孫君，謝利娟，，許暉，劉順順

（1.南京郵電大學(xué)，江蘇南京210003；2.上海無線通信研究中心，上海201200；3.上海理工大學(xué)，上海201200）

研究與開發(fā)

15 GHz頻段下會(huì)議室內(nèi)信道大尺度衰落特性測(cè)量與分析

孫君1，謝利娟1，2，許暉2，劉順順3

（1.南京郵電大學(xué)，江蘇南京210003；2.上海無線通信研究中心，上海201200；3.上海理工大學(xué)，上海201200）

傳統(tǒng)移動(dòng)蜂窩頻段的嚴(yán)重短缺，使得高頻段的開發(fā)與利用受到越來越多的關(guān)注與研究。采用了基于PN序列的時(shí)域測(cè)量系統(tǒng)，在15 GHz頻段下對(duì)會(huì)議室環(huán)境的直視場(chǎng)景（LOS）和非直視場(chǎng)景（NLOS）進(jìn)行了信道測(cè)量，分析了其大尺度衰落特性，得到了距離和路徑損耗的關(guān)系，并計(jì)算得出室內(nèi)會(huì)議室環(huán)境下的路徑損耗指數(shù)和陰影衰落因子。測(cè)量采用了增益為27 dBi的雙脊波導(dǎo)天線和全向天線，通過改變發(fā)射天線水平角得到某個(gè)距離下的測(cè)量數(shù)據(jù)，分析了特定場(chǎng)景下接收功率隨角度的變化特性。

5G；15 GHz；信道測(cè)量；大尺度衰落

1 引言

蜂窩通信和無線局域網(wǎng)工作在800 MHz～5.8 GHz頻段，新的60 GHz無線局域網(wǎng)的研究也逐漸開始。寬帶無線業(yè)務(wù)的逐漸增長(zhǎng)導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)載波頻段的短缺。研究表明，在高頻段（＞6 GHz）下進(jìn)行移動(dòng)通信是可能的，在此頻段下，可以利用高增益的小型化天線等來探索信道的特性［1］。自2013年12月4日，我國(guó)第四代移動(dòng)通信（4G）牌照發(fā)放，宣告世界上移動(dòng)通信用戶數(shù)量最龐大的國(guó)家全面進(jìn)入4G時(shí)代，而全球的4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)也逐漸上升。與此同時(shí)，面向下一代移動(dòng)通信需求的第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)的研發(fā)也已在世界范圍內(nèi)如火如荼地展開。未來5G蜂窩技術(shù)的發(fā)展需要一個(gè)合適的信道模型作參考。5G蜂窩系統(tǒng)可運(yùn)用比傳統(tǒng)頻段更高的載波頻段以獲得更多的頻譜，以更大的容量支持各種多媒體業(yè)務(wù)。足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益是高頻段毫米波移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)。高頻段在移動(dòng)通信中的應(yīng)用是未來的發(fā)展趨勢(shì)，業(yè)界對(duì)此高度關(guān)注［2］。

隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，人們?cè)谥T如辦公樓、超市或會(huì)議廳等場(chǎng)所傳送大量的語(yǔ)音、視頻等數(shù)據(jù)，因此室內(nèi)通信質(zhì)量受到越來越多的關(guān)注，由于室內(nèi)無線信道的基本特征影響甚至決定著這些傳送的過程和結(jié)果，因此，對(duì)無線電波在室內(nèi)傳播的研究具有重大的意義［3］。目前，已經(jīng)有很多關(guān)于室內(nèi)信道測(cè)量與建模分析的參考文獻(xiàn)［4-15］。參考文獻(xiàn)［4-7］測(cè)量并分析了60 GHz室內(nèi)信道特性，如均方根（RMS）時(shí)延擴(kuò)展和功率延時(shí)譜等。參考文獻(xiàn)［8］在典型的辦公樓室內(nèi)環(huán)境下使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別在LOS和NLOS場(chǎng)景中進(jìn)行UWB信道頻域測(cè)量。參考文獻(xiàn)［9］描述了17 GHz的寬帶信道測(cè)量與分析。參考文獻(xiàn)［10］測(cè)量并分析了45 GHz下室內(nèi)信道的大尺度衰落特性，得到了路徑損耗指數(shù)和陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差等結(jié)果。參考文獻(xiàn)［11］通過搭建140 GHz發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)研究了140 GHz的高速無線通信技術(shù)。參考文獻(xiàn)［12］介紹了采用基于自動(dòng)化旋轉(zhuǎn)天線方式的信道測(cè)量?jī)x在28 GHz頻段下對(duì)室內(nèi)信道進(jìn)行了測(cè)量與分析。參考文獻(xiàn)［13］介紹了60 GHz和28 GHz的時(shí)延擴(kuò)展特性。關(guān)于室外環(huán)境下的信道測(cè)量也有一些，參考文獻(xiàn)［14］研究了城市微小區(qū)環(huán)境在毫米波頻段28 GHz下的路徑損耗模型。

2G通信與3G通信繁榮發(fā)展的幾十年里，至今已經(jīng)占用了2 GHz以下最適合移動(dòng)通信發(fā)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3 GHz乃至6 GHz以下都很難再找到一段合適的完整頻譜，供未來移動(dòng)通信使用。相反的，在6 GHz以上，世界范圍內(nèi)存在著大量、可用于移動(dòng)通信的頻譜資源，還未被完全開發(fā)出來。根據(jù)《中華人民共和國(guó)無線電頻率劃分規(guī)定》（2014版），6～60 GHz頻率范圍內(nèi)以主要業(yè)務(wù)劃分給移動(dòng)業(yè)務(wù)的頻率范圍有5 925～8 750 MHz頻段、10～10.68 GHz頻段、10.7～13.25 GHz頻段、14.3～15.35 GHz頻段、17.7～18.6 GHz頻段、18.8～23.6 GHz頻段、24.25～29.5 GHz頻段、31～31.3 GHz頻段、36～40.5 GHz頻段、42.5～47 GHz頻段、47.2～50.2 GHz頻段、50.4～52.6 GHz頻段，共12個(gè)頻段。連續(xù)的大帶寬可以在低成本低功耗的前提下更好地滿足5G要求的高數(shù)據(jù)率用戶體驗(yàn)，所以頻段選擇時(shí)需要有一定的連續(xù)帶寬需求，較低頻段建議選擇大于500 MHz的連續(xù)帶寬，較高頻段建議選擇大于1 GHz的連續(xù)帶寬。

目前，國(guó)際上研究毫米波信道傳播特性較多，主要集中在28 GHz、38 GHz、60 GHz等頻段，15 GHz也是5G的候選頻段之一。例如，愛立信助力NTT DoCoMo開展的5G網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)將在15 GHz頻段展示高達(dá)10 Gbit/s的超高數(shù)據(jù)傳輸速率；相對(duì)于28 GHz等頻段，15 GHz頻段的研究剛起步，在未來一段時(shí)間內(nèi)將進(jìn)一步得到廣泛研究。關(guān)于15 GHz頻段下信道特性的大部分測(cè)量方法為頻域信道測(cè)量方式。如參考文獻(xiàn)［15］用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行15 GHz的信道測(cè)量并分析了其時(shí)延特性，其采用的測(cè)量方法為頻域信道測(cè)量方式。本文采用的是基于PN序列的時(shí)域信道測(cè)量方法，在15 GHz下對(duì)室內(nèi)會(huì)議室環(huán)境直視場(chǎng)景和非直視場(chǎng)景進(jìn)行了測(cè)量，本文介紹了具體的測(cè)量方法和測(cè)量過程，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到路徑損耗擬合曲線和接收功率角度曲線，并分析了15 GHz頻段下不同場(chǎng)景無線信道的多徑分布情況。

2 測(cè)量方法和測(cè)量場(chǎng)景

2.1 測(cè)量方法

寬帶信道特性可以由時(shí)域測(cè)量信道的沖激響應(yīng)或頻域測(cè)量信道的頻率響應(yīng)得到。頻域信道采用掃頻式測(cè)量，每次測(cè)量需要的時(shí)間較長(zhǎng)，可能會(huì)超過信道的相關(guān)時(shí)間，使得測(cè)量過程中信道是變化的，可能會(huì)導(dǎo)致得到的多徑信號(hào)和噪聲信號(hào)難以分辨，而時(shí)域測(cè)量由于需要的時(shí)間較短，不會(huì)產(chǎn)生上述問題。

本次測(cè)量采用基于PN序列的時(shí)域信道測(cè)量系統(tǒng)，在發(fā)送端由PN序列產(chǎn)生器產(chǎn)生具備良好自相關(guān)特性和很差互相關(guān)性的PN序列，長(zhǎng)度為2 048，自相關(guān)性曲線和互相關(guān)性曲線分別如圖1（a）和圖1（b）所示。

PN序列經(jīng)QPSK調(diào)制之后，經(jīng)4倍上采樣后再經(jīng)過根升余弦濾波器濾波，濾波器滾降系數(shù)為0.22，長(zhǎng)度為81，將濾波后的信號(hào)上變頻后由天線發(fā)射出去，數(shù)據(jù)處理過程與上述過程相反。測(cè)量過程中利用Aglient SystemVue軟件搭建發(fā)射接收系統(tǒng)，發(fā)射系統(tǒng)將發(fā)射信號(hào)通過LAN端口下載到AWG任意波形產(chǎn)生器中。測(cè)量中采用AWG任意波形產(chǎn)生器、PSG矢量信號(hào)產(chǎn)生器、云臺(tái)和天線組成發(fā)射機(jī)；PXA信號(hào)分析儀、OSC數(shù)字示波器、云臺(tái)和天線組成接收機(jī)。在發(fā)送端，AWG和PSG的IQ調(diào)制帶寬均為2 GHz，在接收端，OSC的帶寬可達(dá)到8 GHz。AWG由兩路信道產(chǎn)生I路信號(hào)和Q路信號(hào)，PSG將I/Q信號(hào)上變頻到14.8 GHz，之后將上變頻后的信號(hào)經(jīng)過高功率放大器HPA放大，再由天線發(fā)射出去。在接收端，PXA用來對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻得到322.5 MHz的中頻信號(hào)，OSC負(fù)責(zé)采集信號(hào)。采集信號(hào)時(shí)可根據(jù)需要按照采樣點(diǎn)數(shù)或者起止時(shí)間進(jìn)行采集，采集得到的信號(hào)包括I路信號(hào)和Q路信號(hào)。測(cè)量過程中由外部觸發(fā)信號(hào)保證發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同步。測(cè)量中用到的喇叭天線和雙脊波導(dǎo)天線的水平旋轉(zhuǎn)角度和垂直旋轉(zhuǎn)角度均通過云臺(tái)控制，云臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～360°，垂直旋轉(zhuǎn)角度范圍為-45°～45°，精度可達(dá)0.01°。測(cè)量系統(tǒng)的框架如圖2所示。

測(cè)量過程中，發(fā)送端發(fā)送經(jīng)過調(diào)制的PN序列，接收端接收經(jīng)過無線信道的空口信號(hào)并經(jīng)過高速采樣存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)，由于測(cè)試所采用的PN序列具有良好的自相關(guān)性，通過滑動(dòng)相關(guān)法，將存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的發(fā)送PN序列和采集獲得的信號(hào)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到信道的時(shí)域或頻域特性。測(cè)量的基本參數(shù)配置見表1。本文采用了一種遠(yuǎn)程高速連續(xù)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)并自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，大大縮減了測(cè)量時(shí)間，提高了測(cè)量效率。

表1 測(cè)量基本參數(shù)配置

2.2 測(cè)量場(chǎng)景和測(cè)量配置

圖1 PN序列相關(guān)特性曲線

圖2 測(cè)量系統(tǒng)框架

本文測(cè)試環(huán)境為會(huì)議室，會(huì)議室長(zhǎng)20 m，寬8.8 m，高3 m，會(huì)議室內(nèi)有兩個(gè)由辦公桌圍起來的會(huì)談區(qū)域，周圍對(duì)應(yīng)擺放著椅子，緊靠會(huì)議室一端處，有一個(gè)由幾個(gè)沙發(fā)座椅圍起來的休息區(qū)，最靠近會(huì)議室墻壁的是一個(gè)木制的柜子。墻壁為混凝土材質(zhì)，房門為木質(zhì)門。在測(cè)量過程中發(fā)射機(jī)天線和接收機(jī)天線處于同一高度。測(cè)量平面如圖3所示。本文對(duì)會(huì)議室LOS場(chǎng)景和NLOS場(chǎng)景均進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)射天線為雙脊波導(dǎo)天線，接收天線為全向天線。在LOS場(chǎng)景下，采用激光測(cè)距儀使發(fā)射天線和接收天線對(duì)準(zhǔn)在一條直線上，分別在發(fā)射天線和接收天線距離為6.3 m、7.4 m、10 m、11.6 m、13 m和16 m時(shí)進(jìn)行測(cè)量，在每個(gè)距離下的測(cè)量過程中，發(fā)射天線的水平角在0°～360°之間變化，每5°變化一次；在NLOS場(chǎng)景下，發(fā)射天線與接收天線相距7.4 m時(shí)也進(jìn)行了測(cè)量，相關(guān)的測(cè)量配置見表2。

表2 測(cè)量過程參數(shù)配置

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)第2.1節(jié)介紹的測(cè)量系統(tǒng)，采用如下的數(shù)據(jù)處理方法，如圖4所示。首先，將IQ數(shù)據(jù)和濾波器系數(shù)進(jìn)行卷積，再進(jìn)行下采樣，之后和PN序列進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)得到功率時(shí)延譜。從功率時(shí)延譜中，計(jì)算得到接收功率，再根據(jù)發(fā)送功率、發(fā)送天線增益和接收天線增益得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)距離下的路徑損耗。采用最小二乘法對(duì)路徑損耗進(jìn)行擬合。

在大多數(shù)情況下，路徑損耗和距離的關(guān)系常被描述為：

其中，d為以m為單位的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離，PL（d）是以dB為單位的對(duì)應(yīng)距離下的路徑損耗，β為路徑損耗指數(shù)，?為以dB為單位的截距，Xσ是以dB為單位的陰影衰落，是均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的正態(tài)分布隨機(jī)變量。

通過最小二乘法，計(jì)算得到路徑損耗指數(shù)為：

數(shù)據(jù)處理過程中，用上述的最小二乘法及近場(chǎng)參考距離d0=1 m下的路徑損耗進(jìn)行處理，對(duì)應(yīng)的路徑損耗計(jì)算式為：

圖3 測(cè)量平面

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

其中，n為路徑損耗指數(shù)，PL（d0）為d0=1 m時(shí)的路徑損耗，表達(dá)式為：

通過上述方法得到?和β后，根據(jù)式（1）得到：

利用MATLAB工具dfittool對(duì)陰影衰落Xσ進(jìn)行正態(tài)分布擬合，可得到Xσ的標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果和分析

3.2.1 路徑損耗擬合曲線

采用第3.1節(jié)的處理方法，對(duì)LOS場(chǎng)景下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到路徑損耗擬合曲線如圖5所示，對(duì)應(yīng)的路徑損耗指數(shù)β為1.841 9，截距?為57.600 3 dB，分析可得該直視場(chǎng)景下的信道傳播特性接近自由空間傳播的特性，和參考文獻(xiàn)［14］中介紹的在38 GHz頻段下直視場(chǎng)景的信道傳播接近自由空間傳播一致。

圖5 路徑損耗擬合曲線

3.2.2 陰影衰落擬合曲線

圖6為對(duì)式（6）中的陰影衰落值利用dfittool工具得到的擬合曲線，可得到陰影衰落滿足均值約為0、標(biāo)準(zhǔn)差為2.280 7 dB的正態(tài)分布。均值的置信區(qū)間為［-0.101 417 5，0.101 760 48］，標(biāo)準(zhǔn)差的置信區(qū)間為［2.208 728 6，2.352 611 4］。由圖4中的直視場(chǎng)景環(huán)境分析可得，陰影衰落主要是由于無線電波在傳播過程中受到環(huán)境中中間的擋板和桌椅的阻擋造成的。

圖6 陰影衰落擬合曲線

3.2.3 多徑分布

當(dāng)發(fā)射天線與接收天線距離為7.4 m時(shí)，在直視場(chǎng)景中和非直視場(chǎng)景中分別做了測(cè)量，圖7（a）為直視場(chǎng)景中的功率時(shí)延譜，圖7（b）為非直視場(chǎng)景下的功率時(shí)延譜。

根據(jù)圖7中的功率時(shí)延譜分析得到，由于發(fā)送的是長(zhǎng)度為2 048的PN序列，發(fā)送的時(shí)候進(jìn)行上采樣，處理數(shù)據(jù)過程中進(jìn)行相應(yīng)的下采樣，可得功率時(shí)延譜中峰峰值之間相隔的點(diǎn)數(shù)也是2 048。

分析圖4中的直視場(chǎng)景環(huán)境和非直視場(chǎng)景環(huán)境可得，直視場(chǎng)景中由于發(fā)射天線與接收天線正對(duì)著，且兩端天線處于同一高度，功率時(shí)延譜中最強(qiáng)徑主要由發(fā)射天線到接收天線之間的直射徑組成，主徑右邊幾乎沒有多徑分量；非直視場(chǎng)景中，發(fā)射天線和接收天線并未正對(duì)著，到達(dá)接收天線的多徑信號(hào)由周圍物體反射形成的反射徑組成，因此NLOS場(chǎng)景下的功率時(shí)延譜中主徑右邊分布著很明顯的多徑分量。

圖7 LOS和NLOS下功率時(shí)延譜

3.2.4 接收功率角度曲線

圖8為發(fā)射天線與接收天線距離為16 m時(shí)，發(fā)射天線水平旋轉(zhuǎn)一周，接收天線的接收功率隨發(fā)射天線水平角的變化情況，可以看出，當(dāng)發(fā)射天線正對(duì)著接收天線及向左或者向右偏離一定角度時(shí)，接收功率相對(duì)較大，偏離超過一定角度或者背對(duì)著接收天線時(shí)，接收功率相對(duì)較小。

圖8 接收功率角度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

為支持5G的發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)5G無時(shí)無地不在的空中信息“高速公路”的構(gòu)建，包括高頻段傳輸、新型多天線傳輸、同時(shí)同頻全雙工、終端直通技術(shù)、密集網(wǎng)絡(luò)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在內(nèi)的傳輸和網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案層出不窮。本文對(duì)15 GHz高頻段下室內(nèi)會(huì)議室環(huán)境直視場(chǎng)景和非直視場(chǎng)景進(jìn)行了信道測(cè)量與分析，得到路徑損耗指數(shù)為1.841 9，陰影衰落滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為2.280 7 dB。在直視場(chǎng)景和非直視場(chǎng)景下對(duì)會(huì)議室環(huán)境測(cè)量處理得到的功率時(shí)延譜，呈現(xiàn)出不同的多徑分量特性，為以后分析高頻段下信道小尺度衰落特性奠定基礎(chǔ)。室外環(huán)境的信道測(cè)量與分析是下一步的工作內(nèi)容。

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Measurement and analysis on channel large scale fading characteristics of conference room at 15 GHz

SUN Jun1，XIE Lijuan1，2，XU Hui2，LIU Shunshun3
1.Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China 2.Wireless Communication Research Center in Shanghai，Shanghai 201200，China 3.Shanghai University of Science and Technology，Shanghai 201200，China

The shortage of traditional mobile cellular band makes the development of higher frequency paid more and more attention.The time domain measurement system based on PN sequence was used to measure propagation characteristics of the line-of-sight（LOS）and non-line-of-sight（NLOS）scenarios of conference room at 15 GHz.The channel large scale fading characteristics and the relationship between distance and path loss were analyzed，and path loss exponent and the shadow fading standard variance were calculated.In the measurement，one double ridged guide antenna with 27 dBi gain and one omni antenna were used.Through changing azimuth angles in transmitting terminal in the measurement points，the relationship between

power and different angles were analyzed.

5G，15 GHz，channel measurement，large scale fading

s：The Project of Nanjing University of Posts and Telecommunications（No.NY211033），National High Technology Project of Research and Development（863 program）（No.2014AA01A706），Specially Funded Projects of National Science and Technology（No.2014ZX03003012-001），Shanghai Science and Technology Committee Project（No.13511500600）

TP312

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016048

2015-09-02；

2015-12-31

南京郵電大學(xué)校級(jí)項(xiàng)目（No.NY211033）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（No.2014AA01A706）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.2014ZX03003012-001）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目（No.13511500600）

孫君（1980-），女，博士，南京郵電大學(xué)碩士生導(dǎo)師、副研究員，主要研究方向?yàn)橹蓖ǚ涓C技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)資源的管理策略和無線網(wǎng)絡(luò)頻譜理論研究等，包括頻譜資源享方案、頻譜資源共享中的干擾抑制技術(shù)、頻譜分配和接入方案、物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究等。

謝利娟（1991-），女，南京郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)?0 GHz頻段以下無線信道測(cè)量與建模。

許暉（1974-），男，上海無線通信研究中心測(cè)試服務(wù)部副部長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾乱淮鸁o線移動(dòng)通信系統(tǒng)原型驗(yàn)證、無線新技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)開發(fā)、無線測(cè)試驗(yàn)證外場(chǎng)環(huán)境開發(fā)。

劉順順（1988-），男，上海理工大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)?0 GHz頻段以下無線信道測(cè)量與建模。