胡留軍,張繼良,汪 洋,丁麗琴,陳詩(shī)軍

走廊環(huán)境極化信道大尺度特性測(cè)量與建模

胡留軍1,張繼良2,汪 洋2,丁麗琴2,陳詩(shī)軍1

(1.中興通訊股份有限公司,廣東深圳 518055;
2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院,廣東深圳 518055)

為了建立室內(nèi)走廊環(huán)境2.4~2.5 GHz極化大尺度衰落模型,采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建無(wú)線信道測(cè)量平臺(tái),并利用該平臺(tái)在典型教學(xué)樓走廊環(huán)境下測(cè)量信道。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)提取信道的損耗系數(shù)、交叉極化隔離、陰影衰落方差、頻率補(bǔ)償系數(shù)等大尺度特性參數(shù),建立該環(huán)境極化信道的大尺度衰落模型。測(cè)量結(jié)果表明,在2.4~2.5 GHz頻帶,頻率對(duì)大尺度衰落的影響可忽略不計(jì)。

走廊信道;極化信道建模;極化信道測(cè)量;大尺度衰落

2.4 ~2.5 GHz頻帶被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療和科學(xué)領(lǐng)域的無(wú)線通信系統(tǒng)。評(píng)估無(wú)線通信系統(tǒng)傳輸容量和可靠性,需建立無(wú)線信道模型以模擬各種實(shí)際信道環(huán)境。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和鏈路預(yù)算算法而言,大尺度衰落模型尤為重要。當(dāng)收發(fā)天線采用多種極化方式發(fā)射、接收信號(hào)時(shí),一方面需要考慮收發(fā)距離增大導(dǎo)致的接收功率下降,另一方面需要考慮不同極化類(lèi)型的發(fā)射天線、接收天線之間的交叉極化隔離帶來(lái)的能量損失。

大尺度信道測(cè)量可采用時(shí)域測(cè)量和頻域測(cè)量2種方式。時(shí)域測(cè)量需要大量昂貴的高速器件,且需要自行搭建測(cè)試平臺(tái),研究成本高,周期較長(zhǎng)。頻域測(cè)量可利用網(wǎng)絡(luò)分析儀,測(cè)量數(shù)據(jù)量大,測(cè)量精度高[1-6]。目前大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)均采用基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻域測(cè)量技術(shù)對(duì)各類(lèi)室內(nèi)無(wú)線信道進(jìn)行研究。

1990年,Zaghloul等[1]率先采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量900~1100 MHz室內(nèi)信道,并給出了傳輸損耗系數(shù)。1993年,Kalivas等[2]采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量了21.6、37.2 GHz頻帶穿墻后的損耗增量。1996年, Santella等[3]對(duì)室內(nèi)1、5.5、10、18 GHz四個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,并給出了室內(nèi)信道的傳輸損耗系數(shù)。受大散射體的影響,電波功率會(huì)產(chǎn)生微小的波動(dòng),這種波動(dòng)稱(chēng)為陰影衰落。Araque等[4]通過(guò)實(shí)測(cè)給出了室內(nèi)802.11a信道的傳輸損耗系數(shù)和陰影衰落方差。文獻(xiàn)[7-12]采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量單極化無(wú)線信道的大尺度衰落特性,建立了響應(yīng)的信道模型,并通過(guò)實(shí)測(cè)分析了典型MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)的差錯(cuò)性能。

研究表明,極化分集能顯著提高信道容量[15],因此,有必要對(duì)極化信道進(jìn)行建模。Molina-Garcia-Pardo等[5]在2.45 GHz頻率下對(duì)室內(nèi)極化寬帶信道進(jìn)行測(cè)量,建立了極化信道的傳輸損耗模型,給出了傳輸損耗系數(shù)、交叉極化隔離及墻壁引起的損耗增量。

走廊環(huán)境是室內(nèi)信道環(huán)境的重要組成部分,目前針對(duì)走廊的信道測(cè)量與建模往往關(guān)注單極化無(wú)線傳播信道,如Andrusenko等[13]采用信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀測(cè)量了室內(nèi)走廊環(huán)境單極化無(wú)線信道,但針對(duì)中國(guó)典型城區(qū)走廊環(huán)境大尺度極化信道模型的研究尚不多見(jiàn)。鑒于此,選擇802.11b/g規(guī)定的2.4~2.5 GHz測(cè)量頻帶及該頻帶極化信道的損耗系數(shù)、交叉極化隔離、陰影衰落方差、頻率補(bǔ)償?shù)葏?shù),對(duì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院C教學(xué)樓2層南側(cè)走廊采用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)分析,以得到走廊環(huán)境大尺度衰落模型。

1 測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方案

2.4 ~2.5 GHz寬帶無(wú)線信道測(cè)量系統(tǒng)基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建。信道測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用掃頻的方式測(cè)量端口間的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)。掃頻信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射,信號(hào)經(jīng)無(wú)線信道被接收天線接收并經(jīng)低噪放大器放大后,送入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,從而獲得信道的頻率響應(yīng)。

圖1 信道測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of channel sounder system

系統(tǒng)天線為鞭狀天線,天線增益GT=GR=7 dB。收發(fā)天線高度均為h=108 cm,收發(fā)端饋線長(zhǎng)度均為L(zhǎng)=10 m的同軸電纜,電纜的損耗分別為L(zhǎng)T=16.07 dB和LR=15.89 dB;低噪放大器增益GA=15 dB,低噪放大器和饋線共同的幅度響應(yīng)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)分析儀選用安捷倫公司的E5071B,發(fā)射功率PT= 0 d Bm,掃描頻點(diǎn)數(shù)401個(gè),相鄰頻點(diǎn)間隔250 k Hz。采用本系統(tǒng)測(cè)得的典型無(wú)線信道幅度響應(yīng)如圖3所示。為了盡量避免干擾,測(cè)量選擇在午夜進(jìn)行。測(cè)量環(huán)境平面圖如圖4所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)的幅度響應(yīng)Fig.2 Amplitude response of measurement system

圖3 典型無(wú)線信道的幅度響應(yīng)Fig.3 Amplitude response of typical wireless channel

圖4 測(cè)量環(huán)境平面圖Fig.4 The plane graph of measurement environment

選取16個(gè)測(cè)量點(diǎn),測(cè)量點(diǎn)間隔1 m。將垂直極化的發(fā)射天線固定在一點(diǎn),改變接收天線的位置和極化方向,采用網(wǎng)絡(luò)分析儀分別提取不同情況下信道的傳遞函數(shù),并根據(jù)傳遞函數(shù)的幅度響應(yīng)得到大尺度衰落模型參數(shù)。

2 測(cè)量結(jié)果

2.1 傳輸損耗平均值

為了去除放大器和饋線對(duì)測(cè)量造成的影響,需對(duì)放大器和饋線的傳遞函數(shù)進(jìn)行測(cè)量,并在數(shù)據(jù)處理時(shí)將其影響消除。將饋線的2個(gè)端點(diǎn)相連,用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得放大器和饋線共同的頻率響應(yīng)Hsys(f)。

在測(cè)量信道傳遞函數(shù)時(shí),對(duì)測(cè)量結(jié)果去卷積以消除饋線和放大器的影響,

其中:f為頻率;H(f)為信道的傳遞函數(shù);Hsys(f)為饋線和放大器的傳遞函數(shù);Hmeas(f)為測(cè)得的傳遞函數(shù)。

測(cè)量得到的信道傳遞函數(shù)與距離的關(guān)系如圖5所示。相同位置不同頻點(diǎn)的信道傳遞函數(shù)劇烈變化的原因是多徑疊加產(chǎn)生的衰落具有頻率選擇性。

接收信號(hào)Y(f)=H(f)X(f)。其中:H(f)為信道傳遞函數(shù);X(f)為發(fā)射信號(hào)。則接收信號(hào)的功率譜密度為:

若發(fā)射信號(hào)在全頻帶內(nèi)功率譜密度相等,則接收信號(hào)的功率為:

因此,信道對(duì)信號(hào)的損耗為:

頻域采樣后的信道損耗為各個(gè)頻率上信道系數(shù)的代數(shù)平均值:

圖5 信道傳遞函數(shù)與距離的關(guān)系Fig.5 Relation of channel transfer function and distance

采用最小均方誤差估計(jì)算法對(duì)信道損耗進(jìn)行線性回歸,接收信號(hào)功率變化如圖6所示,可得同極化和交叉極化情況下的平均傳輸損耗為:

因此,在垂直、水平極化模式下,無(wú)線信道的傳輸損耗系數(shù)分別為αV=1.24,αH=1.06。

2.2 陰影衰落方差

陰影衰落因子服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,根據(jù)不同位置接收功率對(duì)傳輸損耗的偏移量,可得到陰影衰落的估計(jì)方差代入各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的接收功率值,可得=5.24 dB2。陰影衰落方差與測(cè)量數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖7所示。

圖7 陰影衰落方差Fig.7 Variation of sadowing

2.3 交叉極化隔離

根據(jù)式(1)、(2),交叉極化隔離值

交叉極化隔離值隨距離的增大而減小,這是因?yàn)殡S距離的增大,去極化作用逐漸增強(qiáng)。

2.4 頻率補(bǔ)償

在寬帶信道中,不同頻率信號(hào)的傳輸損耗可能各不相同,因此,需對(duì)大尺度衰落進(jìn)行頻率補(bǔ)償。在計(jì)算頻率補(bǔ)償時(shí),需先消除傳輸損耗均值和陰影衰落的影響:

其中:HV、HH分別為同極化、交叉極化2種情況下的信道傳遞函數(shù);LH、LV分別為2種情況下的功率損耗。

排除距離和極化狀態(tài)的影響,有

將ΔL(f)對(duì)f進(jìn)行線性回歸,所得頻率補(bǔ)償如圖8所示。根據(jù)線性回歸的結(jié)果可得:

根據(jù)式(3)可得max{~f}=0.83?L。因此,在2.4~2.5 GHz頻帶,頻率對(duì)傳輸損耗偏差的影響可忽略不計(jì),即大尺度衰落無(wú)需進(jìn)行頻率補(bǔ)償。

圖8 頻率補(bǔ)償Fig.8 Frequency compensation

3 大尺度衰落模型

傳統(tǒng)大尺度衰落模型為[1,14]:

其中:XS~N(0,σ);d~=10αlg d;f~=10βlg f。

由于極化分集能提高信道容量,需考慮天線極化對(duì)信道造成的影響。極化的影響需考慮傳輸損耗差ΔL和交叉極化隔離XPD兩個(gè)參數(shù),其定義為[7]:

其中:LVV為收發(fā)天線均垂直極化時(shí)的傳輸損耗;LHH為收發(fā)天線均水平極化時(shí)的傳輸損耗;LVH為發(fā)射天線垂直極化而接收天線水平極化時(shí)的傳輸損耗;LHV為發(fā)射天線水平極化而接收天線垂直極化時(shí)的傳輸損耗。

朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果表明[16],ΔL=0, LHV=LVH。結(jié)合式(4)、(5),有

XPD=LVV-LVH=LHH-LHV。

若天線之間為交叉極化,則傳輸損耗為:

L=L0+d~+XS+f~+XPD。大尺度衰落各個(gè)參數(shù)的測(cè)量值如表1所示。

表1 大尺度衰落參數(shù)Tab.1 Parameters of large scale fading channel

由表1可知,α的測(cè)量值比文獻(xiàn)[5]的測(cè)量值(αV=1.35,αH=1.23)偏小,這是因?yàn)楸緶y(cè)量的空間相對(duì)狹小,散射信號(hào)功率較大。交叉極化隔離的σ2測(cè)量值與朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ling等[16]的σ2測(cè)量值8.5 d B大致相同。

由表1可得收發(fā)端天線極化方向相同時(shí)的大尺度衰落為:

收發(fā)端天線極化方向?yàn)榻徊鏄O化時(shí)的大尺度衰落為:

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)中國(guó)城區(qū)的典型室內(nèi)走廊環(huán)境,采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量了2.4~2.5 GHz信道的大尺度衰落參數(shù),并通過(guò)這些參數(shù)給出室內(nèi)2.4~2.5 GHz大尺度衰落模型。測(cè)量得到了同極化和正交極化情況下的室內(nèi)傳輸損耗系數(shù)分別為1.24、1.06,交叉極化隔離隨距離的增大而降低,其取值為-0.18×10lg d+8.1,陰影衰落的方差為5.24。此外,在2.4~2.5 GHz頻帶,頻率對(duì)大尺度衰落的影響可忽略不計(jì)。

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編輯:張所濱

Measurement and modeling of large scale channel fading under corridor scenario

Hu Liujun1,Zhang Jiliang2,Wang Yang2,Ding Liqin2,Chen Shijun1
(1.ZTE Corporation,Shenzhen 518055,China; 2.Shenzhen Graduate School,Harbin Institute of Technology,Shenzhen 518055,China)

In order to establish corridor polarized large scale channel model,channel measurement is carried out under a typical corridor environment by using a vector network analyzer.Based on the measured data,large scale parameters such as path loss,cross-polarization discrimination,variance of shadow fading and frequency compensation are measured.A corridor polarization large scale channel model is established.The measurement result shows that the frequency compensation is neglectable in 2.4-2.5 GHz frequency band.

corridor channel;polarized channel modeling;polarized channel sounding;large scale fading

收信號(hào)功率 Fig.6

signal power

TN929.5

A

1673-808X(2015)05-0361-05

2015-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(61501137,61371101);深圳市科技計(jì)劃(JCYJ20140417172417169);歐盟FP7項(xiàng)目(318992);中興通訊股份有限公司委托開(kāi)發(fā)項(xiàng)目

張繼良(1985-),男,黑龍江大慶人,博士,研究方向?yàn)楦咚贌o(wú)線通信技術(shù)、多天線技術(shù)及無(wú)線電波傳播特性建模等。E-mail:zhangjiliang@hitsz.edu.cn

胡留軍,張繼良,汪洋,等.走廊環(huán)境極化信道大尺度特性測(cè)量與建模[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(5):361-365.