CPE 非視距路徑與弱信號場景下5G毫米波接收研究

張永亮,劉 洋

(中興通訊股份有限公司 上海研發中心,上海 201203)

1 引言

5G網絡主要使用兩段頻率，FR1頻段(450MHz～6GHz，即Sub 6GHz頻段)和FR2頻段(24.25GHz～52.6GHz，即毫米波頻段，3GPP R17進一步擴展支持從52.6GHz到71GHz頻段以及免許可頻段)。毫米波雖然有傳播距離短和穿透性差的缺點，但其帶來大帶寬和高速率：帶寬能達到400MHz甚至800MHz，傳輸速率可達到10Gbit/s。同時，由于毫米波頻率高，天線尺寸小，終端可以集成更多的天線，形成更窄的波束。當前毫米波應用場景主要是基于網絡的數據熱點，如交通樞紐、展館、體育場、步行街等；智慧園區，與人工智能技術結合，疊加豐富的智能業務，提供本地化園區的解決方案；固定無線寬帶接入以及接入回傳一體化，可以通過毫米波做寬帶接入乃至接入回傳一體化的服務。

CPE(Customer Premise Equipment，客戶終端設備)是上述毫米波主要應用場景中的典型終端載體，室內外都能用到，可以像手機一樣通過插卡獲得移動網絡，然后直接充當有線網絡接口，或者將其轉化為WiFi信號，供家庭或者辦公等場景內設備進行連接。基于當前毫米波主要應用場景，目前關于CPE在各種室內外場合5G毫米波信號接收性能數據大多聚焦于城市街區、交通樞紐以及大型場館等非視距路徑和弱信號場景，很少涉及基站近處局部復雜環境下的場景。因此，在實際的實驗環境中，需要增強對CPE置于基站近處的非視距路徑、樓梯間以及穿樓層局部孔洞拉遠等弱信號場景多向接收室外5G毫米波基站信號接收探究。

2 毫米波信道特征

毫米波相比厘米波寬帶寬，但隨著射頻頻段升高，無線電信號的傳播行為與光的傳播越來越類似，準光學傳播的低衍射概率導致高的阻塞概率，在較低頻段中很少能觀察到的幾何因素如路燈、樹木和小家具等形成了阻塞的損耗，使得位于建筑物后面或角落附近位置處的通信終端所接收的信號會被嚴重衰減[1]。同時，移動的人或物等很多在不影響低頻信號傳播的因素也會引起高頻傳播擾動，使得高頻信道變得不穩定。

2.1 毫米波傳輸路徑損耗參數

空間傳播的損耗與載波頻率和距離有關，當載波頻率從6GHz提升到60GHz，則相同距離的衰落會提升100倍。

PL=β+α·10lgd

(1)

這是路徑損耗隨距離的變化公式[2,6]，其中，α為路徑損耗指數因子，表示路徑損耗隨距離變化的情況；β則涵蓋了其他影響傳播的損耗因素，并在特定場景下會抽象為一個常數；d為發射機和接收機之間的距離。對于高頻傳輸，更多關注的是路徑損耗的因子，因為其直接影響實際部署時的覆蓋范圍。

對典型毫米波應用頻段28GHz和38GHz來說，其路徑損耗可進一步表示為[3]

(2)

其中，d0是近似自由空間的參考距離(設置d0=5m)；λ為波長(28GHz是10.71mm，38GHz是7.78mm)；α是距離和所有指向角的平均路徑損耗因子；Xσ陰影隨機變量，為均值0、方差σ的高斯隨機變量。

在無線蜂窩的城區場景中，當終端和基站距離較近且沒有建筑物遮擋時，通常包含視距路徑(Line of Sight，簡稱LOS)；其他經過建筑物的繞射及反射損耗的傳播路徑稱之為非視距路徑(Non Line of Sight，簡稱NLOS)。表1給出5G毫米波常用的28GHz和38GHz頻段下路徑損耗因子α和陰影隨機變量σ標準差。

表1 5G毫米波常用頻段α與σ

上述典型5G毫米波應用頻段參數說明，高頻傳輸的信號衰落并不會隨著距離的增大而顯著提升。特別從損耗因子α角度看，Sub 6Hz在LOS和NLOS下分別為2.2和3.67，毫米波與低頻只是僅僅有著固定的差值(LOS下差距極小，NLOS下差距略大)，說明高頻傳輸的更大損耗可以通過技術手段克服。

根據費葉思公式[2]

(3)

PR是無阻擋自由空間的接收功率，PT是發射功率，GT和GR分別是發射和接收天線的增益，R是發射機和接收機之間的距離，f是載頻，c是光速。在理想的全向發射(GT=1)和全向接收(GR=1)條件下，接收信號功率與載頻的平方成反比。在實際應用中，天線增益(GT或GR)大于1的天線或天線陣列被用于發射機和接收機，在給定天線孔徑的條件下，天線增益與載頻的平方成正比，也就是說，高頻段的發射和接收天線，能夠通過相對較窄的方向性波束，以更集中的能量進行發射和接收。

2.2 毫米波傳輸LOS概率和路徑損耗計算模型

進一步地，在毫米波傳輸信道建模過程中，通常使用LOS概率來建模終端和基站間的傳播路徑中是否包含LOS路徑。在UMa(基站高于周圍建筑物)環境下LOS概率不僅與基站和終端的室外水平距離d2D-out相關，還與終端高度hUT相關，LOS概率PLOS具體可表達為[4,8]

PLOS=PLOS-ITU-UMA(1+C(d,hUT))

(4)

其中，C(d2D-out，hUT)表示近距LOS(用戶在基站周圍建筑物中，基站與終端之間無障礙物)與遠距LOS(通常是指終端和基站間有矮障礙物阻隔，但障礙物對高層用戶起不到遮擋作用)之間的概率之比。

比較高的終端在距離基站比較遠時與ITU信道規定的LOS概率相差較大，需要通過增加相關性因子對于距離大于18m高度以及在[13m,23m]范圍內的用戶增加LOS概率進行修正。

(5)

其中

(6)

UMa場景下毫米波頻段的NLOS 3D信道路損為

PL=max(PLUMa-NLOS,PLUMa-LOS)

(7)

即，取UMa場景NLOS和LOS路損值的最大者。

在陰影衰落標準差σ=4的情況下，

(8)

在陰影衰落標準差σ=6的情況下，

PLUMa-NLOS=161.04-7.11log(W)+7.5log10(h)-
(24.37(h/hBS)2)log10(hBS)+(43.42-
3.11log10(hBS))(log10(d3D)-3)+20log10(fc)-
3.2(log10(17.625))2-4.97)-0.6(hUT-1.5),
10m

(9)

由式(9)看出，UMa環境布局對NLOS傳輸路徑損耗有很大影響，建筑物的平均高度和建筑物中間的廊道寬度會影響傳輸鏈路的路徑損耗。

3 CPE毫米波NLOS弱信號具體場景下接收性能

目前毫米波通信收發系統基于毫米波上述特性，配置了物理緊湊型天線實現大規模MIMO操作，提升天線和波束賦形增益，提高能量效率；提升空間復用增益，提高頻譜效率；提升窄帶波束方向性通信，提高空間復用性能。

當毫米波通信的雙方為毫米波基站和客戶終端設備CPE時，兩者的功率地位是明顯不對等的，后者尤其在上行功率方面是明顯不足的，因此其在NLOS、封閉半封閉狹窄空間、拉遠低功率等弱信號場景下的具體表現是非常需要關注的。

為此，組建一個UMa[1]場景實驗環境，采用NSA構架的數模混合波束賦形結構[5]的毫米波基站(AAU)和LTE基站(天饋+RRU)置于一中間有較大天井空間的口字形樓群南側裙樓四樓樓頂，機械俯角12度并朝北向，基站方面錨點頻率為LTE Band1，毫米波頻段選n257，毫米波基站為512陣子(4個射頻通道，每通道128陣子)，單個信道最大輸出功率25dBm，EIRP最大51dBm；同時，把用于接收毫米波信號的CPE置于手推車上，CPE上下行MIMO均為2*2，單個信道最大功率14dBm，EIRP最大23dBm。

然后分別把CPE置于基站底部非視距路徑、樓梯間以及穿樓層局部孔洞拉遠以及關聯弱信號場景多向接收室外5G毫米波基站信號場景下進行針對性的測量。

3.1 CPE 反射環境下的NLOS位置毫米波信號接收

CPE非視距NLOS位置選取的是基站底座下部裙樓一樓內的半開間，半開間朝向口字型樓群天井(基站位于口字型樓群中的南側裙樓上)，即基站和半開間間隔著二樓和三樓樓體。

實測場景如圖1所示，接收機CPE位置是位于相對空曠環境，但地面對毫米波基站信號形成反射環境，使得CPE在地面反射環境下的NLOS位置接收毫米波信號。

進一步地，如圖2所示，分別把半開間內的CPE按東、西、南、北四個朝向進行實測(和圖1視角正好相反，可以看到具有綠地、行道和車棚的完整天井)。

圖2 實測場景二

實測Beam ID(波束標識)、RSRP(Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率)、MCS(Modulation and Coding Scheme，調制編碼方案)、BLER(Block Error Rate，誤塊率)、THP(Throughput，吞吐率，也簡作TUP，分物理層和應用層)以及PDCP(Packet Data Convergence Protocol，分組數據匯聚協議)數據，具體數據如表2所示。

表2 實測數據

這組數據中，位于天井底部一側裙樓一樓半開間內的CPE，因在空曠地面反射環境的NLOS路徑下毫米波衰減小，對毫米波信號的接收數據情況還是比較理想的(應用層在 MCS 28理想值，THP可以達到均值459.7Mbps，上述四個朝向MCS值和THP總體情況除了西向略差，其余均尚可)。

3.2 CPE樓梯間位置毫米波信號接收

如圖3所示，把CPE放置在狹窄空間的樓梯間內(圖1基站所在樓左側的樓內樓梯間，該樓共五層，總層數高于基站所在樓)接收毫米波信號。

圖3 實測場景三

測試共測5個樓層，每個樓層測4個方向，CPE朝北和朝南均距離窗戶0.65m，朝西距離窗戶0.40m，朝東距離窗戶1.25m。 測得的數據如表3所示。

表3 實測數據

從上面數據看出，一方面，CPE在不同樓層的樓梯間，其毫米波接收性能是不相同的，即終端高度和基站高度相對變化時毫米波接收性能會相應變化，與前述第2節所述理論部分基本相符。另一方面，在具體某層的樓梯間內，CPE不同的朝向其毫米波接收性能也有很大不同，且由于樓梯間內涉及不同朝向的LOS和NLOS路徑下因毫米波信號傳播路徑很復雜，已經超出前述第2節所述的理論模型所覆蓋的場景。

具體到不同樓層方面，一樓和二樓距離基站較遠，一樓和二樓的朝東向和朝南向都是完全NLOS路徑，基本情況差不多，雖然表中反映的是一樓的朝東和二樓的朝南毫米波信號不能穩定捕捉，但實際CPE位置稍挪動也會存在二樓的朝東和一樓的朝南不能穩定捕捉毫米波信號的情況；一樓和二樓朝西向是朝向樓梯間窗戶，有比較大的LOS概率，MCS值和數據吞吐率都比較高；朝北向都基本靠樓梯斜面反射，由于樓梯斜面和基站是正對方向，反射的信號還是有保證的，但由于距離基站較遠，數據表現比較勉強。

三樓和四樓CPE位置由于接近基站，各個朝向都是有效接收數據的。朝西向是朝向樓梯間窗戶，有比較大的LOS概率，MCS值和數據吞吐率都比較高，朝東向都背向窗戶數據相對較差；朝北向雖然都基本靠樓梯斜面反射，但由于樓梯斜面和基站是正對方向，反射的信號有足夠保證所以數據也還是有足夠保證，不過也因具體NLOS路徑呈現差異；三樓朝南向和四樓朝南向有一定的差異，這也和三樓、四樓的具體NLOS路徑有一定關系。

五樓樓梯間實際位置是高于具有機械下傾角的毫米波基站的，朝西和朝北方向有信號是難得的，說明樓梯間外部存在一定的反射環境，導致可以接收到一定速率的毫米波信號。

3.3 CPE穿樓層局部孔洞外部拉遠位置毫米波信號接收

基于圖1和圖2，進行CPE相對基站水平距離的穿樓層局部孔洞拉遠測試，拉到口字型樓群相對于基站所在位置的裙樓的對面側也就是北側的裙樓底樓門洞通道的外側，如圖4所示，即已經到了口字型樓群的外部，以通道外緣為基準分別拉遠0m，3m，6m，9m，12m，15m六個測試點，每個測試點四個方向，測得如下數據(表4所示)。

圖4 實測場景四

表4 實測數據

從穿樓層孔洞拉遠測試看，毫米波信號強度依照拉遠距離逐漸衰減，從口字型樓群北側裙樓底樓門洞通道內的反射、繞射后，還是有一定距離能夠有效通信的，一直拉遠到了門洞外部15m才脫網。

這個拉遠測試南向是有部分LOS路徑的，但因裙樓底樓門洞通道空間有限，拉遠到較遠距離時，LOS概率逐漸降低，直至脫網。

3.4 CPE在模擬弱信號狀態下的毫米波信號接收

模擬弱信號測試，基站功率下降20dB，gNB這項，TX Power也降了20dB為5dBm，EIRP降為31dBm。追加樓梯間弱信號測試并得到數據(表5所示)。

表5 實測數據

從表5可以看到弱信號下樓梯間信號衰減程度非常大，樓梯間一樓和二樓覆蓋非常弱，基本沒有速率，整體覆蓋范圍明顯減小。此外，之前的強點峰值速率也明顯下降。

毫米波相對于低頻會出現近距離完全收不到信號的情況，這是由于隨著頻率的升高，電磁傳播的粒子性增強，反射和衍射的特性增強，散射特性降低，再考慮本身傳播損耗就比較大，從而會導致此種情況發生。

綜合CPE在非視距、樓梯間、穿樓層孔洞拉遠、模擬低功率場景下毫米波信號接收的數據來看，相對于大空間室內，樓梯間干擾因素更大，有反射、散射、小物體阻塞陰影區繞射、衍射參與；毫米波反射在天井底部一側裙樓一樓半開間數據良好表現方面，貢獻突出；穿樓層孔洞拉遠測試表明，毫米波透過裙樓底部門洞通道還有一定輻射能力，有反射、散射、繞射參與。

4 結論與建議

通過對NSA網絡架構環境下的CPE在基站底部非視距路徑、樓梯間以及穿樓層局部孔洞拉遠等相關弱信號場景多向接收室外5G毫米波基站信號試驗發現，除了毫米波在純地面反射的NLOS路徑下衰減不嚴重外，其余弱信號下衰減均非常嚴重，毫米波這種源于對幾何阻塞的脆弱性和傳播環境的敏感性造成的高路徑損耗會最終形成時間和空間上的不平衡性，呈現稀疏的信道特征。

但是，實驗也發現毫米波反射、散射、繞射確實彌補了相當程度的輻射能力，這是增強基站近處局部復雜環境下CPE接收毫米波信號的有效方式，為此可以基于此方面進行針對性的接收環境和接收設備性能增強改進。

4.1 接收環境方面的增強措施

基站側增強多站覆蓋和協作，使得單基站近處局部復雜環境得到其他基站信號增強覆蓋[5,7]。

在普遍接收信號弱點方向集中區，找到合適的界面位置，如墻體、廣告牌等，加裝基于界面電磁學技術的毫米波相控陣天線，對基站毫米波信號進行反射或透射，實現毫米波信號增強[1]。

基站近處局部復雜環境特別是室內加裝有源室分微基站，強化熱點覆蓋。

4.2 接收設備方面的增強措施

毫米波基站內部天線陣列后方增加反射透鏡，增強集中弱信號拉遠區的信號強度[9]。

CPE設備本身增加旋轉性，通過人工智能統計信號強區，實現自適應旋轉到信號強度高的方向進行信號接收。

CPE設備分拆為室外和室內部分或者5G通信部分和Wifi通信部分，室外部分或5G通信部分在信號強區接收的毫米波信號經有線線纜傳到信號弱區的室內部分或Wifi通信部分轉換為Wifi信號。