5G無線網絡中毫米波通信的路徑損耗預測模型

韓靜

(山西工程職業學院 計算機信息系，山西 太原 030032)

多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)[1-2]等創新技術以及毫米波(mmWave)頻段中的新頻譜分配有助于緩解當前頻譜不足的問題[3]，并且推動第五代(5G)無線通信的發展。為了進行準確而可靠的5G系統設計，有必要全面了解毫米波頻率上的傳播通道特性。新興的5G通信系統采用了革命性新技術、新頻譜和新架構概念。因此，設計可靠的信道通道模型以協助工程師進行設計顯得尤為重要。與低于6 GHz的頻率相比，毫米波在發射天線的第一米傳播中會有更高的自由空間路徑損耗。而在鏈路的兩端使用高增益天線可以克服路徑損耗，還可以使用波束成形和波束合并技術來提高鏈路質量并消除干擾[4-5]。本文針對60GHz和73GHz頻段的毫米波，建立了能夠準確描述路徑損耗的模型。

1 改進自由空間和斯坦福大學信道模型

對于3G和4G蜂窩網絡，可以使用IEEE 802.16e系統的斯坦福大學信道模型來估計在微波頻帶中工作于2 GHz以上的路徑損耗[6]。下面給出了標準斯坦福大學信道模型，其中PLSUI的單位為dB(分貝)[6]：

(1)

其中，

(2)

(3)

(4)

(5)

f是指載波頻率，單位為赫茲，fMHz和fGHz分別是單位為兆赫茲和吉赫茲的載波頻率。FSPL(f,1 m)表示1 m(米)處的自由空間路徑損耗，以dB為單位。Xfc和XRX分別表示頻率和接收器高度的校正因子，Xσ是典型的對數正態隨機變量，其均值為0 dB，標準偏差σ在8.2 dB至10.6 dB之間。hTX和hRX分別以米為單位表示發射器和接收器的天線高度。a、b和c參數是用于建模典型地形類型的常數[6]。對于地形類型A，即多山、茂密的植被，a = 4.6，b = 0.0075和c = 12.6；對于地形類型B，即多山、稀有植被，a = 4.0，b = 0.0065和c = 17.1；對于地形類型C，即平坦、稀有植被，a = 3.6，b = 0.005和c = 20。

針對在發射器和接收器之間有清晰的視線(Line-Of-Sight，LOS)路徑的情況，使用文獻的自由空間路徑損耗模型[7]來估計路徑損耗，使用1 m處的理論自由空間路徑損耗作為物理錨，該公式明確使用2作為路徑損耗指數來計算PLFS，公式如下：

(6)

其中，λ是載波的波長，Gt和Gr分別是發射器和接收器的天線增益。對于使用近距離路徑損耗模型來計算損耗PLCI，其計算方式如下所示：

(7)

對于LOS的場景，使用坡度校正因子αLOS來對PLFL路徑損耗方程進行修正，使其更加適用于LOS的場景，即：

PLFS,mod(d)[dB]=αLOS×(PLFS(d)-PLFS(d0))+PL(d0)+Xσ

(8)

對于非視距(Non-Line-Of-Sight，NLOS)的傳輸場景，使用坡度校正因子來對斯坦福大學信道模型進行修正，即

PLSUI,mod(d)[dB]=αNLOS×(PLSUI(d)-PLSUI(d0))+PL(d0)+Xσ

(9)

其中，αNLOS是坡度校正因子。

2 波束合并路徑損耗模型

文獻[8]中提出了一個新的通用方程，用于計算將唯一定向波束與接收功率最強的信號組合在一起時的定向路徑損耗，該方程可有效地縮放基于式(7)中近距離模型的由單個最佳波束形成的定向路徑損耗指數。本研究則將組合波束的數量直接合并到毫米波波段的定向路徑損耗方程中。

假設可以構建接收器以同時正確地對齊和合并來自不同天線波束方向的接收能量，并由以下等式確定如何合并能量[9]：

(10)

(11)

其中Nr是用于為特定的發射-接收鏈路合并接收功率的唯一正交波束角的數量，Pi是波束角的接收功率。通過合并相同信號在不同到達角時的功率，可以減少總接收信號的路徑損耗指數(路徑損耗指數)，并通過增加波束合并的唯一角度數來進一步降低路徑損耗指數。文獻[10]中的工作基于用于合并的聚合波束的數量計算得到響應的路徑損耗指數。針對NLOS場景，本文設計了一個更簡單、更通用的毫米波波束合并近距離(Beam Combining Close-In，BC-CI)自由空間參考距離路徑損耗模型。該模型考慮了接收器合并波束的數量，而且僅需要三個參數就可以描述NLOS場景中的毫米波路徑損耗。這三個參數分別是：單個最佳(最強)波束的路徑損耗指數、加權因子A和合并波束數Nr。在本文所設計的BI-CI模型中，假設單個最佳波束的路徑損耗指數和A保持固定，那么波束數量Nr就成為了唯一的輸入參數。參數Nr限定了信道中可用波束組合的范圍(正交同時接收方向)。

在相干合并和非相干合并方案中，當合并28 GHz和73 GHz的波束時，總的路徑損耗指數會減少。這表明對于每個發射-接收器組合，路徑損耗指數都隨合并波束的數量呈對數下降趨勢。根據這一趨勢，提出了一種新的波束合并路徑損耗模型，該模型使用1 m 近距離自由空間路徑損耗參考，即BC-CI路徑損耗模型，具體如下：

(12)

其中n(1beam)是單個波束的路徑損耗指數，Nr是合并的唯一指向波束的數量，A是加權因子。

3 改進自由空間和斯坦福大學信道模型評估

使用寬帶滑動相關器信道探測儀對信號進行測量，其偽隨機噪聲(Pseudorandom Noise，PN)的最大長度序列為2047，時鐘頻率為750 Mcps。

針對LOS和NLOS場景，車載網絡中進行60 GHz的信號測量。LOS場景中，發射器和接收器天線在視軸上的方位角和仰角平面上對齊且兩者之間的光路清晰；而在NLOS場景中，發射器和接收器天線被障礙物分開時或者發射器和接收器天線在視軸上未對準。

采用斯坦福大學信道模型的地形類型A對60GHz信號測量的環境進行建模，參數為a = 4.6，b = 0.0075和c = 12.6。在LOS和NLOS場景所測量得到的路徑損耗數據、近距離路徑損耗模型、本文改進自由空間路徑損耗模型和本文改進斯坦福大學信道路徑損耗模型的對比結果分別如圖1和2所示。在圖1和圖2中，由于沒有使用校正因子，標準自由空間(Free Space，FS)路徑損耗模型(用于LOS)和微波斯坦福大學信道模型(用于NLOS)不能準確地估計路徑的損耗。而修改后的FS和斯坦福大學信道模型與近距離路徑損耗模型的預測結果更為接近。

4 波束合并路徑損耗模型評估

采用在73GHz信號測量中相干和非相干波束合并的路徑損耗數據來優化加權因子(如式(12)所示)。相干和非相干波束合并所對應的的加權因子分別為0.0671和0.0297。式(12)中的其他參數的結果如圖3所示。由圖3可知，本文BC-近距離模型的路徑損耗指數與近距離模型的路徑損耗指數結果一致，而且波束的相干合并所產生的路徑損耗指數要小于其非相干合并。圖4展示了當 分別為1、2和4的路徑損耗情況。由結果可知，本文BC-近距離模型的預測結果與近距離模型一致。并且，隨著波束合并的數量 的增加，路徑損耗指數逐漸減少，該結果與現有的研究一致[11-12]。

圖3 不同波束合并數量下的路徑損耗指數對比 圖4 不同模型的路徑損耗對比

5 結論

本研究通過引入校正因子，擴展了FS和斯坦福大學信道路徑損耗模型，實驗結果表明修改后的模型能用于描述60 GHz頻段毫米波的路徑損耗。同時，還提出了一種新的波束合并近距離(BC-CI)路徑損耗模型，該模型僅使用三個輸入參數，以擬合距離相關的路徑損耗。實驗結果驗證了新模型的準確性。未來的研究工作有待在城市、郊區等日常場景中進一步驗證本模型的有效性。