基于測量的典型工業物聯網場景毫米波信道特性分析

摘 要：為更好地補充和擴展典型工業物聯網（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ，ＩＩｏＴ）場景中毫米波頻段電波傳播特性的研究，并滿足ＩＩｏＴ 在連接性、可靠性、安全性、智能化和覆蓋性等方面的更高需求，在２６ ＧＨｚ 頻段下，對典型ＩＩｏＴ 場景進行了信道測量與特性分析。研究涉及的典型工業場景包括不同設備布置密度的工業密集場景和工業稀疏場景?；趯崪y數據，對上述兩種工業環境下的信道特征參數進行了萃取，并在此基礎上分析和比較了兩種典型工業場景的毫米波信道特性。研究發現，由于工業密集場景存在大量金屬設備會對信號產生強反射，導致其路徑損耗指數小于工業稀疏場景，且萊斯Ｋ 因子更小、時延擴展更大。當接收端使用相控陣天線時，通過波束跟蹤可以實時調整波束方向，從而提高信號的傳輸效果，減小信號傳播時延。對ＩＩｏＴ 場景信道特性的準確分析將有助于理解信號在工業環境中的傳播規律，預測和評估通信系統的傳輸可靠性，進而優化系統設計和網絡規劃，確保ＩＩｏＴ 應用的高效穩定運行。

關鍵詞：工業物聯網；信道特性；寬帶信道測量；毫米波信道

中圖分類號：ＴＮ９２８ 文獻標志碼：Ａ

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０５－０８７６－１０

０ 引言

工業物聯網（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ，ＩＩｏＴ）作為第五代移動通信的新型應用場景，其研究涉及數據傳輸與處理、設備連接、安全性與可靠性、標準化與互操作性等多個方面［１］。隨著第五代移動通信技術的快速發展，其高速率、低時延、大容量等特性可進一步為ＩＩｏＴ 的擴展提供強有力的支撐［２］。無線通信是推動ＩＩｏＴ 發展的關鍵驅動力，但隨著ＩＩｏＴ 應用的多樣化，６ ＧＨｚ 以下頻段將難以滿足無線ＩＩｏＴ 高密度的海量傳感器節點互聯、精準控制和高速率傳輸等需求，而毫米波通信有望解決這些問題。與傳統通信系統普遍采用的６ ＧＨｚ 以下頻段相比，毫米波通信具有頻譜資源豐富、可實現Ｇｂｉｔ／ ｓ級別的超高速傳輸、低時延和超高可靠性等優勢［３］。２０１７ 年７ 月，工信部恢復了包括２６ ＧＨｚ 在內的新增毫米波實驗頻段。歐盟委員會無線頻譜政策組發布的歐洲５Ｇ 頻譜戰略將２６ ＧＨｚ 作為５Ｇ 的首選頻段。同時，２６ ＧＨｚ 作為毫米波頻段可以提供更高帶寬和更低時延的網絡體驗。

根據工業應用背景的不同，典型的ＩＩｏＴ 場景可以劃分為精密工業場景、常規工業場景和傳統工業場景。這３ 種ＩＩｏＴ 場景的空間尺寸差異顯著，面積從２０ ～１６０ ０００ ｍ２ 不等。此外，不同工業場景中的生產、辦公等區域的分配和布局也大相徑庭［４］。場景空間尺寸的差異對天線和通信設備的布置情況有顯著影響，還會導致信道特性的差異。具體而言，空間尺寸的變化可能會改變天線的輻射模式、信號傳播路徑以及設備的安裝位置，從而影響信號的傳輸質量和穩定性。因此，在設計和部署無線通信系統時，必須充分考慮場景的尺寸差異，以設計出最優的通信部署方案［５］。

５Ｇ 應用產業聯盟提出的ＩＩｏＴ 場景［６］尺寸為１８０ ｍ×８０ ｍ×２５ ｍ，其中不同區域承擔的職責各異，因此各區域內的設備和環境具有獨特性，導致信道特性因區域而異。此外，３ＧＰＰ 在ＴＲ ３８． ９０１ 中根據天線高度和散射體密度對ＩＩｏＴ 場景進行了更為細致的劃分，分別為稀疏低基站、密集低基站、稀疏高基站和密集高基站［７］。在后續關于ＩＩｏＴ 場景的研究中，除了參考５Ｇ 應用產業聯盟和３ＧＰＰ 提出的工業場景模型，還需考慮不同工業場景下影響信道特性的環境因素，以及同一工業場景中不同工作區域內的天線部署方式。

ＩＩｏＴ 的發展受到對該場景下無線信道特性認知不足的限制。為此，國內外許多研究組織和專家學者開展了相關研究，以深入了解ＩＩｏＴ 場景中的無線通信信道傳播特性。文獻［８］測量了大型工業大廳在載波頻率為１． ９ ＧＨｚ 時的信號衰落數據，從而確定了工業環境中的信號傳播影響因素，并提出了一種適用于工業環境的路徑損耗模型。同時，研究發現工廠的物理條件越復雜，路徑損耗指數和標準差值越大［９］，且路徑損耗指數大小依賴于頻率、場景和天線高度［１０－１１］。文獻［１２］分析了３ ～４ ＧＨｚ 和３８ ～４０ ＧＨｚ 頻段下的寬帶信道特性，如信道增益系數、時延擴展和萊斯Ｋ 因子。研究表明，在６ ＧＨｚ以下頻段，隨著距離的增加，視距（Ｌｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ，ＬｏＳ）場景中的均方根時延擴展先增大后減小，而非視距（ＮｏｎＬｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ，ＮＬｏＳ）場景中的均方根時延擴展則單調增加；在毫米波頻段，ＬｏＳ 場景中的均方根時延擴展隨收發端距離略有增長。文獻［１３］對比了３． ７、２８ ＧＨｚ 下的信道特性，時延擴展分別為２０． ３、２３． １ ｎｓ，不隨頻率變化而穩定，而是受傳播環境的影響。文獻［１４］在相同的工業場景下，對５４、７０ ＧＨｚ 頻段進行了信道測量，結果顯示，除了路徑損耗指數外，時延擴展和萊斯因子在這兩種頻率下沒有顯著差異。文獻［１５］在高度代表性的工業環境中進行了廣泛的信道測量活動，驗證了毫米波通信在工業環境中不僅是可行的，甚至比在典型的室內住宅或辦公室環境中更為適用。

綜上所述，信道特性主要受信道測量場景中散射體的分布、密集程度，以及通信系統的頻率、帶寬、收發端距離和天線配置的影響。在ＩＩｏＴ 中，許多工業控制系統對通信網絡的時延和可靠性提出了嚴格的要求，這就需要在系統設計時深入了解信道特性。然而，截至目前，國內在ＩＩｏＴ 場景下構建的信道模型尚不完備，這在一定程度上制約了相關技術的進一步發展與應用，主要原因是測量場景單一，場景之間缺乏類比性。基于此，在２６ ＧＨｚ 頻段下對工業密集和工業稀疏兩種典型的ＩＩｏＴ 場景進行了信道測量和特性分析。通過對信道測量數據的時域、頻域和空域多維度參數的提取，獲取了上述典型工業場景的路徑損耗、陰影衰落、時延擴展以及萊斯Ｋ 因子等信道特征參數，并對其信道特性進行了對比分析，確定了散射體位置、金屬材料、收發機位置等影響通信性能的關鍵物理因素。這些研究結果可為ＩＩｏＴ 場景中無線通信系統的設計、部署及通信網絡的優化提供參考。