5G城市微蜂窝场景的信道测量与建模

https://www.mdpi.com/1424-8220/16/8/1330

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5G城市微蜂窝场景的信道测量与建模

作者：Michael Peter、Richard J.Weiler、BarışGöktepe、Wilhelm Keusgen和Kei Sakaguchi

传感器2016，16（8），1330；https://doi.org/10.3390/s16081330-2016年8月20日

引用者14 |浏览者6217

摘要为了支持开发更高频带的信道模型，在德国柏林开展了60和10 GHz的多个城市微蜂窝测量活动。在本文中，对收集的数据进行了统一分析，重点是[…]阅读更多。

（本文属于《毫米波无线通信与网络》特刊）

摘要

为了支持开发更高频带的信道模型，在德国柏林开展了60和10 GHz的多个城市微蜂窝测量活动。在本文中，对收集的数据进行了统一分析，重点关注路径损耗（PL）和延迟扩展（DS）。结果表明，地面反射对衰落行为具有主要影响。对于视线条件，PL指数在60 GHz时接近自由空间传播，但在10 GHz时街道峡谷的PL指数略小（1.62）。DS显示出对场景的明显依赖性（中值在16和38 ns之间），以及对开放广场和宽阔街道峡谷的强烈距离依赖性。对于有住宅楼的狭窄街道峡谷来说，这种依赖性就不那么明显了。这种行为与互补光线跟踪模拟一致，尽管简化模型往往高估了DS。

关键词：毫米波传播；航道测深；城市微观；60 GHz信道；5G信道模型；射线追踪

1.简介

第五代（5G）移动网络将需要利用6 GHz以上的频率来提供多Gbps的数据速率，并实现各种部署场景的超高容量[1，2，3]。目标频带范围高达100 GHz[4]。早期研究已经表明毫米波用于蜂窝网络的可行性[5，6，7]，国际电信联盟（ITU-R）[8]的无线电通信部门和第三代合作伙伴计划（3GPP）[9]已经启动了5G的标准化活动。目前在改进信道模型方面投入了大量精力，因为它们对于准确评估未来部署的性能至关重要。大多数相关工作建立在最先进的基于三维（3D）几何结构的随机信道模型（GSCM）之上，该模型最近已被开发用于较低的频带。为了满足5G毫米波信道模型的要求，已经提出了新的模型特征和扩展参数表，这些模型必须支持更宽的频率范围、大天线阵列、大带宽和高移动性[10，11，12，13，14，15]。

只要不能以合理的费用获得用于各种毫米波频带的高性能电子可操纵天线，那么为其验证提供统计上可靠的测量数据[16]并包括全方位信息是非常具有挑战性的。文献中已经报道了针对10 GHz以上的蜂窝接入场景的多信道探测活动，例如在11 GHz[17]、28 GHz[18，19]、38和73 GHz[20]以及60 GHz[21]。然而，现有的数据量仍然不足以充分证实和可靠地参数化模型。目前，方向信息主要通过使用机械可操纵的定向天线连续扫描所有（相关）角度来获得[21]。由于扫描需要很长时间，因此在实践中观察点的数量是有限的。本工作中还采用了一种不同的测量方法，即将具有高测量重复率的信道测深仪与全向天线和移动接收器（RX）结合使用。它允许收集大型数据集并捕获所有多路径，即使是时变信道也是如此，其目的是在可靠的统计基础上支持信道模型的参数化和验证。全向路径损耗（PL）模型可以直接从这些数据中推导出来，它非常适合评估射线追踪（RT）工具的结果，这对于更高频率下的信道建模越来越重要[22，23]。它们能够生成具有无限动态范围的大数据集，并可以提供方向信息来补充测量。

本文分析了最近三次60和10GHz城市微蜂窝（UMi）测量活动的数据，重点是PL和延迟扩展（DS）。之所以选择这些频率，是因为它们代表6–100 GHz范围的下部和上部的采样点，因此非常适合研究频率相关性。此外，可以获得在10GHz具有足够带宽的无线电许可证，60GHz是未经许可的频带，并且可以获得合适的测量设备。为了用经验证的模拟数据补充测量结果，将结果与相同环境下内部RT工具的预测结果进行了比较。这些发现为信道特性对传播场景、距离和频率的依赖性提供了有价值的见解。所提出的建模方法和参数是从每个场景的数百万个信道观测中得出的，可用于完善5G信道模型和进行比较研究。据作者所知，到目前为止，文献中还没有报道基于如此大的数据集对60和10GHz的UMi信道进行可比较的统一分析。

第2节简要介绍了测量活动。第3节介绍RT环境。第4节介绍了对PL和DS的研究，包括模拟结果和测量结果之间的比较。结论见第5节。2.城市微细胞测量活动

为了为模型改进提供数据基础，在柏林进行了几次60千兆赫和10千兆赫的测量活动。其中两个与UMi街道峡谷场景有关，即“城市中心的街道峡谷”（SC-CC）[24]和“居民区的街道峡谷（SC-RA）[24，25]。UMi的第三个场景是“开放广场，市中心”（OS-CC）。表1总结了有关环境和收集的数据的信息。第2.2节简要介绍了OS-CC测量活动。

表1。测量的城市微蜂窝（UMi）场景和主要参数摘要。

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

2.1通道发声器

所有测量均采用相同的设置进行，即内部“高性能数字无线电试验台”（HIRATE）。每个设备都包含一个商用现场可编程门阵列（FPGA）板、一个自主开发的转换器板和几个插件模块，如滤波器、时钟和调制器。两个完全平行的信号链允许双通道/频率测量[25]。

发射机（TX）设备基于长度为256的弗兰克序列生成周期性基带探测信号。该信号被上变频到2.4GHz的中频（IF）。外部混频器和滤波器用于分别将IF信号转换为10和60GHz。信号最终被馈送到功率放大器中，并通过发射天线进行辐射。RX用低噪声放大器放大接收到的信号。它被下变频为IF，并被馈送到第二个HIRATE设备，在那里它被转换为基带。内部触发器允许以高重复率捕获信号的快照。除了实时平均程序外，计算信道脉冲响应（CIR）的大多数处理都是通过离线后处理完成的。它执行