay spread

图7 均方根角度扩展概率累积分布Fig. 7 Probability cumulative distribution of root mean square angle spread

表2 关于时延扩展和角度扩展参数3GPP TR38.900和测试结果的比较Tab. 2 A comparison between 3GPP TR38.900 and measurement in the delay spread and angle spread

4 结 论

为了研究5G 60 GHz毫米波频段的信道特性，使用时域信道探测仪系统进行65.5 GHz室内LoS信道测量活动，获得信道冲激响应. 基于路径损耗模型，分析了路径损耗指数和阴影衰落特性. 基于SAGE参数化分析方法和多径分量距离方法，提取出水平到达角、时延和幅度，并对这些参数进行分析，获得多径的分簇情况，研究了均方根时延扩展和均方根角度扩展特性. 结果表明：LoS情况下，方向性路损模型在CI和FI两种方式的拟合下与自由空间路径损耗模型符合得很好，并且路径损耗指数与自由空间中的路径损耗指数非常接近，CI路径损耗模型的阴影衰落比FI路损模型的阴影衰落大，差别在1 dB内；电波发生的多径信号主要是由镜面反射引起的，镜面反射在本文会议室场景中成为主要的传播方式；在65.5 GHz下，传播距离短，簇具有稀疏性. 时延扩展和角度扩展的结果与3GPP的结果相近. 作者将进一步进行其他会议室以及室内场景的测量以及分析，这些分析将为5G毫米波会议室等室内场景基站布局提供更可靠的统计数据.