摘 要：為更好地補(bǔ)充和擴(kuò)展典型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ，ＩＩｏＴ）場(chǎng)景中毫米波頻段電波傳播特性的研究，并滿(mǎn)足ＩＩｏＴ 在連接性、可靠性、安全性、智能化和覆蓋性等方面的更高需求，在２６ ＧＨｚ 頻段下，對(duì)典型ＩＩｏＴ 場(chǎng)景進(jìn)行了信道測(cè)量與特性分析。研究涉及的典型工業(yè)場(chǎng)景包括不同設(shè)備布置密度的工業(yè)密集場(chǎng)景和工業(yè)稀疏場(chǎng)景?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)上述兩種工業(yè)環(huán)境下的信道特征參數(shù)進(jìn)行了萃取，并在此基礎(chǔ)上分析和比較了兩種典型工業(yè)場(chǎng)景的毫米波信道特性。研究發(fā)現(xiàn)，由于工業(yè)密集場(chǎng)景存在大量金屬設(shè)備會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)反射，導(dǎo)致其路徑損耗指數(shù)小于工業(yè)稀疏場(chǎng)景，且萊斯Ｋ 因子更小、時(shí)延擴(kuò)展更大。當(dāng)接收端使用相控陣天線(xiàn)時(shí)，通過(guò)波束跟蹤可以實(shí)時(shí)調(diào)整波束方向，從而提高信號(hào)的傳輸效果，減小信號(hào)傳播時(shí)延。對(duì)ＩＩｏＴ 場(chǎng)景信道特性的準(zhǔn)確分析將有助于理解信號(hào)在工業(yè)環(huán)境中的傳播規(guī)律，預(yù)測(cè)和評(píng)估通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，確保ＩＩｏＴ 應(yīng)用的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；信道特性；寬帶信道測(cè)量；毫米波信道

中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＮ９２８ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ

文章編號(hào)：１００３－３１１４（２０２４）０５－０８７６－１０

０ 引言

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ，ＩＩｏＴ）作為第五代移動(dòng)通信的新型應(yīng)用場(chǎng)景，其研究涉及數(shù)據(jù)傳輸與處理、設(shè)備連接、安全性與可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性等多個(gè)方面［１］。隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，其高速率、低時(shí)延、大容量等特性可進(jìn)一步為ＩＩｏＴ 的擴(kuò)展提供強(qiáng)有力的支撐［２］。無(wú)線(xiàn)通信是推動(dòng)ＩＩｏＴ 發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，但隨著ＩＩｏＴ 應(yīng)用的多樣化，６ ＧＨｚ 以下頻段將難以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)ＩＩｏＴ 高密度的海量傳感器節(jié)點(diǎn)互聯(lián)、精準(zhǔn)控制和高速率傳輸?shù)刃枨?，而毫米波通信有望解決這些問(wèn)題。與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)普遍采用的６ ＧＨｚ 以下頻段相比，毫米波通信具有頻譜資源豐富、可實(shí)現(xiàn)Ｇｂｉｔ／ ｓ級(jí)別的超高速傳輸、低時(shí)延和超高可靠性等優(yōu)勢(shì)［３］。２０１７ 年７ 月，工信部恢復(fù)了包括２６ ＧＨｚ 在內(nèi)的新增毫米波實(shí)驗(yàn)頻段。歐盟委員會(huì)無(wú)線(xiàn)頻譜政策組發(fā)布的歐洲５Ｇ 頻譜戰(zhàn)略將２６ ＧＨｚ 作為５Ｇ 的首選頻段。同時(shí)，２６ ＧＨｚ 作為毫米波頻段可以提供更高帶寬和更低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

根據(jù)工業(yè)應(yīng)用背景的不同，典型的ＩＩｏＴ 場(chǎng)景可以劃分為精密工業(yè)場(chǎng)景、常規(guī)工業(yè)場(chǎng)景和傳統(tǒng)工業(yè)場(chǎng)景。這３ 種ＩＩｏＴ 場(chǎng)景的空間尺寸差異顯著，面積從２０ ～１６０ ０００ ｍ２ 不等。此外，不同工業(yè)場(chǎng)景中的生產(chǎn)、辦公等區(qū)域的分配和布局也大相徑庭［４］。場(chǎng)景空間尺寸的差異對(duì)天線(xiàn)和通信設(shè)備的布置情況有顯著影響，還會(huì)導(dǎo)致信道特性的差異。具體而言，空間尺寸的變化可能會(huì)改變天線(xiàn)的輻射模式、信號(hào)傳播路徑以及設(shè)備的安裝位置，從而影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)和部署無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)時(shí)，必須充分考慮場(chǎng)景的尺寸差異，以設(shè)計(jì)出最優(yōu)的通信部署方案［５］。

５Ｇ 應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟提出的ＩＩｏＴ 場(chǎng)景［６］尺寸為１８０ ｍ×８０ ｍ×２５ ｍ，其中不同區(qū)域承擔(dān)的職責(zé)各異，因此各區(qū)域內(nèi)的設(shè)備和環(huán)境具有獨(dú)特性，導(dǎo)致信道特性因區(qū)域而異。此外，３ＧＰＰ 在ＴＲ ３８． ９０１ 中根據(jù)天線(xiàn)高度和散射體密度對(duì)ＩＩｏＴ 場(chǎng)景進(jìn)行了更為細(xì)致的劃分，分別為稀疏低基站、密集低基站、稀疏高基站和密集高基站［７］。在后續(xù)關(guān)于ＩＩｏＴ 場(chǎng)景的研究中，除了參考５Ｇ 應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和３ＧＰＰ 提出的工業(yè)場(chǎng)景模型，還需考慮不同工業(yè)場(chǎng)景下影響信道特性的環(huán)境因素，以及同一工業(yè)場(chǎng)景中不同工作區(qū)域內(nèi)的天線(xiàn)部署方式。

ＩＩｏＴ 的發(fā)展受到對(duì)該場(chǎng)景下無(wú)線(xiàn)信道特性認(rèn)知不足的限制。為此，國(guó)內(nèi)外許多研究組織和專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，以深入了解ＩＩｏＴ 場(chǎng)景中的無(wú)線(xiàn)通信信道傳播特性。文獻(xiàn)［８］測(cè)量了大型工業(yè)大廳在載波頻率為１． ９ ＧＨｚ 時(shí)的信號(hào)衰落數(shù)據(jù)，從而確定了工業(yè)環(huán)境中的信號(hào)傳播影響因素，并提出了一種適用于工業(yè)環(huán)境的路徑損耗模型。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)工廠的物理?xiàng)l件越復(fù)雜，路徑損耗指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差值越大［９］，且路徑損耗指數(shù)大小依賴(lài)于頻率、場(chǎng)景和天線(xiàn)高度［１０－１１］。文獻(xiàn)［１２］分析了３ ～４ ＧＨｚ 和３８ ～４０ ＧＨｚ 頻段下的寬帶信道特性，如信道增益系數(shù)、時(shí)延擴(kuò)展和萊斯Ｋ 因子。研究表明，在６ ＧＨｚ以下頻段，隨著距離的增加，視距（Ｌｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ，ＬｏＳ）場(chǎng)景中的均方根時(shí)延擴(kuò)展先增大后減小，而非視距（ＮｏｎＬｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ，ＮＬｏＳ）場(chǎng)景中的均方根時(shí)延擴(kuò)展則單調(diào)增加；在毫米波頻段，ＬｏＳ 場(chǎng)景中的均方根時(shí)延擴(kuò)展隨收發(fā)端距離略有增長(zhǎng)。文獻(xiàn)［１３］對(duì)比了３． ７、２８ ＧＨｚ 下的信道特性，時(shí)延擴(kuò)展分別為２０． ３、２３． １ ｎｓ，不隨頻率變化而穩(wěn)定，而是受傳播環(huán)境的影響。文獻(xiàn)［１４］在相同的工業(yè)場(chǎng)景下，對(duì)５４、７０ ＧＨｚ 頻段進(jìn)行了信道測(cè)量，結(jié)果顯示，除了路徑損耗指數(shù)外，時(shí)延擴(kuò)展和萊斯因子在這兩種頻率下沒(méi)有顯著差異。文獻(xiàn)［１５］在高度代表性的工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行了廣泛的信道測(cè)量活動(dòng)，驗(yàn)證了毫米波通信在工業(yè)環(huán)境中不僅是可行的，甚至比在典型的室內(nèi)住宅或辦公室環(huán)境中更為適用。

綜上所述，信道特性主要受信道測(cè)量場(chǎng)景中散射體的分布、密集程度，以及通信系統(tǒng)的頻率、帶寬、收發(fā)端距離和天線(xiàn)配置的影響。在ＩＩｏＴ 中，許多工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和可靠性提出了嚴(yán)格的要求，這就需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)深入了解信道特性。然而，截至目前，國(guó)內(nèi)在ＩＩｏＴ 場(chǎng)景下構(gòu)建的信道模型尚不完備，這在一定程度上制約了相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用，主要原因是測(cè)量場(chǎng)景單一，場(chǎng)景之間缺乏類(lèi)比性?；诖?，在２６ ＧＨｚ 頻段下對(duì)工業(yè)密集和工業(yè)稀疏兩種典型的ＩＩｏＴ 場(chǎng)景進(jìn)行了信道測(cè)量和特性分析。通過(guò)對(duì)信道測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)域、頻域和空域多維度參數(shù)的提取，獲取了上述典型工業(yè)場(chǎng)景的路徑損耗、陰影衰落、時(shí)延擴(kuò)展以及萊斯Ｋ 因子等信道特征參數(shù)，并對(duì)其信道特性進(jìn)行了對(duì)比分析，確定了散射體位置、金屬材料、收發(fā)機(jī)位置等影響通信性能的關(guān)鍵物理因素。這些研究結(jié)果可為ＩＩｏＴ 場(chǎng)景中無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、部署及通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化提供參考。