毫米波蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信道測(cè)量與研究

董妮婭 林毅 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院 重慶郵電大學(xué) 重慶 400065

1 引言

蜂窩數(shù)據(jù)的需求一直在以驚人的速度增長(zhǎng)，為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，采用30至300 GHz頻帶的毫米波蜂窩系統(tǒng)越來(lái)越受到人們關(guān)注。該系統(tǒng)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(zhǎng)極短，信號(hào)非常容易受到陰影的影響，從而降低信道質(zhì)量。因此，我們以小蜂窩在城市環(huán)境中的部署為重點(diǎn)，對(duì)毫米波蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信道進(jìn)行了測(cè)量和研究，為實(shí)現(xiàn)下一代蜂窩系統(tǒng)提供參考。

2 毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)

目前，毫米波傳輸系統(tǒng)已被用于60GHz頻段中的高吞吐量無(wú)線局域網(wǎng)（LAN）和個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）系統(tǒng)。雖然這些系統(tǒng)提供超過(guò)1 Gb/s的速率，但鏈路通常用于短程或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視距（LOS）當(dāng)中。雖然毫米波提供的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)前蜂窩系統(tǒng)所能提供的帶寬，但人們擔(dān)心毫米波信號(hào)的傳播距離短，信號(hào)陰影嚴(yán)重，因此懷疑毫米波頻段對(duì)于需要在較長(zhǎng)距離的非視距（NLOS）路徑上進(jìn)行可靠通信的蜂窩系統(tǒng)是否可行。

最近的兩個(gè)趨勢(shì)促使人們重新考慮毫米波蜂窩的可行性。首先，CMOS射頻和數(shù)字處理的進(jìn)步使低成本的毫米波芯片適用于商用移動(dòng)設(shè)備，此外，由于毫米波波長(zhǎng)極短，可以在整個(gè)移動(dòng)設(shè)備中安置大規(guī)模天線陣列以獲得空間分集增益。其次，蜂窩網(wǎng)絡(luò)已朝著更小的半徑發(fā)展，特別是在最新的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)中支持微微蜂窩和毫微微蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在許多密集的城市地區(qū)，蜂窩半徑通常小于100米，通常在毫米波信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)。

3 毫米波蜂窩信道測(cè)量

隨著60GHz LAN和PAN系統(tǒng)的發(fā)展，毫米波信號(hào)在室內(nèi)環(huán)境中的傳播模型已經(jīng)比較成熟，而在微蜂窩網(wǎng)絡(luò)的室外環(huán)境中傳播的研究相對(duì)較少。由于缺乏實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，許多早期研究依賴于具有各種反射假設(shè)的分析模型。這些模型通常假設(shè)傳播將由LOS鏈路或具有一些強(qiáng)鏡面反射的鏈路共同作用，因此分析結(jié)果可能不準(zhǔn)確。

為了評(píng)估毫米波網(wǎng)絡(luò)的可行性，我們首先進(jìn)行了城市環(huán)境中毫米波信號(hào)的近距離信道測(cè)量，并總結(jié)出路徑損耗結(jié)果。覆蓋范圍是毫米波系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此，正確評(píng)估毫米波系統(tǒng)的關(guān)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(fā)射器不同距離處測(cè)得的全向路徑損耗的散點(diǎn)圖。在28G和73GHz測(cè)量中，根據(jù)測(cè)量時(shí)的分類，每個(gè)點(diǎn)被分類為處于NLOS或LOS狀態(tài)。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(guī)律（虛線所示）。

對(duì)于NLOS點(diǎn)，可以應(yīng)用下式進(jìn)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(duì)數(shù)正態(tài)分布方差。

我們可以將實(shí)驗(yàn)得出的毫米波路徑損耗模型（1）與傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中使用的模型進(jìn)行比較。標(biāo)準(zhǔn)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(yù)測(cè)全向路徑損耗，對(duì)于大多數(shù)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(zhǎng)比2.5 GHz時(shí)小約10-30倍。因?yàn)閷?duì)于相同天線尺寸，波束成形增益隨著頻率而增長(zhǎng)，所以可以通過(guò)在發(fā)射器或接收器處應(yīng)用波束成形來(lái)完全補(bǔ)償路徑損耗的增加。我們的結(jié)論是，在相同的物理天線尺寸下，毫米波傳播不會(huì)有相對(duì)于當(dāng)前蜂窩頻率的路徑損耗的增加，甚至可以比現(xiàn)今的系統(tǒng)有所改進(jìn)。此外，通過(guò)大規(guī)模天線陣列的空間復(fù)用還可以進(jìn)一步提高增益。

圖1 毫米波路徑損耗測(cè)量結(jié)果圖

4 結(jié)論

毫米波系統(tǒng)提供了巨大的潛力，為了評(píng)估毫米波系統(tǒng)的可行性，我們?cè)诔鞘协h(huán)境中進(jìn)行了一些典型場(chǎng)景的傳播測(cè)量。通過(guò)測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)UMi模型的對(duì)比表明，通過(guò)反射和散射，即使在完全NLOS情況下，毫米波信號(hào)在100-200米的距離內(nèi)完全能滿足蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。