5G高頻段無線信道測量技術研究進展及發展趨勢

張沛澤，龐帥，周宇，孫向前，王洪博

（中國信息通信研究院泰爾終端實驗室，北京 100191）

5G高頻段無線信道測量技術研究進展及發展趨勢

張沛澤，龐帥，周宇，孫向前，王洪博

（中國信息通信研究院泰爾終端實驗室，北京 100191）

毫米波無線通信是提高第五代移動通信（5G）數據傳輸速率的關鍵技術之一。搭建高頻段無線信道測量系統，研究不同頻段和場景下的電波傳播特性是建立高頻信道模型的基礎。結合目前國內外信道測量方案，重點介紹了幾種基于旋轉高增益定向天線的頻域和時域虛擬多天線信道測量系統，分析了其在應用過程中需要考慮的問題。此外，還可通過射線跟蹤技術仿真得到特定場景的信道沖激響應，彌補了實測成本高和實施難度大的不足。最后，總結了目前高頻段信道測量和仿真結果，并展望了還有待深入研究的方向。

5G 毫米波 信道測量 射線跟蹤

1 引言

隨著移動通信與互聯網的深度融合，以及物聯網、車聯網等技術的迅速發展，智能終端設備接入數量和無線數據流量呈指數式增長，第四代移動通信技術（4G）已無法滿足人們對低時延、高容量、大連接的數據傳輸需求。因此，業界正在開展面向2020年及未來5G的預研工作。為了最終滿足國際電聯（International Telecommunication Union，ITU）對5G在峰值速率、用戶體驗速率等方面的指標要求，提高信號的傳輸帶寬是最為直接和有效的方式[1]。6 GHz以下低頻段的頻譜資源已經十分稀缺，主要分配給了目前已經商用的蜂窩移動通信系統、無線局域網（Wireless Local Area Networks，WLAN）、無線個域網（Wireless Personal Area Networks，WPAN）、廣播電視及少量軍事通信業務。相反，6 GHz以上高頻段還有大量未分配的頻譜資源亟待開發和利用。所以，高頻段通信被認為是推動5G傳輸速率大幅提升最具潛力的技術之一。

隨著2017年7月8日工信部公開征集在毫米波頻段規劃5G使用頻率的意見，包括美國、歐盟、日韓等在內的世界主要國家和地區都將毫米波作為5G的重要工作頻段，并公布了相應的頻率規劃方案。其中，考慮到24.75 GHz—27.5 GHz和37 GHz—42.5 GHz頻段因頻率相對較低且具有較大的連續帶寬，有望成為全球統一的5G毫米波移動通信工作頻率。毫米波因具有波長短的特點，一方面便于射頻器件的小型化和系統集成，天線波束更窄，指向性更強，提高了系統的抗干擾能力，能有效降低系統功耗；另一方面受到電磁波傳播機制的影響，毫米波繞射能力差，傳輸衰減巨大，覆蓋范圍受限[2]。因此，為了結合大規模天線、波束賦型等技術，克服毫米波在應用過程的劣勢，首先需要對毫米波在不同場景的傳輸特性展開深入研究，建立相應的空間信道模型。通常，在實際環境中搭建信道測量系統并進行測試是獲取信道數據最為可靠的方式。但由于測量設備性能、成本等因素的限制，利用射線跟蹤等仿真手段獲得信道數據可以作為測量結果的補充和驗證。

本文綜合國內外在5G毫米波無線信道測量方面的研究進展和結果，詳細討論了不同研究機構信道測量設備的特性，比較了不同頻段、場景的毫米波信道測量結果，有利于不斷提高測量準確度，提高信道模型的合理性。

圖1 大氣損耗及雨衰特性

2 高頻段無線信道特性

根據Friis傳輸公式，電磁波傳播損耗會隨著傳播距離和信號頻率的升高而增加。對于室外遠距離傳輸，大氣損耗和雨衰的影響也不可忽略。圖1（a）給出了在全頻段內由于大氣吸收所造成的自由空間附加衰減[3]。受到氧氣、水汽等因素的影響，在10 THz以下，大氣衰減隨頻率的增加而整體呈上升趨勢，但存在波動。這主要是因為其對頻率具有選擇性，進而產生了大氣窗口。與低頻段相比，毫米波頻段的大氣損耗普遍較高。所以在選取載波頻率和確定小區覆蓋范圍時需要綜合考慮這些附加衰減的影響。此外，由于毫米波的波長與雨滴的尺寸可比擬，不同降雨量對不同頻率電磁波造成的雨衰特性不盡相同，如圖1（b）所示[4]。研究表明，在0 GHz—100 GHz范圍內，雨衰隨頻率的增加而逐漸增大，并在100 GHz左右達到峰值，隨后以緩慢趨勢下降。對于同一頻率而言，降雨量越大衰減越嚴重。所以在信道測量過程中，為能夠準確檢測到有用信號，需要保證測量系統的動態范圍，同時采用高增益收發天線并增加功放和低噪放等器件。

無線信號從發射天線到接收天線的傳輸過程中，會受到傳播環境中建筑物、樹木等影響，產生直射路徑或視距路徑（Line-of-Sight，LoS）以外的多徑。根據Huygens原理，在固定發射機和接收機與阻擋物位置的情況下，頻率越高，菲涅爾區同心圓的半徑越小，繞射能力越差[5]。當遇到障礙物后，毫米波無線信號主要會以透射的形式向后傳播，并且其穿透損耗與信號的入射方向、中心頻率以及介質本身的結構有關。因此，從傳播機制角度而言，接收信號主要是由直射和反射路徑組成。為充分利用多徑效應進行時間、空間分集，就要求信道測量系統具有較高的時間分辨率，并且能夠采集不同角度的信道數據。

圖2 基于VNA的典型頻域信道測量系統[6]

3 高頻信道測量技術

3.1 高頻無線信道探測器

根據測量原理的不同，目前應用于毫米波信道測量的方法主要分為頻域法和時域法，它決定了信道探測器的主要結構。此外，一套完整的毫米波信道測量系統還包括線纜、天線及其控制臺等附屬配件。通常，頻域法信道探測器的核心是矢量網絡分析儀（Vector Network Analyzer，VNA），通過掃頻的方式獲得一定帶寬內的信道頻率響應，再利用傅里葉反變換獲得信道沖激響應（Channel Impulse Response，CIR）。對于VNA無法直接滿足測量頻率的情況，需要增加上下變頻器及本振源等模塊，提高其測量范圍。頻域法的時間分辨率和中頻帶寬或采樣點數密切相關，中頻帶寬越小時間分辨率越高，但代價是延長了測量時間，并且掃頻法要求在測量時間內信道是準靜態的。圖2給出了Aalto大學設計的一種基于VNA的頻域測量方案[6]，其特殊之處在于發射端采用光纖進行傳輸，可以將系統測量范圍提高到200 m以上，使其不再局限于室內測量。

對于室外無線信道通常采用收發端分離的時域法進行測量，它可以根據不同測量需求將收發信機靈活地放置在不同位置，避免了頻域法測量范圍受限的問題。在發射端直接發送自相關性良好的寬帶信號，經過無線信道后在接收端對接收信號進行采樣，然后與原始序列進行解相關運算，進而直接得到時域CIR。圖3給出了一種滑動相關器結構的時域信道測量系統[7]。Theodore S Rappaport教授領導的紐約大學無線中心（NYU WIRELESS）、韓國科學技術院（KAIST）、三星電子等大部分科研機構都采用了這種測量方案，其特點在于可以根據測量需求選取不同器件，動態范圍和分辨率高，但通常只適用于固定頻段，無法靈活擴展到多頻段測量。圖4給出了東南大學利用高性能矢量信號源和頻譜儀搭建的時域測量系統[8]，采用通用儀表測試的優勢在于保證了測試信號的質量和穩定性，可以將收發設備連接在一個局域網內，實現同步、觸發和自動化測試。

可以預見的是，未來多天線技術勢必會應用于毫米波無線通信，因此多天線信道測量以及空間角度信息的獲取尤為重要。直接采用多天線進行測試，會受到天線設計結構的影響，并且增加發射機和接收機的數量，或者采用高速電子開關實現多通道切換都會大幅提高測試成本。所以目前主流的方法是通過旋轉定向天線實現虛擬多天線信道的測量，如圖5所示[9]。采用高增益的窄波束定向天線可以補償毫米波信道的巨大衰減，支持在俯仰、水平方向靈活旋轉的三維轉臺實現信道空間傳播特性的測量。在天線旋轉過程中，步長的選取和天線的半功率波瓣寬度（Half-Power Beamwidth，HPBW）有關，HPBW越小，直接獲得的空間角度分辨率越高。值得注意的是，在對不同指向角的CIR進行合成時需要在電波暗室中進行參考測量，以消除天線方向圖不均勻對信道產生的影響。隨著對信道探測器研究的不斷深入，美國國家標準與技術研究院（NIST）[10]、英國杜倫大學（Durham）[11]、德國伊爾梅瑙工業大學（TU Ilmenau）[12]、日本東京工業大學[13]開始探索更高效和低成本的MIMO測量系統，可以同時獲得不同極化、多個頻段的信道數據。

圖3 滑動相關信道探測器[7]

圖4 采用通用儀表搭建的時域信道測量系統[8]

圖5 旋轉定向天線模擬虛擬多天線信道測量示意圖[9]

3.2 毫米波無線信道仿真

由于搭建實際測量系統高昂的成本以及部分場景難以實施測量等因素，通過建立實測場景的簡化模型，利用射線追蹤技術仿真獲取信道數據在毫米波頻段也被接受，可以作為無線信道測量的補充和驗證。射線追蹤算法主要是以幾何光學和一致繞射理論為基礎，具體可以通過彈跳射線法或鏡像法來得到每條追蹤射線的路徑。目前，已經有商用的射線追蹤軟件（如Wireless InSite，WinProp等）可以直接應用，在仿真開始前只需要輸入收發天線的配置參數、環境中建筑物材料特性參數等信息。因此，為了準確反映實際傳播環境，對建筑物材料的介電常數、反射系數等參數的建模以及植被、人體遮擋效應的影響是未來研究的熱點。但簡單地使用射線追蹤軟件對計算機的處理速度和性能提出了更高的要求，存在計算量大和實時性差的缺點。為了有效降低計算復雜度，需要對高頻電磁波繞射、散射等傳播機制展開深入研究，通過設置合理的門限值和判決條件可以極大地減小運算量，提高追蹤效率。

4 高頻段信道測量結果

5G高頻頻段的劃分和統計信道模型的建立離不開對不同頻段、不同場景的信道測量工作。北美、歐洲、日韓和中國的一大批產學研機構都搭建了毫米波信道測量平臺，對28 GHz、38 GHz、60 GHz和73 GHz等多個頻段開展了大量的信道測量和仿真工作，積極推動高頻段信道模型的標準化工作。表1列出了主要研究機構目前已經完成的室內、室外信道測量和仿真的結果，其中室內熱點（Indoor Hotspot，InH）包括了會議室、辦公室、起居室、地下室、大廳、走廊等場景，城市微蜂窩（Urban Micro，UMi）或城市宏蜂窩（Urban Macro，UMa）包括城市街道峽谷地帶、城市市中心、校園等，農村宏蜂窩（Rural Macro，RMa）主要表示野外毫米波中繼鏈路，室外到室內（Outdoorto-Indoor，O2I）主要研究建筑物的穿透損耗。

5 結束語

隨著美國、歐洲、日韓、中國等國家和地區陸續出臺5G毫米波頻率規劃方案，毫米波無線通信受到了業界的廣泛關注。本文首先結合高頻段電波傳播特性說明了在信道測量過程中所面臨的挑戰和需求。然后根據測量原理的不同，重點介紹了幾種目前所廣泛采用的頻域和時域信道測量系統及其特點，并將現有的測量和射線跟蹤仿真結果進行總結，包括研究機構、應用場景、頻率、測量方法等。采用旋轉高增益定向天線的測量方式可以直接獲得不同角度空間的CIR，但無法真正反映MIMO信道的特征，因此本文給出了幾種現有的測量或仿真的參考解決方案。毫米波無線信道測量是建立三維空間信道模型的基礎，充分了解高頻信道測量技術的發展有利于提高信道模型的合理性和準確性。

表1 國內外主要研究機構信道測量結果

[1]尤肖虎,潘志文,高西奇,等. 5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J]. 中國科學：信息科學, 2014(5): 551-563.

[2]T S Rappaport. Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: it will work![J]. IEEE Access, 2013(5):335-349.

[3]U R Pfeiffera, E Ojeforsa, A Lisauskasb. Opportunities for silicon at mmWave and Terahertz frequencies[C]//Monteray, CA: Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, 2008.

[4]Q Zhao, J Li. Rain attenuation in millimeter wave ranges[C]//IEEE International Symposium on Antennas,Propag. amp; EM Theory, 2006.

[5]T S Rappaport. Wireless Communications, Principles and Practice[M]. 2rd. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall,2002.

[6]R Naderpour, J Vehmas, S Nguyen, et al. Spatio-temporal channel sounding in a street canyon at 15, 28 and 60 GHz[C]//Valencia, Spain: IEEE 27th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2016: 1-6.

[7]Eshar Ben-Dor, T S Rappaport, Y Qiao, et al. Millimeter-Wave 60 GHz Outdoor and Vehicle AOA Propagation Measurements Using a Broadband Channel Sounder[C]//Kathmandu, Nepal: IEEE Global Communication Conference (GLOBECOM), 2011: 1-6.

[8]T Wu, H Wang, Y Chen, et al. Wideband Channel Fading Characteristics in Corridor Environment at Millimeter-Wave Bands[C]//Paris, France: Eur. Conf. Antenna Propag. (EuCAP), 2017: 1-5.

[9]S Hur, Y J Cho, J Lee, et al. Synchronous channel sounder using horn antenna and indoor measurements on 28 GHz[C]//In: IEEE BlackSeaCom, 2014: 83-87.

[10]P B Papazian, C Gentile, K A Remley, et al. A Radio Channel Sounder for Mobile Millimeter-Wave Communications: System Implementation and Measurement Assessment[J]. IEEE Transactions Microwave Theory Technique, 2016,64(9): 2924-2932.

[11]S Salous, S M Feeney, X Raimundo, et al. Wideband MIMO channel sounder for radio measurements in the 60 GHz band[J]. IEEE Transactions Wireless Communication, 2016,15(4): 2825-2832.

[12]Robert Müller. Simultaneous Multi-Band Channel Sounding at mm-Wave Frequencies[C]//Davos,Switzerland: Eur. Conf. Antenna Propag. (EuCAP),2016: 1-5.

[13]M Kim, J Takada, Y Konishi. Novel Scalable MIMO Channel Sounding Technique and Measurement Accuracy Evaluation with Transceiver Impairments[J].IEEE Transactions Instrumentation Measurement,2012,61(12): 3185-3197.

Research Advance and Development Trend of Wireless Channel Measurement Technology in 5G High Frequency Band

ZHANG Peize, PANG Shuai, ZHOU Yu, SUN Xiangqian, WANG Hongbo
(CTTL Terminal China Academy of Information and Communication Technology, Beijing 100191, China)

Millimeter wave (mmWave) wireless communication is the one of the key techniques to enhance data transmission rate for 5G mobile communications. To build the high frequency band wireless channel measurement system and investigate the propagation characteristics of radio wave in different bands and scenarios are the foundation to build the high frequency channel model. Considering the channel measurement solutions at home and abroad, several virtual multi-antenna channel measurement systems in frequency domain and time domain based on rotatable high-gain directional antenna were addressed. Some problems in their applications were analyzed. In addition,the channel impulse response in specific scenario was derived based on ray tracing technique. This compensates the drawbacks in high testing cost and great implementation difficulty. Finally, the high frequency band channel measurement and simulation results were summarized and the potential research directions were prospected.

5G millimeter wave channel measurement ray tracing

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.012

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0067-06

張沛澤,龐帥,周宇,等. 5G高頻段無線信道測量技術研究進展及發展趨勢[J]. 移動通信, 2017,41(18): 67-72.

2017-06-28

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

張沛澤：學士畢業于北京郵電大學，碩士現就讀于中國信息通信研究院泰爾終端實驗室，主要研究方向為毫米波頻段信道測量和建模及大規模天線陣列信號處理技術。

龐帥：畢業于電信科學技術研究院信息與通信工程專業，現任職于中國信息通信研究院泰爾終端實驗室，從事短距離無線通信技術研究工作。

周宇：碩士畢業于北京郵電大學電磁場與微波技術專業，現任職于中國信息通信研究院泰爾終端實驗室，主要從事電信領域前沿技術研究工作。

孫向前：學士畢業于北京郵電大學通信工程專業，碩士畢業于工業和信息化部電信研究院，現任中國信息通信研究院泰爾終端實驗室無線與移動部主任。主要從事2G/3G/4G檢測認證管理與研究工作。