室內60 GHz毫米波無線信道參數及其相關性研究

室內60 GHz毫米波無線信道參數及其相關性研究

耿綏燕1,2劉盛堯1,2洪偉2趙雄文1,2

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院,北京 102206;2.毫米波國家重點實驗室,江蘇 南京 210096)

摘要基于典型的室內走廊環境,對60 GHz毫米波通信信道參數及其相關特性進行了研究.在視距和非視距條件下,分析了信道參數包括多徑個數、均方根時延擴展、萊斯因子、陰影衰落的特點及其分布模型, 研究了信道參數之間的相關特性.結果表明:在視距條件下各參數之間普遍具有較強的相關性,而在非視距條件下只有均方根時延擴展和多徑個數之間的相關性較強.利用信道參數的相關特性可從一個參數來預測另一參數,為60 GHz無線通信系統的設計提供有用信息.

關鍵詞毫米波60 GHz;信道參數分布模型;參數相關特性

中圖分類號TN958.93

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0808-06

AbstractIn this work, indoor channel parameters and correlation properties are studied based on experimental measurements performed at 60 GHz in typical corridors for both line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) scenarios. Specifically, channel parameters like number of paths, root mean square(RMS) delay spread, Rician K-factor, and shadow fading are extracted from measurement data, and parameter distributions are analyzed further. Channel parameter correlation properties are also studied. Results show that in the LOS corridor channel parameters are highly correlated, in the NLOS corridor only RMS delay spread and number of paths are correlated highly. The excellent correlation property can provide useful information in predicting channel parameters from one another for design of 60 GHz wireless communications systems.

收稿日期：2014-09-19

作者簡介

Mm-wave 60 GHz indoor channel parameters and

correlation properties

GENG Suiyan1,2LIU Shengyao1,2HONG Wei2ZHAO Xiongwen1,2

(1.InstituteofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectric

PowerUniversity,Beijing102206,China;

2.StateKeyLaboratoryofMillimeterWave,NanjingJiangsu210096,China)

Key words Mm-wave 60 GHz; channel parameter distribution; parameter correlation properties

資助項目: 毫米波國家重點實驗室開放課題經費(項目編號：K201517)

聯系人： 耿綏燕 E-mail：gsuiyan@ncepu.edu.cn

引言

近年來,隨著微波段無線通信頻譜資源的緊缺,可提供約7 GHz免許可帶寬頻譜資源的60 GHz毫米波受到越來越多的關注. 同時,各種高清多媒體和高速率無線通信設備的大量出現,帶動了無線局域網(Wireless Local Area Networks,WLAN)和個人局域網(Wireless Personal Area Network,WPAN)的快速發展.愛立信認為,未來五年全球移動寬帶用戶將會達到固定寬帶用戶的 5 倍,數據流量會增長 9 倍,這意味著只有高速傳輸的通信網才可滿足消費者多種個性化的需求,而60 GHz毫米波通信被公認為未來無線短距離通信最具潛力的技術之一[1].

目前,國際上針對60 GHz頻段的標準有ECMA-

387, IEEE802.15.3c & Wireless HD以及IEEE 802.11ad (VHT60) & WiGig Alliance.國內對于60 GHz標準的研究也逐漸開展了起來. 2010年3月,無線個域網項目組(PG4)成立,擬定IEEE 802.11ad作為中國標準藍本,隨后與IEEE 802.11工作組形成了正式合作關系. 在2012年9月,成立了IEEE 802.11aj任務組,針對中國毫米波頻段制定下一代無線局域網標準,并在2013年2月19日成立了IMT-2020(5G,第五代移動通信系統)推進組,進一步推動了5G技術中60 GHz技術的研究和標準的制定,標準計劃于2014年底制定完成[2].

信道實驗及參數分析在系統可行性設計研究中是非常重要的.例如,信道小尺度衰落特性中的多徑擴散程度決定了接收機的結構、均衡復雜度和通信能力.信道多徑數目影響收發天線的方向性和極化方式的選擇.而大尺度衰落特性反映視距(Line-of-Sight, LOS)和非視距(Non-LOS, NLOS)通信的傳輸范圍.各種物體、材料等對60 GHz電磁波的吸收、反射、散射程度,都決定了60 GHz室內通信的性能[3].目前國外對于60 GHz毫米波信道的研究比較多,比如文獻[4]中,對于毫米波在未來5G移動通信中的應用給出了總結,并通過研究3～300 GHz毫米波傳輸的路徑損耗,多徑分量,多普勒特性等常用參數特性設計出了毫米波移動寬帶系統等.國內對毫米波信道特性的研究較為有限.本文是文獻[5]的后續學習,分析了60 GHz無線信道參數及其分布特性,研究了信道參數之間的相關性能并給出了預測信道參數的模型,為60 GHz無線通信系統的設計提供科學依據.

1信道測量環境

室內60 GHz毫米波無線信道測量環境為一典型的辦公室走廊環境[6],見圖1.測量中,發射天線(TX)位于60 m走廊的盡頭,接收天線(RX)分別沿視距(A-B, 52 m)和非視距(M-N, 25 m)路徑移動.眾所周知,60 GHz無線通信系統最大的挑戰是其路徑損耗高,但這可用高增益天線來彌補傳播過程中巨大的路徑損耗,同時選擇不易產生極化電流,避免能量大幅衰減的垂直極化方式,可保證信號的有效傳播[7]. 本實驗中天線采用的是定向喇叭天線和全向天線,即在TX處使用定向喇叭天線,而在RX端沿LOS和NLOS路徑分別采用的是定向天線和全向天線.圖2為測試中所用的定向天線,其尺寸分別為A=36.2 mm,B=27.8 mm,C=69.2 mm.定向天線的半功率角在H-平面和E-平面分別為9.1°和9.8°.定向天線的極化方式為垂直極化.60 GHz無線信道測量參數見表1,更具體的實驗配置見文獻[5].

圖1　室內走廊視距和非視距測試環境

圖2　測試系統中的定向天線

參數 數值 載頻61.7GHz帶寬60MHz發射功率+14dBm發射天線增益22.7dB(喇叭天線)接收天線增益5dB(全向天線)TX/RX天線高度1.25m/1.23m定向天線垂直極化

260 GHz信道參數及其分布特性

信道參數和模型的研究在無線系統設計中非常重要.比如,描述時間色散特性的均方根時延擴展,會影響無線高速系統的性能.多徑個數是評估調制性能和均衡技術的重要參數[8].萊斯因子用于分析無線系統的性能質量.陰影衰落直接影響到無線通信覆蓋面和系統的可靠性能評估等.

多徑個數(Number of Paths, NPs)為功率延遲分布(Power Delay Profile, PDP)在延時域上峰值的個數. 值得一提的是,功率動態范圍的選擇對多徑個數的結果有很大的影響.根據具體的測試脈沖響應,本文在LOS環境下選擇30 dB的固定值進行去噪,而在NLOS環境下選擇20 dB和15 dB進行去噪[9].

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萊斯因子(K-factor,K)定義為信道中主信號的功率與多徑分量的功率之比,表達式為K(dB)=10 lg(A2/2σ2),其中A為主信號幅度的峰值,2σ2為散射路徑的平均功率. 萊斯因子通常用矩量法[10]來估算,本文中的K因子也是用矩量法得到的.

陰影衰落(Shadow Fading, SF) 是信道大尺度特性中路徑損耗測量值和理論值的分貝差. 正的陰影衰落轉換成路徑衰減,負的陰影衰落轉換成路徑增益.測量[5]中表明60 GHz系統的陰影衰落服從對數正態分布, 即SF(dB)=N(0,σ),其中σ為標準差.σ值的大小取決于不同的測試環境與頻率,頻率越高σ值越大.

信道參數比如多徑個數,均方根時延擴展,萊斯因子,以及陰影衰落在文獻[5]中進行了分析研究,本文對這些參數的分布情況做了更具體的研究.即在LOS和NLOS路徑下,運用正態 (normal),對數正態 (log-normal),生存 (logistic)[11]和對數生存(log-logistic)[12]等分布來擬合實驗數據.值得一提的是logistic和log-logistic在經濟學中是經常用到的分布曲線.當均值和標準差分別為μ和σ時, logistic分布的概率密度函數(pdf)表達為

(1)

(a)　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　(d) 圖3　 LOS路徑下信道參數擬合分布

從圖3可看出,多徑個數,均方根時延擴展,萊斯因子,陰影衰落這些參數在此測試環境的LOS條件下,服從對數正態,對數生存,正態,生存分布;而在NLOS條件下服從生存,對數正態,生存和正態分布.表2給出了在LOS和NLOS路徑下的擬合分布參數. 但是,我們需要更多的實驗數據來驗證以上信道參數的分布情況,為60 GHz無線通信系統設計提供科學依據.

(a)　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　(d) 圖4　NLOS路徑下信道參數擬合分布

對數正態對數生存正態生存NPsLOSμ=2.00σ=0.34NLOSμ=7.10,σ=1.10DSLOSμ=3.51σ=0.35NLOSμ=3.83,σ=0.27KLOSμ=15.15σ=6.48NLOSμ=5.31,σ=2.32SFLOSμ=-0.17σ=1.78NLOSμ=0.61σ=2.07

3信道參數的相關性

研究信道參數相關性的重要性在于可以通過已知量或容易生成的信道參數來預測其它參數.為了研究四個參數之間的相關性,我們首先畫出NPs,DS,K和SF分別沿 LOS和NLOS路徑的變化情況如圖5(a)、5(b)所示.由圖可以看出NPs,DS,SF的波峰與波谷總是出現在相同的時間位置,說明它們具有高度的相關性. 而K因子卻恰恰相反,這說明K因子與其他參數NPs,DS,SF之間具有負相關性.

表3列出了在LOS和NLOS條件下信道參數的相關系數.從中我們可看到在LOS路徑下信道參數的相關系數要普遍高于在NLOS路徑下的信道參數.在LOS路徑下這四個參數之間的相關系數的絕對值大于0.7(最低的相關系數為DS和SF之間的0.685 9).其中NPs和DS之間的相關系數最高,在LOS和NLOS路徑下分別達到了0.928 8和0.895 9.這說明在多徑信道中時延擴展決定于多徑個數,即多徑個數越多時延擴展越大.K因子與其他參數之間的負相關性可以解釋如下:K因子是信道中視距功率與其他多徑射線功率之比,K因子越大視距功率就越強,而較強的視距功率會抑制其他多徑分量,從而導致較小的多徑個數、傳播時延和陰影衰落.在NLOS路徑的情況下,K因子和NPs,DS和SF之間的相關系數較小,分別是-0.358 8,-0.365 1和-0.257 9,這實際上表明了在直射路徑消失的情況下K因子的不確定性.文獻[5]中認為在非視距的情況下,衍射是一個重要的傳播機制,因為通過混凝土或磚墻時傳輸損耗是非常高的.因此,在設計60 GHz無線系統時建筑物的環境、結構應為重要的考慮因素.

(a) LOS路徑

(b) NLOS路徑 圖5　信道參數隨收發距離的變化

信道參數LOSNLOSlg(NPs)&SFlg(NPs)&lg(DS)lg(NPs)&KSF&lg(DS)lg(DS)&KK&SF0.76380.9288-0.80530.6859-0.7425-0.70960.66960.8959-0.35880.6482-0.3651-0.2579

4信道參數預測模型

信道參數之間存在較強的相關性表明我們可通過建立數學模型來預測信道參數.在視距條件下各信道參數均都具有較高的相關性,而在非視距條件下只有DS和NPs的相關性較強,而且多徑個數可以直接反映多徑信道特性,換句話說, 多徑個數與其他信道參數的關系可用線性模型描述,即:y=a*x+b,其中x變量代表多徑個數NPs,y變量表示其他信道參數,分別為均方根時延擴展DS,萊斯因子K,以及陰影衰落SF.

信道參數及預測模型見表4.在預測模型中a代表信道參數之間的正、負相關性,例如a為正表示兩信道參數存在正相關性,反之存在負相關性.表4中各參數均以dB為單位來計算的,σ參數代表線性回歸線的標準偏差,σ值較小表明該預測模型與測量數據具有良好的統一性.表4中給出的參數只適用于文中所述的測量環境,但是對于其他環境也有一定的參考價值.在我們以前的工作[13]中對信道參數在LOS條件下的相關性做了分析說明, 本文進一步研究了信道參數的相關性、在LOS和NLOS不同條件下參數預測模型的特性,為未來60GHz無線系統的設計提供了參考.

表4　信道測量參數及預測模型

5結論

基于60 GHz室內走廊測試環境,本文分析了在LOS和NLOS條件下信道參數及其分布的特點,研究了信道參數之間的相關系數及相關特性.分析結果表明對數正態,對數生存,正態,和生存分布可用來描述信道多徑個數,均方根時延擴展,萊斯因子,以及陰影衰的分布情況.在視距條件下信道參數之間普遍具有較強的相關性,而在非視距條件下只有均方根時延擴展和多徑個數相關性較強.萊斯因子與多徑個數,均方根時延擴展和陰影衰落存在負相關性.通過建立信道參數預測模型,可由一個已知或容易生成的參數來預測其它參數,為60 GHz無線通信系統的設計提供有用信息.

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耿綏燕(1966-),女,華北電力大學電氣與電子工程學院副教授.主要從事UWB短距離通信技術及應用,毫米波MIMO 無線通信信道實驗與建模,無線通信系統鏈路分析,電磁場理論及其應用等研究和教學工作.

劉盛堯(1990-) 女,安徽人,現為華北電力大學通信與信息系統專業碩士研究生,主要研究方向為短距離無線通信和毫米波技術應用等.

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