魏貴明 劉曉龍 張翔

【摘? 要】通過對5G場景下的無線信道建模技術(shù)進(jìn)行分析，給出了不同場景的信道特性和建模方法，并闡述了該技術(shù)在理論研究、仿真分析和實際測試中的具體應(yīng)用方式，為無線信道建模技術(shù)在5G中的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】 5G;無線信道建模技術(shù);信道建模應(yīng)用

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.004? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0019-05

引用格式：魏貴明，劉曉龍，張翔. 無線信道建模技術(shù)在5G場景下的分析與應(yīng)用[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 19-23.

Analysis and Application of Wireless Channel Modeling Technology in 5G Scenarios

WEI Guiming， LIU Xiaolong， ZHANG Xiang

（China Academy of Information and Communication Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]?By analyzing the wireless channel modeling techniques in 5G scenarios， this paper provides the channel characteristics and modeling methods in different scenarios， and describes the specific applications of the technology in theoretical research， simulation analysis， and actual test. It provides a reference for the application of wireless channel modeling technology in 5G.

[Key words] 5G; wireless channel modeling technology; channel modeling application

0? ?引言

隨著中國企業(yè)在世界范圍內(nèi)對5G無線通信市場的占有率逐漸增大，中國在無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力上已經(jīng)走在了世界的前列。通信系統(tǒng)的三大要素包括信源、無線信道、信宿。無線信道指的是在無線通信傳輸過程中所需的傳輸媒介，它會直接影響信源到信宿間各個通信指標(biāo)的性能。因此，為了在不同的無線環(huán)境的傳輸特性下推動新技術(shù)的開發(fā)，人們對無線信道環(huán)境特性的探索從未停止。商用的5G移動通信系統(tǒng)需具備支持大帶寬（eMBB）、海量用戶連接（mMTC）、低時延高可靠（URLLC）的傳輸能力。通過對5G不同的應(yīng)用場景進(jìn)行研究，無線信道應(yīng)具備支持多頻點，大帶寬，多實用場景，空時頻均滿足一致性，支持大規(guī)模多輸入多輸出，支持高移動性等重要特性。

通過詳細(xì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：雖然現(xiàn)有的指南和綜述類文章對無線信道某一個關(guān)鍵場景下的測量和建模技術(shù)都有很詳細(xì)的歸納和分析，但是從對5G典型場景的無線信道建模技術(shù)方法的分析入手，并說明該建模技術(shù)的主要實際應(yīng)用方向的綜述文章卻很少。因此，本文的主要貢獻(xiàn)如下：

（1）作者將盡自己最大的努力對5G無線通信各關(guān)鍵場景下的無線信道建模技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，經(jīng)分析得出該場景下信道模型的主要特點，給出基本方法和建模注意事項。

（2）通過介紹無線信道建模技術(shù)的重點應(yīng)用方向，為無線信道建模技術(shù)在5G無線通信產(chǎn)業(yè)推進(jìn)過程中提供有效的著力點。

1? ?國內(nèi)外信道建模技術(shù)綜述

在無線信道研究中，世界上眾多研究團(tuán)隊都做出了很大的努力。西南交通大學(xué)和山東大學(xué)團(tuán)隊針對5G的幾個主要應(yīng)用場景，如Massive MIMO、V2V、高速列車（HST）等，對已有的無線信道建模進(jìn)行了總結(jié)，并為信道建模提供了新研究方向[1]。關(guān)于Massive MIMO無線信道，北京郵電大學(xué)聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)，對當(dāng)前的主要信道建模方法進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)和分析[2]。針對毫米波（mmWave）技術(shù)場景，紐約大學(xué)團(tuán)隊則針對mmWave系統(tǒng)通過滑動相關(guān)信道探測儀在多個頻段進(jìn)行了對基于定向天線收發(fā)機(jī)的信道測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，給出了大尺度衰落和波束疊加的建模方法[3]。針對車輛到車輛（V2V）場景，南加州大學(xué)對已有的V2V無線傳輸信道進(jìn)行了總體回顧，并針對信道色散和時變特性，分析了信道沖擊響應(yīng)（CIR）和信道傳遞函數(shù)（CTF）。針對多天線系統(tǒng)和信道的不穩(wěn)定性，分析了抽頭時延線（TDL）模型和基于幾何隨機(jī)信道（GBSM）模型[4]。針對高速列車（HST）場景，赫瑞-瓦特大學(xué)、北京交通大學(xué)、山東大學(xué)、西南交通大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊對已有的信道測量進(jìn)行了總結(jié)，并討論了現(xiàn)有的信道建模技術(shù)，并給出了關(guān)于HST場景下信道測量和建模的主要挑戰(zhàn)[5]。北京交通大學(xué)團(tuán)隊總結(jié)了現(xiàn)有的國內(nèi)外信道測量結(jié)果，通過分析測量后的信道特點，研究了通過信道建模方式還原HST的相關(guān)問題，并提出了未來的研究方向[6]。針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IIOT）場景，北京交通大學(xué)團(tuán)隊詳細(xì)介紹并分析了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的信道特性，給出了主要調(diào)整頻段建議和信道建模建議，并為IIOT的建模提供了有效參數(shù)[7]。

2? ?5G關(guān)鍵場景下的無線信道模型分析

5G應(yīng)用場景中的增強(qiáng)移動大帶寬（eMBB）場景引入了Massive MIMO技術(shù)，會對信道的特性造成很大影響;海量機(jī)器類型通信（mMTC）場景的信道研究集中于車聯(lián)網(wǎng)（V2X）和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）;此外，高速移動交通工具，如高速移動（HST）場景根據(jù)實際的應(yīng)用業(yè)務(wù)，依然需要被高度關(guān)注。

2.1? 大規(guī)模天線場景無線信道建模

Massive MIMO技術(shù)的天線面板的設(shè)計會直接影響基站整體的天線方向圖效果，因此，在信道建模中需要體現(xiàn)多陣子之間天線增益的矢量合并?，F(xiàn)有模型大都基于平面波原理進(jìn)行合并。如果信道模型中散射體距離基站的位置小于瑞利距離，則必須根據(jù)球面波的原理進(jìn)行陣子天線方向增益的合并，合并過程需要考慮陣列的波前導(dǎo)線向量[8]。

值得注意的是，Massive MIMO無線信道會出現(xiàn)陣列不穩(wěn)定（Array non-stationarity）特性。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生原因為，隨著天線面板變大，每個天線陣子所能“看見”的簇其實是不同的。不同的簇對于不同的天線就出現(xiàn)了所謂的“生滅”現(xiàn)象[9]。通過視覺區(qū)域（VR）對各個天線的簇集合進(jìn)行劃分的信道模型（如COST 2100模型[10]）是從天線的角度來建模信道不平穩(wěn)過程。相反，基于概率論的隨機(jī)過程對該現(xiàn)象進(jìn)行建模的模型（如一般化的5G信道模型[11]）則是通過每個簇對于天線的“生滅”狀態(tài)的角度進(jìn)行模擬。

對于mmWave下的Massive MIMO技術(shù)，考慮到此狀態(tài)下無線信道對于時延和角度的識別率提升了，在進(jìn)行建模時，功率時延分布（PDP）會出現(xiàn)雙峰指數(shù)衰落現(xiàn)象，Saleh-Valenzuela（SV）模型就是對這種現(xiàn)象的典型描述[12]。此外，為了進(jìn)一步提升信道多徑分辨率，每個簇中的徑數(shù)也應(yīng)該遵循一定的隨機(jī)過程，如經(jīng)典的泊松分布，或是根據(jù)信道測量情況進(jìn)行指定。

2.2? 高速列車場景下的無線信道模型

由于過快的移動速度，HST的無線信道往往具備不穩(wěn)定（non-stationarity），高多普勒頻偏，LOS概率高，以及不同覆蓋區(qū)域間的快速切換等特點。在高性能的計算平臺下，對HST場景進(jìn)行RT無線信道仿真是實現(xiàn)信道建模的有效方法。不過從資源的消耗角度來看，基于隨機(jī)無線信道建模技術(shù)仍然擁有很大的優(yōu)勢，在采用隨機(jī)性信道建模技術(shù)時，需要根據(jù)HST場景特點，對基于隨機(jī)的建模技術(shù)做適當(dāng)?shù)男拚?/p>

HST下的無線信道模型具有不穩(wěn)定特性，只有在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，信道系數(shù)才是平穩(wěn)隨機(jī)過程[6]。因此，在無線信道測量時，通常需要在一個準(zhǔn)平穩(wěn)區(qū)間內(nèi)完成。關(guān)于準(zhǔn)平穩(wěn)空間的確認(rèn)是HST無線信道建模需要考慮的主要問題之一，現(xiàn)有成果通過平均功率時延分布（APDP）或相關(guān)矩陣距離作為度量，可以確定以距離為單位的HST信道的準(zhǔn)平穩(wěn)區(qū)間[13-14]。如果是基于非幾何的信道建模技術(shù)，需注意不同準(zhǔn)平穩(wěn)區(qū)間的信道系數(shù)是非平穩(wěn)的隨機(jī)過程。如果是基于幾何的信道建模技術(shù)，散射體的位置特性在不同平穩(wěn)區(qū)間內(nèi)不同，并留意關(guān)于其它隨機(jī)過程部分的不平穩(wěn)特性。

考慮到HST的主要應(yīng)用場景大多在開闊地，信道出現(xiàn)LOS徑的概率很高，因此，多普勒譜大部分能量均集中在LOS徑上[6]。HST下的無線信道模型有著較大的多普勒頻移，結(jié)合覆蓋區(qū)域的快速切換特性，根據(jù)入射角度的定義，多普勒的時變特性應(yīng)該出現(xiàn)連續(xù)爬坡或連續(xù)下降的趨勢。因此，建模時需根據(jù)實際列車和基站的幾何位置動態(tài)調(diào)整入射角度來添加多普勒頻偏項。同樣地，信道多徑時延也會隨高鐵和基站之間距離的快速變化而產(chǎn)生變化，需要對時延進(jìn)行合理建模。

2.3? 物聯(lián)網(wǎng)場景下的無線信道建模

物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景集中在室外的V2V場景和室內(nèi)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）場景。針對V2V無線信道建模，同樣需要確認(rèn)平穩(wěn)區(qū)間，在平穩(wěn)區(qū)間內(nèi)，信道系數(shù)才滿足平穩(wěn)的隨機(jī)過程?？梢酝ㄟ^模擬“生滅”現(xiàn)象的隨機(jī)過程來實現(xiàn)非平穩(wěn)特性，如改進(jìn)后的抽頭時延線（TDL）模型[15]。另外，由于收發(fā)兩車都具備移動性，對雙向移動性進(jìn)行合理建模更能滿足真實無線信道傳播特征。對于基于幾何的隨機(jī)性建模技術(shù)而言，需要同時考慮收發(fā)兩臺車輛的移動軌跡，對時變的PDP和多普勒頻偏進(jìn)行模擬[16]。此外，隨著車輛間距的變換，最終可能導(dǎo)致LOS到NLOS信道模型的切換。對于IIOT的室內(nèi)環(huán)境，各部分遮擋物的穿透損耗需要合理進(jìn)行模擬，簇時延線（CDL）模型分別給出了基于隨機(jī)和幾何的遮擋模擬方法[17]。此外，需要注意模擬收發(fā)機(jī)之間的特定移動方式，如周期性重復(fù)或隨機(jī)方向移動，合理地模擬多普勒頻偏。

3? ?5G無線信道模型應(yīng)用

對無線信道建模技術(shù)的研究源于對實際應(yīng)用的需求，針對理論研究、系統(tǒng)仿真和實測模擬三個主要應(yīng)用方向進(jìn)行闡述，為5G無線建模技術(shù)尋找有效的應(yīng)用場景。

3.1? 無線技術(shù)的理論研究

通過無線信道模型技術(shù)，可以明確5G技術(shù)在不同無線信道環(huán)境下的理論極限和性能，為網(wǎng)絡(luò)實施部署做指導(dǎo)。無線信道建模是通信系統(tǒng)理論模型中的重要環(huán)節(jié)，而確定無線信道增益的統(tǒng)計特性是分析此類問題的基礎(chǔ)?？紤]到5G不同場景的差異性，單輸入單輸出（SISO）無線信道的增益分步可能滿足Rayleigh分布、Rice分布、Nakagami分布以及Weibull分布[1]。根據(jù)信道增益的分布可知實際信號接收信干噪比（SNR）的概率統(tǒng)計特性，能得出在接收端已知信道狀態(tài)信息（CSI）情況下，SISO信道在衰落信道下的容量[18]。同樣地，對于MIMO鏈路而言，假設(shè)每個信道元素的小尺度衰落為獨立同分布的循環(huán)對稱復(fù)高斯隨機(jī)變量，最終在接收端已知CSI的情況下可以得出MIMO鏈路的信道容量[19]。針對不同的5G場景確定信道統(tǒng)計特性，可以研究5G關(guān)鍵技術(shù)性能，如研究大規(guī)模MIMO多用戶的預(yù)編碼性能，多小區(qū)、多用戶系統(tǒng)級信道容量及資源分配策略等。

3.2? 多場景系統(tǒng)仿真應(yīng)用

相比于理論研究中的5G通信系統(tǒng)模型，5G仿真系統(tǒng)更能在網(wǎng)絡(luò)實施部署之前真實地反映5G通信網(wǎng)絡(luò)的性能。ITU組織于2017年12月正式發(fā)布了《IMT-2020空口技術(shù)評估指南》，描述了對5G新空口技術(shù)的自評估指南和指標(biāo)，其中用戶體驗速率、5%用戶頻譜效率、平均頻譜效率、連接密度、可靠性和移動性指標(biāo)都需要借助系統(tǒng)仿真來完成[20]。指南中除了基本的評估方法、評估指標(biāo)、評估指標(biāo)的計算方法以及必要的系統(tǒng)參數(shù)之外，大部分的篇幅都對如何進(jìn)行5G各個場景的3D信道建模進(jìn)行了詳細(xì)的描述，其中包括了如何建立大尺度模型和小尺度模型的全部過程。在這之后，3GPP組織根據(jù)評估指南，同樣對研究報告中的信道建模方法進(jìn)行了修正[17]?；谏鲜龅臒o線信道建模研究成果，ITU組織的自評估結(jié)果為5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)部署和技術(shù)演進(jìn)提供了有效期望指標(biāo)。由此可見，如何準(zhǔn)確模擬無線信道空間傳播特性是能夠完成系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵，它決定著評估指標(biāo)結(jié)果最終能否應(yīng)用于所對應(yīng)的特定環(huán)境。

3.3? 多場景實測應(yīng)用

對5G無線產(chǎn)品進(jìn)行性能測試是無線建模技術(shù)的重要應(yīng)用方向。在此過程中，無線信道建模技術(shù)的主要作用是生成真實無線信道環(huán)境的信道數(shù)據(jù)，并最終通過信道模擬系統(tǒng)進(jìn)行實現(xiàn)。信道模擬指的是通過專業(yè)的設(shè)備和合理的系統(tǒng)設(shè)計，將數(shù)據(jù)化的無線信道進(jìn)行實現(xiàn)的過程。信道實現(xiàn)的方法主要分為基于傳導(dǎo)（Conduction-based）測試方法和空口（OTA）測量方法。傳導(dǎo)測試法直接借助導(dǎo)線和信道模擬儀器實現(xiàn)信道模擬，OTA測試法需要設(shè)計合理的硬件測試系統(tǒng)用來實現(xiàn)部分或全部信道模擬。OTA測試方法又分為基于暗室的OTA測試法、基于屏蔽室的OTA測試方法和基于混響室的OTA測試法。關(guān)于上述測試方法的性能優(yōu)缺點，已有文章對此做出了詳細(xì)總結(jié)[21]。

4? ?結(jié)束語

針對5G場景的不同技術(shù)類型，對無線信道建模技術(shù)進(jìn)行了分類總結(jié)，通過分析模型特點給出了各場景下的建模注意事項。隨后，給出無線信道建模技術(shù)在5G通信中的應(yīng)用方向和整體實現(xiàn)方法，為推動5G實施部署做出努力。隨著5G的不斷發(fā)展和演進(jìn)，通信系統(tǒng)又將迎來新的時代。分析未來6G場景無線信道的特點，研究6G無線信道建模技術(shù)將會是后續(xù)主要的研究方向。

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作者簡介

魏貴明（orcid.org/0000-0003-2493-8899）：現(xiàn)任中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)所無線與移動研究部主任，曾兼任TD-SCDMA專家組辦公室主任、TD-LTE工作組辦公室主任，長期從事移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)組織和發(fā)展策略等研究工作。

劉曉龍（orcid.org/0000-0002-4986-5916）：博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，主要研究方向為大規(guī)模天線技術(shù)，全雙工無線技術(shù)，自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)，無線產(chǎn)品的性能測試與標(biāo)準(zhǔn)化，已在國內(nèi)外期刊和會議上發(fā)表論文10余篇，申請國內(nèi)外發(fā)明專利3項。

張翔：博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所主任工程師，主持多項國家科技重大專項科研項目，主要研究方向為大規(guī)模天線技術(shù)，5G OTA測試方法，基站和終端的射頻與性能測試技術(shù)，已在國際期刊和會議上發(fā)表SCI、EI論文30余篇，申請發(fā)明專利20余項。