毫米波蜂窩無線網絡的信道測量與研究

董妮婭 林毅 重慶郵電大學移通學院 重慶郵電大學 重慶 400065

1 引言

蜂窩數據的需求一直在以驚人的速度增長，為了應對這一挑戰，采用30至300 GHz頻帶的毫米波蜂窩系統越來越受到人們關注。該系統在高頻率下具有極大的可用頻譜帶寬，但是由于毫米波的波長極短，信號非常容易受到陰影的影響，從而降低信道質量。因此，我們以小蜂窩在城市環境中的部署為重點，對毫米波蜂窩無線網絡的信道進行了測量和研究，為實現下一代蜂窩系統提供參考。

2 毫米波蜂窩網絡

目前，毫米波傳輸系統已被用于60GHz頻段中的高吞吐量無線局域網（LAN）和個人局域網（PAN）系統。雖然這些系統提供超過1 Gb/s的速率，但鏈路通常用于短程或點對點視距（LOS）當中。雖然毫米波提供的帶寬遠遠大于當前蜂窩系統所能提供的帶寬，但人們擔心毫米波信號的傳播距離短，信號陰影嚴重，因此懷疑毫米波頻段對于需要在較長距離的非視距（NLOS）路徑上進行可靠通信的蜂窩系統是否可行。

最近的兩個趨勢促使人們重新考慮毫米波蜂窩的可行性。首先，CMOS射頻和數字處理的進步使低成本的毫米波芯片適用于商用移動設備，此外，由于毫米波波長極短，可以在整個移動設備中安置大規模天線陣列以獲得空間分集增益。其次，蜂窩網絡已朝著更小的半徑發展，特別是在最新的蜂窩標準中支持微微蜂窩和毫微微蜂窩異構網絡。在許多密集的城市地區，蜂窩半徑通常小于100米，通常在毫米波信號覆蓋范圍內。

3 毫米波蜂窩信道測量

隨著60GHz LAN和PAN系統的發展，毫米波信號在室內環境中的傳播模型已經比較成熟，而在微蜂窩網絡的室外環境中傳播的研究相對較少。由于缺乏實際測量的數據，許多早期研究依賴于具有各種反射假設的分析模型。這些模型通常假設傳播將由LOS鏈路或具有一些強鏡面反射的鏈路共同作用，因此分析結果可能不準確。

為了評估毫米波網絡的可行性，我們首先進行了城市環境中毫米波信號的近距離信道測量，并總結出路徑損耗結果。覆蓋范圍是毫米波系統面臨的關鍵問題之一。因此，正確評估毫米波系統的關鍵是首先確定路徑損耗如何隨距離變化。為此，圖1顯示了在距發射器不同距離處測得的全向路徑損耗的散點圖。在28G和73GHz測量中，根據測量時的分類，每個點被分類為處于NLOS或LOS狀態。再分別擬合LOS和NLOS路徑損耗。圖1顯示LOS路徑損耗大致遵循基于Friis定律的自由空間傳播規律（虛線所示）。

對于NLOS點，可以應用下式進行線性擬合：

其中d是以米為單位的距離，α是最佳擬合截距，β是最佳擬合斜率，σ2是對數正態分布方差。

我們可以將實驗得出的毫米波路徑損耗模型（1）與傳統蜂窩系統中使用的模型進行比較。標準3GPP城市微蜂窩傳播（UMi）路徑損耗模型由下式給出：

其中d是以米為單位的距離，fc是以千兆赫為單位的載波頻率。我們看到，我們用于28和73 GHz單位增益天線的傳播模型預測全向路徑損耗，對于大多數距離，其比2.5 GHz處的3GPP UMi模型高約20 dB。但是，28G和73 GHz的波長比2.5 GHz時小約10-30倍。因為對于相同天線尺寸，波束成形增益隨著頻率而增長，所以可以通過在發射器或接收器處應用波束成形來完全補償路徑損耗的增加。我們的結論是，在相同的物理天線尺寸下，毫米波傳播不會有相對于當前蜂窩頻率的路徑損耗的增加，甚至可以比現今的系統有所改進。此外，通過大規模天線陣列的空間復用還可以進一步提高增益。

圖1 毫米波路徑損耗測量結果圖

4 結論

毫米波系統提供了巨大的潛力，為了評估毫米波系統的可行性，我們在城市環境中進行了一些典型場景的傳播測量。通過測量結果與標準UMi模型的對比表明，通過反射和散射，即使在完全NLOS情況下，毫米波信號在100-200米的距離內完全能滿足蜂窩網絡的傳輸要求。