基于15 GHz的室外頻段信道測量與分析

金凌星，孫建紅

(南京理工大學，江蘇 南京 210094)

基于15 GHz的室外頻段信道測量與分析

金凌星，孫建紅

(南京理工大學，江蘇 南京 210094)

現代通信技術的一個重要特點是計算機技術與通信技術的緊密結合。隨著無線移動通信的快速發展，傳統移動蜂窩頻段的頻譜資源面臨嚴重短缺的局面，開展著眼于高頻段的開發與利用已經刻不容緩。為此，應用基于PN序列的時域測量系統，在15 GHz頻段的室外環境下,以波束寬度為10°、增益為25 dBi的標準增益喇叭天線和增益為5 dBi的垂直極化的雙錐全向天線為研究對象進行了直視場景的信道測量；測量數據的處理采用基于floating intercept模型的滑動相關算法，應用最小二乘法建立了距離與路徑損耗之間的相互關系，并計算獲得了室外環境下路徑損耗指數和陰影衰落，由此分析了傳播信號的大尺度特性。實驗測量結果表明，15 GHz頻段在室外環境下的良好傳播特性，在未來5G通信中具有較為顯著的應用前景。

5G；高頻段；室外環境；信道測量

0 引 言

計算機技術的內容非常廣泛，主要包括計算機軟件、計算機硬件、計算機接口以及計算機通信等幾個方面。現代通信技術的發展已經離不開計算機技術的支持，而計算機技術的快速發展也能進一步推動現代通信技術的改進，計算機通信技術和信息技術已經很好地展現了兩者間密不可分的關聯。在“信息高速公路”的進展工程中，計算機技術為通信技術提供了強大的技術后盾，發揮自身的技術優勢來支持圖像、文字和聲音的有效傳遞。利用計算機技術對通信信道進行了測量和特征分析。

隨著移動互聯網的快速發展和物聯網的不斷普及，通信業務的需求將呈現爆發式增長，并導致對無線電頻譜資源的需求持續上升，而6 GHz以下的頻段資源已經日趨擁擠，因此國內外研究機構開始著眼于高頻段信道的研究和應用[1-4]。在2G通信與3G通信繁榮發展的幾十年里，至今已經占用了2 GHz以下，最適合移動通信發展的大部分頻譜，其他可用的頻譜越來越分散，加之頻譜資源的唯一性及其使用與分配上存在太多的歷史繼承性，使得3G乃至6 GHz以下都很難再找到一段合適的完整頻譜，供4G和未來通信使用。相反，在6～15 GHz這一頻段，世界范圍內存在著大量可用于移動通信的頻譜資源，還未被完全開發[5-6]。

高頻段(>6 GHz)為5G的候選頻段，目前，關于15 GHz頻段的研究很少，且大部分測量方法為頻域信道測量方式[7]。文獻[8]用矢量網絡分析儀進行15 GHz的信道測量并分析了其大尺度特性，其采用的測量方法為頻域信道測量方式。文獻[9]針對室內封閉走廊環境，研究了14 GHz頻段的寬帶無線信道時間和空間特性。文中采用基于PN序列的時域信道測量，在15 GHz頻段對室外環境的直視場景(LOS)和非直視場景(NLOS)進行了測量，分析了信道的大尺度特性,驗證了高頻段通信的可能性。

1 數據處理與分析

1.1 測量方法

目前主流的信道測量共分為基于時域測量信道的沖激響應和基于頻域測量信道的頻率響應兩種方法。頻域信道測量采用掃頻式測量，因此每一次測量會消耗比較長的時間，有可能造成測量時間超出信道的相關時間，從而導致在測量過程中所測量的信道已經發生了新的變化，最終無法有效識別多徑信號和噪聲以及時延等信道參數。不過時域測量則因為測量速度快、耗時短，可以避免這個問題[10]。

測量采用基于PN序列的時域信道測量系統，在發送端由PN序列產生器產生PRBS11序列作為信號源。PN序列具有良好的自相關特性和非常差的互相關特性，長度為2 048。

使用計算機、AWG任意波形產生器、PSG矢量信號產生器、PXA信號分析儀和OSC數字示波器來搭建信道測量系統。在發射端，由本地計算機將已生成好的PN序列利用軟件system view搭建一個系統，對PN序列進行重復，QPSK調制以及經過平方根升余弦濾波器進行濾波等操作，處理之后的PN序列作為信號源通過局域網下載到AWG，由AWG的兩路信道產生I路和Q路信號，再通過PSG進行上變頻，最終輸出到射頻端口的是功率0 dBm、頻率14.8 GHz、帶寬500 MHz的正交信號。正交信號經過HPA高功率放大器放大后再由喇叭天線發射到空口。在接收機端，由雙錐天線采集信號，然后經過低噪聲放大器放大，PXA對放大后的信號進行下變頻得到頻率為322.5 MHz的中頻信號，中頻信號由OSC采集，采集信號時可根據需要按照采樣點數或者起止時間進行采集，采集得到的信號包括I路信號和Q路信號。測量過程中由銣鐘產生觸發信號來進行校準，確保發射機和接收機保持同步。測量天線中，喇叭口天線采用的是增益為25 dBi、波束寬度為10°的定向天線；雙錐天線采用的是增益為5 dBi、垂直極化方式的全向天線。測量系統的方框圖如圖1所示。

圖1 測量系統方框圖

文中采用滑動相關法測量，利用PN序列所具有的良好的自相關特性和非常差的互相關特性進行滑動相關。通過發射天線將已調制好的PN序列發送出去，然后由接收天線采集信號并通過系統將信號快速存儲到計算機中，通過MATLAB將采集信號與作為信號源的本地PN序列進行相關處理，從而提取出信道的時域或頻域特性的相關參數。測量的相關參數配置如表1所示。

1.2 測量場景與測量方案

本次測量所選取的測量場景為上海張江地區某校園環境，參照文獻[11-12]的測試方案，選擇校園內某教學樓5樓天臺作為發射機的地址，發射天線所處的水平面相距地面的高度為21 m，發射機保持位置不動。在與教學樓相距約11.3 m的公路上共選擇了13個點作為接收機位置，接收機距地面的高度為1.5 m。設定接收機的初始位置為接收機和發射機相距30 m處，并按照5 m的間隔共選取11個點，直到相距發射機的距離為80 m時終止。最后在距離發射機100 m處再選擇2個點，一個為LOS場景，另一個為NLOS場景。在所選取的13個點中，有12個點是LOS場景，1個點是NLOS場景。測量位置如圖2所示。

表1 參數配置

圖2 測量位置

圖中，五角星代表發射機位置，圓代表接收機在LOS場景下的位置，正方形代表接收機在NLOS場景下的位置。

在本次信道測量過程中，認為水平方向是以正北方向為0°的參考方向，順時針為正方向；垂直方向是以水平位置為0°的參考方向，下傾為負。在進行測試布點時，先使用激光測距儀準確測量出發射機和接收機之間的距離，根據發射機與地面相距21 m，接收機與地面相距1.5 m，從而計算出對應不同的接收機位置時發射機所應調整的俯仰角。設定發射機的旋轉水平角度范圍為157°～337°，每一次的旋轉間隔為5°，按順時針旋轉，因此每一個測試點共進行36次測量，每一次測量都會由OSC數字示波器采集信號并由本地計算機進行存儲。

測量配置如表2所示。

2 數據處理與分析

2.1 數據處理方法

在本地計算機中使用MATLAB軟件，將采集得到的IQ兩路數據組合起來，再由設定好的濾波器系數對組合好的數據進行濾波和卷積，再經過下采樣，和本地的PN序列進行滑動相關，得到信號的PDP功率時延譜。通過功率時延譜可以計算出接收功率，從而得到每個接收位置的PL(路徑損耗)。采用最小二乘法對路徑損耗進行擬合。

表2 測量配置

文中采用文獻[13]中所介紹的floating intercept模型對路徑損耗與距離之間的關系進行描述：

PL(d)=α+β*10log10(d)+Xσ

(1)

其中，d為發射機與接收機之間的距離；PL(d)為對應距離d下的平均路徑損耗,以dB為單位；斜率β為路徑損耗指數；α為以dB為單位的截距；Xσ為以dB為單位的陰影衰落，是均值為0，標準差為σ的正態分布隨機變量。

根據最小二乘法，得到路徑損耗指數β的公式：

(2)

(3)

2.2 數據分析與結果

2.2.1 路徑損耗擬合曲線

采用2.1節的處理方法對所得數據進行處理，可得到路徑損耗擬合曲線，如圖3所示。當對距離作去dB處理后，得到對應的路徑損耗指數β為1.695 3。對照文獻[13-14]中的測量結果，本次測量得到的路徑損耗指數和陰影衰落均方差相對較小，說明15GHz高頻段在室外環境的傳播特性相對較好。

圖3 路徑損耗擬合曲線

2.2.2 陰影衰落擬合曲線

圖4所示曲線是利用dfittool工具對所求得的Xσ值進行擬合得到，可得到陰影衰落滿足均值約為0，標準差為2.474 32的正態分布。

均值的置信區間為[-0.082 018,0.082 018]，標準差的置信區間為[2.416 231 3,2.532 408 7]。根據圖5的場景分析，由于是室外場景，陰影衰落主要是因為室外樹木和建筑物的阻擋和吸收造成。

圖4 陰影衰落擬合曲線

2.2.3 多徑分布

將Tx與Rx相距40m處的測試點分別對Tx處于247°(即Tx-Rx正對)以及202°(Tx逆時針偏轉正對方向45°)進行測量。圖5(a)為Tx-Rx正對功率時延譜，圖5(b)為Tx偏轉45°后功率時延譜。

根據圖5中的功率時延譜(PDP)進行分析，由于發送長度為2 048的PN序列，發送時進行上采樣，在PC端處理數據過程中也要進行相對應的下采樣，得PDP中峰值之間的相隔點數是2 048。

分析圖5的兩個場景差別可得，圖5(a)中，當Tx和Rx正對時，PDP中的最強徑主要是由Tx和Rx之間的直射徑組成，主徑右邊幾乎沒有多徑分量；圖5(b)中，Tx逆時針偏轉正對方向45°，可以明顯發現PDP中除了主徑外多了一條路徑，該多徑信號產生的原因則是因為對面的建筑物對信號反射形成了一條反射徑。

3 結束語

目前6GHz以下已經很難找到一段完整的頻譜供未來移動通信使用，同時人們對蜂窩資源需求的急速增加促使人們著眼于15GHz以上的高頻段的研究。文中對高頻段15GHz在室外的傳播特性進行測量，通過分析處理得到路徑損耗指數為1.695 3，陰影衰落滿足均值為0，標準差為3.262 54dB的高斯分布,傳播特性相對較好。文中驗證了高頻段在未來5G通信中的可行性，對未來5G移動通信的網絡發展和技術研究提供了一定參考，同時也體現出計算機技術迅速發展對通信業有更好的促進作用。

圖5 功率時延譜

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Measurement and Analysis of Outdoor Channel Characteristics at 15 GHz

JIN Ling-xing，SUN Jian-hong

(Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

An important feature of modern communication technology is the close combination between the computer technology and communication technology.With the rapid development of wireless mobile communication,traditional mobile cellular frequency spectrum resource is such shortage that development and utilization of high frequency has become urgent.Therefore,the time domain measurement system based on PN sequence is employed to measure propagation characteristics of the outdoor environment in 15 GHz with the use of an horn antennas with 10゜HPBW (Half-Power Beam Width) and 25 dB gain and a vertical polarization double cone omnidirectional antennas with 5 dB gain.The sliding correlation method has been used for processing data combined with floating intercept model and least square method applied to acquire the relationship between the distance and the path loss by which the path loss exponent and the shadow fading standard variance could be achieved for analysis of large scale features of the transmitted signals.Experimental results show that the signals at 15 GHz have good propagation characteristics in the outdoor environment and that it is the potential spectrum with a good perspective of application in future 5G communications.

5G;high frequency band;outdoor environment;channel measurement

2016-04-25

2016-08-03

時間：2017-02-17

國家“863”高技術發展計劃項目(2014AA01A706);國家科技重大專項基金資助項目(2014ZX03003012-001);上海市科學技術委員會資助項目(13511500600)

金凌星(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為高頻段無線信道測量與建模；孫建紅，碩士生導師，副教授，研究方向為電路信號檢測與處理、電路故障。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1630.056.html

TP393.04

A

1673-629X(2017)03-0163-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.034