39 GHz室外微蜂窩信道測量、建模與仿真研究

李樹 孫寧姚 張蕊 李博晗 趙雄文

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206;2. 中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室,青島 266107;3. 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京 100876)

引 言

隨著第五代(the 5th Generation, 5G)移動通信的興起,毫米波頻段被認(rèn)為是5G關(guān)鍵的候選頻段. 目前,在5G的系統(tǒng)和鏈路仿真中,尚未給出準(zhǔn)確的毫米波信道模型及參數(shù). 根據(jù)目前現(xiàn)有的研究成果,3GPP于2016年7月制定并發(fā)布了相應(yīng)的5G信道標(biāo)準(zhǔn)化報告[1],與此同時國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)在全球無線電通信會議(World Radio Communication Conference, WRC-15)上為5G分配了24 GHz到86 GHz之間的候選頻段[2]. 現(xiàn)在相關(guān)候選頻道的信道測量和建模工作主要集中于24.25～27.5 GHz和31.8～33.4 GHz,而在37～40.5 GHz的研究相對匱乏[3].

本次測量中,發(fā)射端(Tx)使用全向天線,接收端(Rx)采用喇叭天線旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)定向天線旋轉(zhuǎn)掃描測量. 本文基于39 GHz頻段室外微蜂窩場景實測數(shù)據(jù),對路徑損耗(Path-Loss,PL)、陰影衰落(Shadow Fading, SF)、時延擴(kuò)展(Delay Spread, DS)以及角度擴(kuò)展(Angle Spread,AS)等大尺度參數(shù)的參數(shù)化建模方法展開研究,建立基于幾何統(tǒng)計的隨機(jī)信道模型(Geometric-Based Stochastic Model, GBSM),并將所得結(jié)果與3GPP TR 38.900[1]和mmMAGIC項目[5]的戶外微蜂窩頻率依賴性模型參數(shù)結(jié)果進(jìn)行對比分析驗證. 基于定向掃描測量 (Directional-Scan-Sounding,DSS)系統(tǒng)推導(dǎo)了該信號模型下的SAGE算法和萊斯因子K的計算方法,利用SAGE算法提取多徑分量(Multipath Component,MPC),建立參數(shù)化模型,利用分簇算法提取簇參數(shù)并建模.本文為39 GHz室外微蜂窩場景5G毫米波鏈路和系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)設(shè)計提供了數(shù)據(jù)和模型基礎(chǔ).

1 測量環(huán)境與測量系統(tǒng)

39 GHz毫米波室外信道測量工作在中國電波傳播研究所青島分所中住宅樓區(qū)開展,分別對一條視距(Line-of-Sight, LOS)路徑與一條非視距(Non-Line-of-Sight, NLOS)進(jìn)行了測量,場景示意圖如圖1所示. 其中,Tx固定在升降車上,采用全向天線,相對地面高度為9 m;Rx固定在手推車上,搭載三軸高精度步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)臺,配備喇叭天線,可遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)其在水平面和垂直面的精確旋轉(zhuǎn),其高度固定為1.5 m,喇叭天線的半波功率角(Half-Power Beamwidth, HPBW)為10°. 為獲取完整的三維到達(dá)角(Angle-of-Arrival, AOA)信息,喇叭天線在水平面以5°為間隔在0°到360°掃描;以10°為間隔在垂直面上可能存在多徑的角度范圍內(nèi)掃描以提高測量效率. 測量系統(tǒng)采用滑動相關(guān)時域信道探測儀[6],主要系統(tǒng)參數(shù)見表1.

圖1 測量環(huán)境及路徑示意圖

參數(shù)取值載頻/GHz39帶寬/GHz1碼長/ns1024時延分辨率/ns1發(fā)射/接收天線全向天線/喇叭天線發(fā)射/接收天線增益/dB3/24發(fā)射/接收天線高度/m9/1.5

2 毫米波信道建模與參數(shù)估計

2.1 旋轉(zhuǎn)掃描測量系統(tǒng)下的信號模型

SAGE算法廣泛應(yīng)用于無線世界倡議新無線電(Wireless World Initiative New Radio,WINNER)的信道建模中,提取多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)信道的多徑參數(shù)[7]. 文獻(xiàn)[8]詳細(xì)描述了MIMO陣列天線信號模型SAGE算法的具體實現(xiàn). 本次測量中,Rx端采用喇叭天線旋轉(zhuǎn)方式,M次掃描可視作M個單元的虛擬單輸入多輸出(Single-Input Multiple-Output,SIMO)系統(tǒng). 則第l條多徑的沖激響應(yīng)可表示為

s(t;ρl) =[s1(t;ρl),…,sM(t;ρl)]T

=c(θl,φl)αlexp(j2πvlt)u(t-tl).

(1)

式中:ρl=[τl,θl,φl,υl,αl]是待估計的第l條徑的參數(shù)集,τ是時延,θ是垂直到達(dá)角,φ是水平到達(dá)角,υ是多普勒頻移,α是振幅;u(t)為參考信號;導(dǎo)向矢量c(θ,φ)可表示為

(2)

式中:r1,r2,…,rM表示M個接收天線單元的位置;f表示復(fù)天線方向圖;e(θ,φ)表示單位方向矢量;〈·〉表示內(nèi)積. 接收信號Y(t)=[Y1(t),…,YM(t)]T可表示為

(3)

式中:N0是正常數(shù);N(t)=[N1(t),…,NM(t)]T是M維標(biāo)準(zhǔn)復(fù)高斯白噪聲.

DSS系統(tǒng)常應(yīng)用于目前的毫米波信道測量中[9].如圖2所示,在DSS測量系統(tǒng)中,假定測量信道是時不變信道,且當(dāng)喇叭旋轉(zhuǎn)時,天線饋點保持在中心位置不變,則式(2)中的導(dǎo)向向量c(θ,φ)可表示為

(4)

在測量時,收發(fā)端保持靜止且不考慮移動散射體的影響,式(1)中的目標(biāo)函數(shù)s(t;ρl)可表示為

s(t;ρl)=c(θl,φl)αlu(τ-τl).

(5)

圖2 DSS系統(tǒng)下的信號模型

2.2 路徑損耗模型

目前,基于DSS系統(tǒng)下的測量方式,常用兩種方法對路徑損耗進(jìn)行建模,分別是方向性路損模型和全向路損模型. 方向性路損模型主要考慮天線旋轉(zhuǎn)測量中獲取的最大接受功率或最小路徑損耗. 由于5G通信系統(tǒng)中波束成型與波束追蹤技術(shù)的運(yùn)用,方向性路損模型在系統(tǒng)設(shè)計時有很高的參考價值. 全向路損模型可以利用各角度路損按式(6)合成[10]:

(6)

式中:Pri(θel,φaz)是在去除天線增益后接收端Rx在測量位置i的水平方向角φaz和垂直方向角θel的接收功率,mW;Pt是發(fā)射端Tx全向天線發(fā)射功率,dBm.

方向性路損模型與全向路損模型均可用自由空間逼近(Close-in,CI)和浮動截距(Flouting Intercept,FI)兩種路損模型進(jìn)行擬合. 在CI模型中,參考距離d0取1 m,路徑損耗可表示為[10-12]

(7)

式中:n表示路損指數(shù);f表示載頻;c表示光速;d表示收發(fā)端的三維空間距離.

如文獻(xiàn)[10]所述,FI模型可以表示為

(8)

式中:α是與距離相關(guān)的系數(shù),與CI模型中的路損指數(shù)n相似;β是參考距離1 m處的浮動路損截距.

2.3 大尺度參數(shù)建模

大尺度參數(shù)主要包括DS、AS和K因子等. 均方根時延擴(kuò)展可由下式計算得到:

(9)

式中:L是由SAGE估算的總路徑數(shù);τ0是平均附加時延,計算公式為

(10)

在文獻(xiàn)[13]中,均方根角度擴(kuò)展σφ按式(11)計算得出,并通過定義圓角擴(kuò)展避免了由零度選擇所造成的誤差.

(11)

式中,

(12)

(13)

(14)

2.4 分簇算法及萊斯因子計算方法

在目前主流的GBSM模型中,如3GPP 空間信道模型(Spatial Channel Model,SCM)和WINNER II 模型以及超寬帶SV(Saleh-Valenzula),常引用簇(Cluster)的概念. MPC被分成若干個簇. 在信道模擬的實現(xiàn)過程中,簇的個數(shù)、簇時延擴(kuò)展和簇角度擴(kuò)展等都是十分重要的參數(shù). 本次的測量和建模過程中,采用了基于多徑分量距離 (Multipath Component Distance,MCD)算法對MPC進(jìn)行分簇,MCD算法介紹如下.

任意第i個MPC和第j個MPC之間的MCDdi,j可由式(15)計算得出:

(15)

式中:dAOA,ij和dτ,ij分別是到達(dá)角域和時延域的MCD,且有

dAOA,ij=‖Ωj-Ωi‖,

(16)

(17)

式中:Ωi和Ωj是第i個和第j個MPC的AOA方向單位矢量,且有Ω=[cos(φ)cos(θ),sin(φ)cos(θ),sin(θ)]T;τi和τj分別表示第i個和第j個MPC的時延;Δτmax=max{|τj-τi|;?i,j∈[i,…,L]}表示最大附加時延;ζ表示時延域與角度域的比例因子.分簇算法包括以下三步:

第一步,在待分簇的集合內(nèi)選擇功率最大的MPC作為參考徑;

第二步,計算其余所有的徑與參考徑的MCD,將MCD小于閾值dth的MCP歸為一個簇;

第三步, 將已分簇的MCP從全集中完全移除,重復(fù)上述兩步,直至全體MPC被分配完成.

在過去的連續(xù)信道測量中,萊斯因子K的估計通常使用矩量法. DSS測量系統(tǒng)中,采用的測量方式為定點測量,因此矩量法不再適用于K因子的估計計算.K因子定義為LOS分量與NLOS分量之和的功率比. 基于分簇結(jié)果與定義,K因子的表達(dá)式為

(18)

式中:N是簇的總數(shù);P1和Pn分別表示第一個簇(視距簇)和第n個簇中MPC的總功率.

3 信道建模結(jié)果和分析

3.1 路徑損耗與陰影衰落

根據(jù)2.2節(jié)介紹的方向性路損模型與全向性路損模型對室外微蜂窩場景進(jìn)行建模,LOS路徑和NLOS路徑的路徑損耗分別如圖3(a)和圖3(b)所示. 表2總結(jié)了路徑損耗模型相關(guān)參數(shù). 表2中,α,β,n定義見式(7)和式(8),σ表示陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差. 作為參考,圖3給出了自由空間路徑損耗. 由圖3結(jié)果可以發(fā)現(xiàn): 1)LOS路徑的方向性路損和全向性路損在CI和FI兩種擬合方式下與自由空間路損模型十分接近;2)CI模型中陰影衰落比FI模型略大,但差別在1 dB左右,符合相關(guān)規(guī)律與已有文獻(xiàn)結(jié)果[14],既驗證了此次測量數(shù)據(jù)的有效性又驗證了39 GHz毫米波頻段應(yīng)用于戶外微蜂窩通信的可行性.

(a) LOS場景

(b) NLOS場景

路徑方向路損全向路損CIFICIFInσαβσnσαβσLOS21.001.8818.5268.851.7619.571.7323.7556.611.34NLOS31.743.9517.6386.892.9728.532.5229.2463.122.52

3.2 MPC參數(shù)的提取

根據(jù)2.1節(jié)的信號模型,采用SAGE算法在測量得到的信道沖激響應(yīng) (Channel Impulse Response, CIR)中提取以下多徑參數(shù):時延、水平到達(dá)角和幅度. 由于測量的垂直面樣本數(shù)量不足以精確提取MPC垂直到達(dá)角,故本文垂直面到達(dá)角仍采用非參數(shù)化方法進(jìn)行計算. 接收端在每個測量點的水平面進(jìn)行喇叭天線旋轉(zhuǎn)測量時,共旋轉(zhuǎn)72次, 根據(jù)式(4)構(gòu)成72單元的虛擬天線陣列,可充分精確地提

(a) NLOS場景第8測量點CIR

取水平面到達(dá)角. SAGE算法估計參數(shù)設(shè)置如下:迭代次數(shù)為10次,最大多徑數(shù)量為200條,多徑功率動態(tài)范圍篩選閾值為LOS 25 dB,NLOS 20 dB,進(jìn)而在提取得到的200條多徑中篩選有效多徑. NLOS場景較之LOS場景能夠觀察到更多繞射、反射多徑,故作為示例,給出了NLOS路徑第8測量點測量得到的CIR以及對應(yīng)的MPC參數(shù)提取結(jié)果,如圖4所示. 其中,圖4(b)結(jié)果由SAGE提取得到,圓點的半徑越大表示該多徑的功率越強(qiáng). 從圖4(b)

(b) NLOS場景第8測量點SAGE提取MPC參數(shù)

可發(fā)現(xiàn),電波主要從四個方向到達(dá)接收端,分別是-10°、60°附近、-70°附近以及-120°附近,這些主要MPC的到達(dá)角、時延和功率均可與圖4(a)中CIR對應(yīng). 結(jié)合圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可發(fā)現(xiàn)-10°附近的MPC來自繞射傳播,而60°、-70°與-120°附近的散射體主要來自左右兩端的樓體與植被反射,由于該住宅區(qū)樓房表面主要為大面積落地窗,故反射徑能量很強(qiáng). 玻璃窗鏡面反射在該住宅小區(qū)環(huán)境的NLOS場景中成為主要的多徑傳播方式.

3.3 時延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展

均方根時延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展分別描述了信道對傳輸信號在時延域和角度域上造成的色散程度. 采用2.3節(jié)所介紹的方法對時延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展進(jìn)行建模. 噪聲功率通過統(tǒng)計功率時延譜(Power Delay Profile, PDP)最后200 ns無信號純噪聲數(shù)據(jù)得出. SAGE提取的多徑以相同的噪聲功率值作為門限值進(jìn)行了篩選. 所得到的LOS和NLOS的DS結(jié)果、水平到達(dá)角和垂直到達(dá)角的角度擴(kuò)展結(jié)果如表3所示．為了對比驗證,在表3中給出了mmMAGIC項目[5]與3GPP TR 38.900[1]的戶外微蜂窩頻率依賴性信道模型參數(shù)結(jié)果.

由表3結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):1)通過參數(shù)化方法所得DS結(jié)果較小,與文獻(xiàn)[15]中所得的研究結(jié)果相吻合. 2)NLOS環(huán)境下的DS大于LOS的結(jié)果,這與以往的6 GHz的信道測量結(jié)果一致. 3)此次測量結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果差別不大,對39 GHz下的戶外微蜂窩場景的5G毫米波信道建模具有一定參考意義.

3.4 萊斯因子和簇參數(shù)

本文中簇參數(shù)的提取以及萊斯因子的提取均基于2.4節(jié)所介紹的分簇算法處理后的多徑射線的分簇結(jié)果. 信道參數(shù)提取的準(zhǔn)確性取決于分簇算法中控制參數(shù)的選取. 本文中,以散射體分簇結(jié)果與實際環(huán)境的匹配情況為標(biāo)準(zhǔn),通過反復(fù)檢驗,參數(shù)取值如下:比例因子ζ=5,閾值dth=0.25,與文獻(xiàn)[9,16-17]一致. 所得K因子的CDF曲線如圖5所示. 由圖5可發(fā)現(xiàn)K因子與正態(tài)分布擬合較好,符合3～10 dB的經(jīng)驗值.

表3 本文39 GHz毫米波模型時延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展參數(shù)與現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果比較

圖5 K因子的建模結(jié)果

利用分簇算法提取的簇參數(shù)如下:簇的個數(shù)、簇內(nèi)時延擴(kuò)展和簇內(nèi)角度擴(kuò)展,結(jié)果在圖6以及表3中給出.由圖6和表3可總結(jié)發(fā)現(xiàn):1)LOS與NLOS的簇內(nèi)角度擴(kuò)展結(jié)果十分接近;2)LOS場景下的簇內(nèi)垂直角度擴(kuò)展略大于NLOS場景;3)LOS場景下簇的個數(shù)分布與正態(tài)分布擬合程度較好,NLOS場景下簇的個數(shù)分布趨勢與正態(tài)分布近似,部分細(xì)節(jié)有偏差,并且簇的個數(shù)(最大平均值小于10)較6 GHz以下更少[7].

圖6 簇的個數(shù)分布

4 基于QuaDRiGa的信道仿真驗證

4.1 仿真場景信道參數(shù)設(shè)置

39 GHz室外毫米波信道模型的仿真驗證采用3GPP TR 38.900[1]推薦的信道仿真平臺QuaDRiGa. 表3及K因子、簇數(shù)等參數(shù)均作為場景參數(shù)輸入到QuaDRiGa仿真器中,由于本次測量發(fā)射端采用全向天線,電波的離開角無法通過測量獲取,故

仿真時采用3GPP 模型[1]的離開角參數(shù)替代. 此外,為匹配仿真器參數(shù)輸入格式,簇的數(shù)目取值按照均值四舍五入取整,仿真器簇的數(shù)目及簇內(nèi)參數(shù)輸入值詳見表4．

表4 QuaDRiGa仿真器簇的數(shù)目及簇內(nèi)參數(shù)輸入值

4.2 仿真場景拓?fù)鋮?shù)設(shè)置

仿真場景的參數(shù)設(shè)置如下:發(fā)射端配備全向天線,高度為9 m,與實測環(huán)境對應(yīng),在仿真拓?fù)渲形挥谧鴺?biāo)原點;接收端設(shè)置了250個測量點,均勻分布在以發(fā)射端為圓心,半徑為200 m的圓內(nèi),高度為1.5 m,如圖7所示.

圖7 QuaDRiGa仿真平臺的場景設(shè)置示意圖

4.3 仿真結(jié)果的統(tǒng)計驗證

將LOS和NLOS場景測量與建模得到的大尺度參數(shù)分別輸入到仿真器中,可分別得到250個CIR矩陣. 本節(jié)通過由仿真得到的CIR矩陣計算DS、水平角度擴(kuò)展和垂直角度擴(kuò)展等大尺度參數(shù),并將250組仿真結(jié)果的統(tǒng)計CDF與實測結(jié)果進(jìn)行對比,從而驗證仿真平臺在39 GHz毫米波段的可用性. 圖8所示為LOS和NLOS場景仿真與實測結(jié)果的CDF曲線對比結(jié)果.

由圖8可以發(fā)現(xiàn),DS、ASA、ESA、K等大尺度參數(shù)的仿真結(jié)果在LOS與NLOS場景下均能和實測結(jié)果很好地吻合.

(a) DS

(b) 水平角度擴(kuò)展

(c) 垂直角度擴(kuò)展

(d) 視距場景的萊斯因子K圖8 仿真與實測的大尺度參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果對比

5 結(jié) 論

本文基于39 GHz室外微蜂窩毫米波信道測量的實測數(shù)據(jù),對高頻段測試系統(tǒng)下39 GHz頻段的大尺度參數(shù)建模和提取方法進(jìn)行研究,并對QuaDRiGa仿真平臺在該頻段下的可用性進(jìn)行了分析驗證. 基于DSS系統(tǒng),推導(dǎo)給出導(dǎo)向矢量表達(dá)式,以及優(yōu)化的分簇算法與K因子的計算方法. 結(jié)果表明,在LOS路徑下,方向性路損和全向路損在CI和FI的擬合方式下與自由空間路損模型較為接近,同時在FI模型中陰影衰落較在CI模型中小. LOS與NLOS的簇內(nèi)角度和時延擴(kuò)展同正態(tài)分布擬合較好,視距徑的簇內(nèi)時延擴(kuò)展稍大于非視距徑. 簇的數(shù)目相比6 GHz以下的高頻信道要少,均值在10個以下,體現(xiàn)了毫米波室外環(huán)境簇的稀疏性. QuaDRiGa仿真結(jié)果與實測信道的大尺度參數(shù)統(tǒng)計特性能夠很好地吻合,驗證了其在39 GHz頻段的可用性. 本文為39 GHz室外微蜂窩場景5G毫米波鏈路和系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)設(shè)計提供了數(shù)據(jù)和模型基礎(chǔ).

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