張繼良 汪 洋 黃曉敏 苗廣冬 張乃通

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳518055；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

引 言

隨著3G移動通信進(jìn)入商用階段，能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱淮鸁o線移動通信系統(tǒng)成為了國內(nèi)外研究者共同的研究重點(diǎn).作為下一代無線移動通信系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)，具有高頻譜利用率和高可靠性的多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)［1-2］已經(jīng)被第三代移動通信合作計劃（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）［3］、WINNER工作組［4-5］和IEEE802.11［6］工作組等納入通信標(biāo)準(zhǔn).

高速數(shù)據(jù)傳輸需要更多的頻譜資源［7］.然而，目前6GHz以下的低頻段頻帶擁擠、業(yè)務(wù)負(fù)荷大.為了滿足低干擾和高帶寬的需求，將MIMO通信系統(tǒng)向高頻段擴(kuò)展將會成為未來移動通信的重要研究方向之一.

電磁波工作頻率不同，MIMO信道特性將存在較大差異，這突出體現(xiàn)在MIMO信道的傳輸損耗、時延擴(kuò)展和空間相關(guān)等傳播特性的變化.這些特性對基于MIMO技術(shù)的室內(nèi)移動通信產(chǎn)生決定性的影響.因此，在研究高頻段無線通信體制之前，需要通過實際測量對高低頻段的差異進(jìn)行深入分析.高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)往往發(fā)生在室內(nèi)，因此我們主要關(guān)注室內(nèi)高頻寬帶MIMO無線移動通信系統(tǒng).

迄今為止，不同頻段的信道特性對比分析大多基于單入單出移動通信系統(tǒng)（Single-Input Single-Output，SISO）.AT＆T貝爾實驗室的 Vinko Erceg采用射線跟蹤和幾何繞射理論對街角環(huán)境下900 MHz、2GHz和6GHz的傳輸損耗特性進(jìn)行建模并用實際測量進(jìn)行了驗證［8］.日本NTT DoCoMo的Yasuhiro Oda等在陸地移動通信的背景下測量并對比了 日 本 市 區(qū) 場 景 下 457.2MHz、2.2GHz、4.7 GHz、8.45GHz和15GHz等頻段的傳輸損耗特性和時延擴(kuò)展特性［9］.加拿大通信工程研究中心的R.J.C.Bultitude等對比了市中心環(huán)境下1.9GHz和5.8 GHz無線信道的傳輸損耗和時延擴(kuò)展［10］，并利用對比結(jié)果分析了B3G擴(kuò)頻移動通信的誤碼特性［11］.瑞典Delft University of Technology的Gerard J.M.Janssen等人測量和對比了室內(nèi)環(huán)境下2.4 GHz、4.75GHz和11.5GHz頻帶無線信道的傳輸損耗特性和試驗擴(kuò)展特性，并給出了三個頻帶下的誤碼率對比分析［12］.

針對信道的空間特性，當(dāng)前已有研究人員對不同建筑結(jié)構(gòu)室內(nèi)環(huán)境MIMO無線信道進(jìn)行了測量和特性分析.R.Stridh測量了辦公環(huán)境下5.8GHz頻段MIMO信道的空間相關(guān)特性，并分析了該環(huán)境下的信道容量［13］.H.T.Nguye測量了辦公環(huán)境2.14GHz非視距窄帶MIMO信道的空間相關(guān)特性和時間相關(guān)特性［14］.K.Yu測量了辦公環(huán)境和實驗室環(huán)境5.2GHz非視距MIMO信道空間相關(guān)特性并建立了相應(yīng)場景下的克羅內(nèi)克信道仿真模型［15］.J.M.Molina-García-Pardo在2.45GHz頻段測量了地下室環(huán)境下多種場景MIMO無線信道的傳輸損耗、時延擴(kuò)展和空間相關(guān)等特性［16］.然而，由于電磁參數(shù)存在差異，不同測量環(huán)境下的MIMO信道特性沒有可比性，無法進(jìn)行不同頻段信道特性對比.迄今為止，在同一室內(nèi)場景下對不同頻段MIMO無線信道特性進(jìn)行對比分析尚不多見.

本文采用基于網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建的MIMO無線信道測量平臺，在典型室內(nèi)場景下分別測量2.4～2.5GHz和6.0～6.1GHz頻段 MIMO無線信道的傳輸損耗、時延擴(kuò)展、空間相關(guān)等信道特性.在測量的基礎(chǔ)上，通過對比分析兩個頻段信道特性的差異，闡明高頻段無線空時信道特性為系統(tǒng)設(shè)計帶來的新問題.

1 信道特性分析

1.1 傳輸損耗

傳輸損耗特性反映了電波傳播過程中的信號功率衰減情況，其直接決定傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋性能.MIMO無線信道的傳輸損耗定義為

在自由空間下，傳輸損耗為

式中：d為收發(fā)天線之間的距離，m；f為發(fā)射頻率，MHz.為了明確6.05GHz頻段與2.45GHz頻段的差異，引入傳輸損耗差值的概念，其計算方法為

式中：LP，6.05GHz為6.05GHz傳輸損耗；LP，2.45GHz為2.45GHz傳輸損耗.在自由空間，2.45GHz和6.05GHz傳輸損耗差值為

式（4）表明在僅有直射徑的前提下，高頻段的傳輸損耗比低頻段大7.85dB.然而，在實際場景下，不僅有直射徑存在，還存在折射徑、反射徑、繞射徑和散射分量等.這使得高低頻的傳輸損耗差不再是一個固定的數(shù)值.

1.2 時延擴(kuò)展

無線電波傳播的多徑效應(yīng)使得信道沖激響應(yīng)存在時延擴(kuò)展，其特性由時延功率譜（Power Delay Profile，PDP）描述.PDP定義為無線信道多徑成分在時延域上的分布［4，18］為

式中h（i，j，τ）為第i根接收天線與第j根發(fā)射天線之間的信道沖擊響應(yīng).該參數(shù)由頻率響應(yīng)經(jīng)過離散傅里葉反變換（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）獲得

式中w（f）為布萊克曼窗函數(shù)，用以消除頻域截斷帶來的影響［19］.

均方根時延擴(kuò)展（Root Mean Squared-Delay Spread，，RMS-DS）是用于描述信道時延擴(kuò)展程度的參數(shù)，其定義為

受散射程度和天線間距的限制，MIMO天線陣列的天線之間存在一定的相關(guān)性，這種相關(guān)特性可以用空間間隔相關(guān)系數(shù)描述.相關(guān)系數(shù)的大小直接影響MIMO無線通信系統(tǒng)的信道容量和分集特性.

根據(jù)克羅內(nèi)克相關(guān)信道模型［15，21］，空間間隔相關(guān)矩定義為

歸一化，可得空間間隔相關(guān)系數(shù)：

2 信道測量方案

2.1 測量平臺

基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建了支持2.45GHz和6.05GHz兩個頻帶，帶寬為100MHz的寬帶 MIMO信道測量平臺.在100MHz的帶寬內(nèi)，平臺對每個頻率傳遞函數(shù)采樣400次，頻域采樣間隔為250kHz.平臺的時延域分辨率為10ns，可測最大時延為4μs.平臺結(jié)構(gòu)和各部分器件照片如圖1所示.表1給出了測量平臺的參數(shù).

表1 測量平臺參數(shù)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用掃頻的方式測量端口間的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)［17］.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射的掃頻信號經(jīng)功率放大器放大后通過發(fā)射天線發(fā)射，再經(jīng)無線信道被接收天線所接收、經(jīng)低噪放放大之后送入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，從而獲得信道的頻率響應(yīng).兩個頻帶下的功率放大器和低噪聲放大器增益均為60dB.發(fā)射天線陣列和接收天線陣列為均勻線陣，陣元間距為0.5λ（2.45GHz時陣元間距6cm，6.05 GHz時陣元間距2.5cm），兩個頻帶下的天線增益均為2.5dBi.平臺收發(fā)兩端均配備4根相同的全向天線，天線通過單刀四擲射頻開關(guān)進(jìn)行切換.計算機(jī)直接控制射頻開關(guān)實現(xiàn)4×4收發(fā)天線之間的自動切換.此外計算機(jī)還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)測量過程并存儲測量數(shù)據(jù).網(wǎng)絡(luò)分析儀和放大器之間均采用長度25m的低損耗穩(wěn)相電纜進(jìn)行連接.

2.2 測量場景

測量工作在哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院A棟4樓開展.圖2（a）為測量環(huán)境平面圖.Tx為發(fā)射天線的位置，位于狹長走廊的西側(cè).M1和M2為接收天線測量點(diǎn)分布范圍，M1為走廊環(huán)境中60個接收天線測量點(diǎn)，M2為教室環(huán)境中90個接收天線測量點(diǎn).走廊長約為35m，寬約為3m，墻和地板為混凝土結(jié)構(gòu)，天花板為金屬板.測量過程中無人員走動.

在室內(nèi)覆蓋場景中，接入點(diǎn)往往被放置于走廊環(huán)境［4］.因此本實驗針對兩種場景：

場景A：走廊-走廊視距（Line-of-Sight，LOS）環(huán)境

當(dāng)接收天線位于M1時，信號經(jīng)歷的是走廊-走廊LOS傳播，測量鏈路共66條.如圖2（b）所示.

場景 B：走廊-實驗室（Non-Line-of-Sight，NLOS）環(huán)境

當(dāng)接收天線位于M2時，信號經(jīng)歷的是走廊-教室NLOS傳播，測量鏈路共84條.如圖2（c）所示.

對于這兩種場景下的每一條鏈路，都利用前文介紹的信道測量平臺分別進(jìn)行2.4～2.5GHz和6.0～6.1GHz的4×4MIMO信道測量.在測量過程中兩個頻帶的測量環(huán)境和測量位置完全相同.

3 測量結(jié)果分析

3.1 傳輸損耗

通過對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘線性擬合，得到兩個場景下2.4～2.5GHz和6.0～6.1GHz傳輸損耗分別為：

傳輸損耗差值為：

傳輸損耗和傳輸損耗差值分別如圖3、圖4所示.由圖可知，ΔLP為正值，即高頻段的傳輸損耗大于低頻段.在LOS場景下，由于墻體對6.05GHz電波的反射系數(shù)比2.45GHz的大導(dǎo)致波導(dǎo)效應(yīng)增強(qiáng)，ΔLP隨距離的增大而降低.這導(dǎo)致在室內(nèi)LOS場景下，高頻段無線通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)近效應(yīng)弱于低頻段，降低了對通信系統(tǒng)動態(tài)范圍的要求.在NLOS場景下，高頻電磁波在有耗介質(zhì)中穿透能力減弱，墻等遮擋體對高頻電磁波的損耗大于低頻電磁波，ΔLP比LOS場景大10dB左右，即6.05GHz頻段的同頻干擾比2.45 GHz小約10dB.這表明房間對高頻段無線電波具有更好的隔離作用，在頻譜資源有限的情況下，高頻段移動通信系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境下具有更高的頻譜利用率.

因此，在引進(jìn)高頻段進(jìn)行移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋時，需要在同樣發(fā)射功率的前提下降低約60%的小區(qū)覆蓋范圍.小區(qū)覆蓋范圍降低使得每個高頻段室內(nèi)接入點(diǎn)能夠服務(wù)更少的用戶，進(jìn)而提高移動通信系統(tǒng)的頻譜利用率.

3.2 時延擴(kuò)展

根據(jù)式（8）可得RMS-DS概率分布函數(shù)，如圖5所示.在LOS場景下6.05GHz頻段RMS-DS的平均值為13.1ns，2.45GHz頻段 RMS-DS的平均值為11.9ns.在NLOS場景下6.05GHz頻段RMSDS的平均值為24.9ns，2.45GHz頻段 RMS-DS的平均值為22.5ns.根據(jù)ITU-R P.527-3［20］報告給出的2.45GHz和6.05GHz頻段下干燥泥土的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，6.05GHz頻段的無線電波反射系數(shù)比2.45GHz大0.1左右.大反射系數(shù)導(dǎo)致6.05GHz反射徑相對直達(dá)徑的強(qiáng)度高于2.45 GHz.6.05GHz的時延擴(kuò)展比2.45GHz高10%～11%.

在碼間干擾和信道估計精度相同的前提下，6.05GHz高頻段無線通信的碼速率和導(dǎo)頻間隔需要比傳統(tǒng)的2.45GHz頻段降低10%.

圖5 均方根時延擴(kuò)展的概率分布函數(shù)

3.3 空間相關(guān)

根據(jù)式（9）可得6.05GHz和2.45GHz頻段MIMO信道的空間間隔相關(guān)系數(shù)平均值，如圖6所示.由圖可知：在LOS場景下，6.05GHz高頻段空間間隔相關(guān)系數(shù)在天線間距為0.5λ、λ和1.5λ時均高于2.45GHz.表明在采用高頻段通信系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)LOS覆蓋時，需要增加天線的間距以降低天線之間的相關(guān)性來取得更大的信道容量或更高的分集增益.值得注意的是，6.05GHz頻段波長約為5cm，2.45GHz頻段波長約為12cm.由測量結(jié)果可知，間距5cm（6.05GHz頻段下的λ）的6.05GHz頻段空間間隔相關(guān)系數(shù)比間距6cm（2.45GHz頻段下的0.5λ）的2.45GHz頻段空間間隔相關(guān)系數(shù)略小.因此，在LOS場景下，6.05GHz能夠采用更小的天線間距提供更高的信道容量和分集增益.

表2 6.0～6.1GHz與2.4～2.5GHz信道參數(shù)對比

與LOS場景不同，在NLOS場景下，6.05GHz高頻段空間相關(guān)系數(shù)與2.45GHz差別小于0.05.由于6.05GHz頻段的波長小于2.45GHz，因此，室內(nèi)NLOS覆蓋場景下，6.05GHz高頻通信系統(tǒng)提供與2.45GHz頻段相同的信道容量和分集增益時，天線間距僅為2.45GHz頻段的42%.

綜上，為方便在數(shù)值上比較兩個頻段的信道參數(shù)，6.0～6.1GHz與2.4～2.5GHz信道傳輸損耗參數(shù)γPL、LP，0、時延擴(kuò)展參數(shù)τRMS在不同測量位置的平均值以及空間相關(guān)系數(shù)ρRx和ρTx在不同測量位置的平均值和分別歸納于表2.除方便比較以外，表2中的信道參數(shù)還可為高頻段MIMO系統(tǒng)設(shè)計和性能仿真評估提供參考.

4 結(jié) 論

基于網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建支持2.45GHz和6.05GHz兩個頻段的4×4MIMO信道測量平臺.基于該測量平臺在典型室內(nèi)場景下進(jìn)行了高低頻段MIMO無線信道測量和對比分析.分析結(jié)果表明：相對2.45GHz頻段而言，6.05GHz頻段同頻干擾低，在房間之間有較高的隔離度，更適于室內(nèi)熱點(diǎn)單房間覆蓋.相比2.45GHz頻段，6.05GHz頻段無線通信需要降低碼速率和導(dǎo)頻間隔.在相同的天線間距下，6.05GHz高頻段能夠提供更高的信道容量和分集增益，更適合采用MIMO技術(shù).這些結(jié)果為高頻段無線通信領(lǐng)域的深入研究奠定了基礎(chǔ).

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