馮宇

高于6GHz的頻段將會(huì)廣泛使用在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，針對于高頻段信道傳播特性的了解將有助于5G系統(tǒng)物理層新技術(shù)的研究。同時(shí)，高帶寬、大規(guī)模天線陣列等技術(shù)的應(yīng)用也將給5G系統(tǒng)信道測量帶來很大的挑戰(zhàn)。本文將介紹不同的信道測量技術(shù)以及羅德與施瓦茨公司針對5G信道測量的解決方案。

由于超高清、3D和侵入式視頻的流行，智能家居、視頻監(jiān)控等應(yīng)用的大規(guī)模發(fā)展，在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中將對數(shù)據(jù)速率、時(shí)延和可靠性提出更高的要求。因此5G系統(tǒng)將考慮使用毫米波頻段（15GHz、28GH等），同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，還需要使用更大的傳輸帶寬，比如1GHz或者更高。

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信頻段都是在6GHz以下，在這個(gè)頻段積累了大量的信道模型研究結(jié)果。但是對于毫米波頻段的信道傳播特性卻知之甚少，因此對毫米波頻段的信道進(jìn)行評估和探測是5G技術(shù)研究的關(guān)鍵，尤其是在大帶寬和多天線情況下，對信道測量的方法提出了更新的要求。

本文將簡要介紹信道特征基礎(chǔ)、不同的信道測量方法，以及羅德與施瓦茨公司針對毫米波頻段信道測量提供的靈活、可升級的解決方案。

無線信道特性

無線信號從發(fā)射天線到接收天線的傳輸過程中，會(huì)經(jīng)歷各種復(fù)雜的傳播路徑，包括直射路徑、反射路徑、衍射路徑、散射路徑以及這些路徑的隨機(jī)結(jié)合。同時(shí)，電波在各種路徑的傳播過程中，有用信號會(huì)受到各種噪聲的污染，因而會(huì)出現(xiàn)不同情形的損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使信號難以恢復(fù)。無線信號在傳播時(shí)，不僅存在自由空間固有的傳輸損耗，還會(huì)受到建筑物、地形等的阻擋而引起信號功率的衰減和相位的失真，這種衰減還會(huì)由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和信道環(huán)境的改變出現(xiàn)隨機(jī)的變化。下面將討論無線傳輸信道的主要特性。

多徑信道

在通信系統(tǒng)中，由于通信地面站天線波束較寬，受地物、地貌和海況等諸多因素的影響，使接收機(jī)收到經(jīng)折射、反射和直射等幾條路徑到達(dá)的電磁波，這種現(xiàn)象就是多徑效應(yīng)。

這些不同路徑到達(dá)的電磁波射線相位不一致且具有時(shí)變性，導(dǎo)致接收信號呈衰落狀態(tài)；這些電磁波射線到達(dá)的時(shí)延不同，又導(dǎo)致碼間干擾。若多射線強(qiáng)度較大，且時(shí)延差不能忽略，則會(huì)產(chǎn)生誤碼，這種誤碼靠增加發(fā)射功率是不能消除的，而由此多徑效應(yīng)產(chǎn)生的衰落叫多徑衰落，它也是產(chǎn)生碼間干擾的根源。多徑效應(yīng)是除了傳播衰減之外在無線信道測量中最重要的特征參數(shù)。

時(shí)變定向信道

事實(shí)上，無線信道是非靜態(tài)的，是隨著時(shí)間而變化的，對于評估波束賦形系統(tǒng)來講，定向時(shí)變信息就顯得更為重要。加上定向信息之后，無線信道沖擊響應(yīng)可用h（t，τ，φ）公式表示，其中t為時(shí)間，τ為時(shí)延，φ為方位角。

信道測量技術(shù)

信道測量的基本方法就是在無線信號特定傳播場景中抓取其中的一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)，用來表示信道。需要觀察的系統(tǒng)函數(shù)不同，決定了不同的信道測量方法，常見的信道測量技術(shù)分為頻域信道測量和時(shí)域信道測量兩種。同時(shí)，由于在5G系統(tǒng)中，大規(guī)模天線陣列和波束賦形技術(shù)的使用，角度信息也成為信道測量中重要的參數(shù)，下面將分別從頻域、時(shí)域、角度三個(gè)方面介紹信道測量技術(shù)。

頻域信道測量

頻域信道測量通常使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成，它可以測量出信道的頻率響應(yīng)參數(shù)，通過反傅里葉變化可以得到信道的沖擊響應(yīng)。其基本原理：其中X（f）為發(fā)射信號的頻譜，Y（f）為接收信號的頻譜。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量出各個(gè)頻點(diǎn)的傳輸增益，從而得到信道的頻率響應(yīng)H（f）。

羅德與施瓦茨公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA，可以提供從300KHz到110GHz頻段的測試，為5G毫米波頻段的信道測量提供完整的測試方案，如圖1所示。

頻域方法的優(yōu)點(diǎn)是可以測試各種頻段完整的信道響應(yīng)特性，不受信道帶寬的限制。但是也存在著只能測試時(shí)不變多徑信道，以及外場測試受限于收發(fā)同臺(tái)儀表等缺點(diǎn)。

時(shí)域信道測量

時(shí)域信道測量是信道沖擊響應(yīng)直接測量的方法，通常使用偽隨機(jī)序列作為信道探測的信號，在接收端用已知的序列做相關(guān)可以得到信道沖擊響應(yīng)。這種測量方法需要系統(tǒng)硬件能夠產(chǎn)生和分析寬帶的探測信號，才可以完成。

羅德與施瓦茨公司針對時(shí)域信道測量方案發(fā)射端可以提供矢量信號發(fā)生器SMW200A，其最大可實(shí)現(xiàn)2GHz帶寬信號的產(chǎn)生。同時(shí)，該信號發(fā)生器單臺(tái)儀表可以產(chǎn)生40GHz的頻率的信號，如果配合響應(yīng)外部混頻模塊，可以產(chǎn)生100GHz頻率的信號。在接收端，R&S公司的矢量信號分析儀FSW最高頻率可達(dá)到85GHz，同樣配合混頻模塊可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100GHz信號的接收和分析，F(xiàn)SW自身的分析帶寬最大為2GHz，配合RTO可以實(shí)現(xiàn)5GHz帶寬信號的分析。

如果在發(fā)射端和接收端配合相應(yīng)的同步觸發(fā)設(shè)備，還可以測試出信道的絕對時(shí)延，R&S公司的TSMX-PP2設(shè)備是一臺(tái)GPS接收機(jī)，同時(shí)可以提供相應(yīng)的PP1信號作為信號源和頻譜儀的觸發(fā)信號，可以實(shí)現(xiàn)無線信道的絕對時(shí)延測試，實(shí)際測試如圖2所示。

多天線擴(kuò)展

在5G系統(tǒng)中，大規(guī)模天線陣列以及波束賦形等技術(shù)的使用，對多天線信道測量以及信道測量中的角度信息等參數(shù)也提出了要求。羅德與施瓦茨公司根據(jù)時(shí)域測量方法，基于定制化的可編程控制轉(zhuǎn)臺(tái)，構(gòu)建了全自動(dòng)化的無線信道測量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在俯仰角和方位角平面的全向掃描，從而實(shí)現(xiàn)天線波束的空間全向覆蓋。本系統(tǒng)實(shí)際使用的主要儀器設(shè)備包括有：矢量信號分析儀（FSW）、信號發(fā)生器（SMW）、多維度測量轉(zhuǎn)臺(tái)、銣鐘、高增益喇叭天線等。

使用自動(dòng)化測量系統(tǒng)能夠在空間進(jìn)行方位角和俯仰角360°全向角度掃描，考慮到高頻段電波存在較大的路徑損耗，于是在高頻段無線信道測量方案設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)采用了高增益的窄波束喇叭天線通過在方位角和俯仰角平面進(jìn)行角度掃描來模擬寬波束的收、發(fā)天線。

通過這種角度掃描的方案不僅可以用來將窄波束天線模擬成較寬波束的天線，更可通過較細(xì)致的角度掃描工作來更加準(zhǔn)確的確定無線電波的離開角（Angle of Departure， AOD）和到達(dá)角（Angle of Arrival， AOA）。

羅德與施瓦茨公司的矢量信號發(fā)生器SMW200A、矢量信號分析儀FSW，以及相應(yīng)軟件組成的信道測量方案可以提供高靈敏度、大帶寬、毫米波頻段的信道測量，同時(shí)該方案還可以靈活擴(kuò)展至多天線信道測量應(yīng)用，為5G技術(shù)的研究提供有力的支持。endprint