5G無線傳播信道模型分析

于 力

（中國電信股份有限公司太原分公司，太原 030012）

5G無線傳播信道模型對于評估和比較不同技術方案的性能，以及對評價整個未來的5G無線系統起著至關重要的作用。因此，分析解決5G信道建模的難點，以及研究信道建模的新方法對整個5G網絡規劃具有重要意義。

目前，針對5G信道建模研究的方法主要有兩種：隨機建模方式和基于地圖的建模方式。其中，隨機建模的目的是要對WINNER項目中采用的5G建模方案進行擴展，而一些5G需求很難通過隨機建模的方式實現[1]。因此，為了使建模更加精確，業界對基于地圖的建模方式進行了大量研究，該方法能夠在基于射線追蹤的模式下對5G信道進行建模。為了對這些模型進行參數化分析及評估，相關研究機構展開了大量的測量活動。

隨機過程的模型參數是依據相關文獻和在相關環境下的傳播測量進行推導而來的，是一種基于幾何的隨機信道模型（GSCM）；而基于地圖的模型是通過其結果和測量值的對比進行調整的，在三維簡化的環境中采用射線追蹤。另外，還存在一種混合模型，該模型通過合并地圖模型中要素并部分地應用隨機模型，從而實現了模型的可擴展性，具有很強的應用前景。

目前，大多數文獻都是研究的隨機過程下的信道模型，而且對整個信道建模需要考慮的因素和流程未作詳細介紹。因此，本文針對以上不足，詳細的介紹了5G信道建模的需求、挑戰、傳播場景，并簡要介紹了METIS信道模型，對5G規劃甚至更長遠的網絡規劃都有一定的指導性建議。

1 5G信道建模分析

鑒于5G無線通信系統設計場景及應用案例的多樣性和復雜性，5G無線信道和傳播模型需要滿足更加嚴格的需求。這些需求主要包括：一是從1GHz以下到100GHz的極寬頻率范圍；二是超大帶寬（大于500MHz）；三是三維全方位的精準的極化模型；四是支持極其密集的場景下的空間一致性，即當發射端或接收端移動或轉向時，信道的變化依然相對平緩；五是支持同一區域內不同類型鏈路的共存；六是支持雙端移動性，即鏈路的兩端節點能夠同時獨立運動，用于支持D2D和V2V（車輛到車輛）的連接及移動的基站；七是具有極高的空間分辨率和球面波，用于支持大規模天線陣列，大規模MIMO和波束賦性；八是支持垂直方向擴展，用于支持3D模型；九是支持針對高頻技術的鏡面散色特性。

目前，很多信道模型已經得到了廣泛應用，例如3GPP/3GPP2空 間 信 道 模 型（SCM），WINNER，ITU-R IMTAdvanced，3GPP 3D-Umi與3D-Uma和IEEE802.11ad，但這些模型并不能充分滿足高規格的5G需求。另外，一些通用信道模型，如SCM，WINNER和IMT-Advanced，適合于低于6GHz的頻段范圍，IEEE 802.11ad適合于60GHz的高頻段。由以上分析可知，目前大多數模型都僅適用于特定的頻率范圍。因此，找到一種能夠覆蓋1GHz以下到100GHz的整個蜂窩頻段的信道模型具有極其重要的意義與應用前景。在此研究前提下，METIS信道模型得到了廣泛的關注和研究[2]。

本文主要分析總結了5G傳播信道的需求、傳播場景、挑戰，并且研究了能夠滿足5G高規格需求的信道模型。

2 建模需求與場景

無線信道建模需求需要從兩方面因素考慮：一是環境到用戶的各個方面；二是為終端用戶提供所需服務的關鍵技術。

2.1 信道建模需求

建模方法的主要挑戰在于需要支持更高的頻率和更大的帶寬，同時支持更大的天線陣列。其中，大帶寬和大天線陣列尺寸帶來了在時延和空域范疇更精細的信道模型分辨率的需求。本文總結了主要的5G信道模型需求，如表1所示[3]：

頻譜：5G信道模型的終極目標是建立適合所有信道模型參數和所有1GHz以下到100GHz頻率之間的傳播效果的連續函數。

天線：目前的信道模型的傳播大多是在平面波模式下進行的分析，只需要很小的天線陣列尺寸。然而，隨著大規模天線陣列的應用，其具有很強的方向性，因此，采用目前傳統的建模方式已經不能滿足角度精度方面上的需求，需要用球面波方式替代。

系統：多樣化的連接類型會在相同區域內共存，如傳統的宏蜂窩、微蜂窩、皮基站、微微站等，因此5G通信系統應該包含各種鏈路類型。此外，連讀預算密度也會急劇的增長，這就對信道模型提出了新的需求。然而，目前最通用的信道模型是基于撒點的，也就是說散射的環境都是基于每條鏈路隨機創建的。

以上所總結的5G信道模型需求都是基于通用的5G假設和場景情形，目前現有的模型大多無法滿足全部的5G傳播需求。

2.2 傳播場景

5G的愿景之一是“萬物互聯”，任何人或物無論何時何地都能夠獲取和分享信息數據，因此，就需要考慮更廣泛的傳播場景以及網絡拓撲，需要滿足以下幾方面條件：一是無線網絡需要能夠服務于不同類型的用戶，例如靜止的或移動的用戶；二是無線系統在任何傳播場景下工作必須是可靠的，包括室外對室內（O2O），室內對室內（I2I），室外對室內（O2I），密集城區，廣域，高速公路，大型商超，體育場館等；三是網絡拓撲應該能夠同時支持蜂窩網絡，以及直接D2D，M2M，以及V2V鏈路等。

5G傳播場景取決于物理環境、鏈路類型、小區類型、天線位置及所支持的頻率范圍。表2給出了基于地圖和隨機過程建模的傳播場景類型[4]。

表2 傳播場景

3 METIS信道模型

通過以上分析的場景、傳播特性和復雜度等因素可知，建立完備的5G信道模型具有非常大的挑戰。最直接的方式是對目前的隨機過程建模進行擴展，而這些模型都是基于經驗模型的，需要收集大量的測量值才能獲得大量的模型參數及它們之間的相關性。

5G信道建模所需的自有等級非常高，導致經過測量值精確地獲取所有參數具有很大難度。因此，METIS信道模型得到了學術界和工業界的重視。此模型使用射線追蹤，能夠較好的滿足5G關于傳播場景和無線信道特性的高級別要求。其主要的優勢在于模型預備內在的空間一致性，且只有一部分模型參數需要結合測量值進行校準。鑒于以上分析，為了提供一個基于建模用戶需求且規模可控的復雜度，METIS信道模型對傳統的隨機過程方式和基于射線追蹤的方式進行了結合。

以下簡要介紹了5G傳播和信道模型的要求，并簡要概括了METIS信道模型。

3.1 基于地圖的模型

基于地圖的模型可以獲得較精確且真實的空間信道特性，適合于大規模MIMO和波束賦性等新技術應用。該模型基于射線追蹤，并與一個簡化的傳播環境的三維幾何模型結合，包括衍射、鏡面反射、滿散射和阻塞情形，并能夠為非常有挑戰性的用例自動提供空間一致性的建模，如具有雙端移動性的D2D及V2V鏈路。模型中建筑面被建模成長方形，表面帶有特定的電磁材料特性，而且該模型并不包含任何顯式的路徑損耗，其路徑損耗、陰影及其他傳播特性是依據地圖上的布局等因素決定的。為更好的理解基于地體的模型建立過程，圖1給出了信道模型建立的流程圖[5]。

3.2 隨機過程模型

隨機過程模型是基于幾何的隨機信道模型家族擴展而來的，主要來自3GPP 3D信道模型，其為WINNER+模型的延伸。本文總結分析了所建議的擴展方式，如表3所示：

圖1 基于地圖的模型建立框圖

表3 建議GSCM的擴展

4 結束語

由以上分析可知，傳統的信道模型并不能滿足許多重要的5G信道模型需求，而METIS信道模型就較好的滿足5G需求，該模型強調了這些需求所需功能和參數來建模一個5G系統。另外，不同的仿真場景和測試用例會需要不同的建模功能，而由于這些差異化的需求，METIS信道模型并不是一個單一的模型，它包括了基于地圖和隨機的模型。

由于METIS信道模型的復雜性，并且還存在許多待改善及解決的問題，因此目前大規模采用METIS信道模型進行仿真分析和網絡規劃還存在一些不足。下一步內容將繼續對該系統模型作進一步研究，希望對未來更精準的信道建模、仿真分析和網絡規劃起到一定的建議。