北京邮电大学张建华等 | 28 GHz城市微蜂窝中上、下行链路的信道空间特性

28 GHz城市微蜂窝中上、下行链路的信道空间特性

姜涛，张建华，唐盼，田磊

北京邮电大学网络与交换国家重点实验室，中国北京市，100876

01

研究背景

随着5G通信系统在全世界范围内开始商用，搭建基于毫米波的通信系统正成为下一步移动通信发展的重点。目前欧洲已经根据2019年世界无线电大会（WRC-19）的决议开始为5G系统协调24.25–27.5 GHz频段，中国无线电管理委员会也将在近期推出毫米波频段管理规定。无线信道建模作为通信系统设计的基础，对未来毫米波系统的性能有重要影响。FITEE 2021年第4期（高通量毫米波通信专刊）刊登了北京邮电大学网络与交换国家重点实验室张建华教授等人的最新研究文章A study of uplink and downlink channel spatial characteristics in an urban micro scenario at 28 GHz。该文基于信道实测数据研究了毫米波28 GHz下城市微蜂窝场景中的上、下行链路空间角度模型，为未来毫米波双向信道建模提供实验基础，为毫米波空间覆盖以及波束赋形技术提供理论支持。

02

毫米波上、下行链路空间角测量

毫米波信道测量方案如图1所示，我们使用基于NI板卡搭建的宽带扩频信道探测器对场景进行测量。整个测量分为两部分，对于下行链路：在发送端使用扇区天线，接收端使用喇叭天线旋转模拟多天线阵列，对于上行链路：发送端使用双锥天线，接收端同样使用喇叭天线进行旋转测量。上、下行链路中用于模拟UT的天线位置完全一致。在上、下行链路的接收端分别使用高精度SAGE算法提取多径参数，获得水平到达角。根据信道互异性原理，上行链路的到达角等于下行链路的离开角，从而获得双向信道角度测量结果。通过将角度功率谱与场景建筑物进行匹配，如图2所示，可以发现在LoS情况下，信号传播主要以直射径为主，功率占比为86.44%至100%，其余能量则来自一阶反射径，在NLoS场景中，信号传播则以一阶反射为主，功率占比为99.87%，其余能量则来自于二阶反射。然后使用空间波瓣（Spatial lobe，SL）方法对分别对上、下行水平接收角进行分簇，并计算簇内角度扩展。最后通过对簇内多径角度与功率进行建模，提出二维高斯模型来生成簇内多径角度。

图1  毫米波信道测量方案：（a）下行链路；（b）上行链路；（c）测量场景

图2  角度分布与场景匹配：（a）NLoS场景；（b）LoS场景

03

信道特性分析和分簇统计建模

通过空间角度建模可以发现：由于地面附近的散射体较多，导致上行链路的接收角角度扩展小于下行链路的接收角角度扩展。通过表1与信道标准对比，可以发现毫米波簇数明显小于包含厘米波样本的3GPP TR 38.901标准，并且由于SL分簇方法是将角度连续的多径划分在同一簇内，因此得到的簇内角度扩展也明显小于其他标准结果。目前在标准模型中簇角度生成的方式包括2种：1）依据合成角度功率谱生成簇心角度；2）依据簇心角度分布生成簇心角度。本文分别对这两种方式进行验证，结果如图3与图4所示，发现直接使用角度的分布（即高斯分布）生成的水平角更符合实际测量结果。

表1 测量结果与标准对比

图3  合成角度功率谱：（a）上行链路；（b）下行链路

图4 簇角度分布：（a）上行链路；（b）下行链路

最后，考虑到目前标准化建模簇内多径角度依然采用固定径数的方式，并且多径之间的角度间隔也固定比例，为使簇内角度生成更加灵活，依据图5所示测量结果，发现簇内多径角度与功率均服从高斯分布，因此提出如图6所示的二维高斯模型，以生成簇内角度与功率，弥补标准模型的不足。

图5  簇内多径角度与功率分布

图6 簇内角度与功率的二维高斯模型：（a）上行链路；（b）下行链路

【论文信息】

Tao JIANG, Jianhua ZHANG, Pan TANG, Lei TIAN, 2021. A study of uplink and downlink channel spatial characteristics in an urban micro scenario at 28 GHz. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 22(4):488-502.

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000443

专题导读

      5G演进和6G标准的发展使毫米波无线通信面临诸多挑战，毫米波无线通信系统整体性能的提升依赖于元部件、信号处理方法和系统方案的创新。信道模型、元部件和系统设计的演进与创新也可以为新的应用铺平道路。

      在此背景下，中国工程院院刊《信息与电子工程前沿（英文）》组织了一期关于高通量毫米波无线通信的专刊。专刊涵盖毫米波信道模型、系统设计和元部件，旨在回顾毫米波无线通信研究领域最新进展，指出未来研究方向。经严格评审，共筛选出13篇文章，其中2篇综述、10篇研究论文、1篇通讯。

往期推文：

1. 东南大学洪伟教授等｜FITEE高通量毫米波无线通信专刊导读

2. 华为贺超等 | 光纤到屋场景下的Q波段毫米波通信

3. 东南大学金石等 | 毫米波系统中的通信定位一体化技术

4.东南大学王海明等 | 密集城区场景毫米波电波传播测量和分簇信道建模

关于本刊

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering（简称FITEE，中文名《信息与电子工程前沿（英文）》，ISSN 2095-9184，CN 33-1389/TP）是信息电子类综合性英文学术月刊，SCI-E、EI收录，最新影响因子1.604，进入JCR Q2分区。前身为2010年创办的《浙江大学学报英文版C辑：计算机与电子》，2015年更为现名，现为中国工程院信息与电子工程学部唯一院刊。覆盖计算机、信息与通信、控制、电子、光学等领域。文章类型包括研究论文、综述、个人视点、评述等。现任主编为中国工程院院士潘云鹤、卢锡城。实行国际同行评审制，初次转达意见一般在2~3个月内。文章一经录用将快速在线。

2019年，荣获中国科协等七部委推出的中国科技期刊卓越行动计划项目资助（梯队期刊）。

官网：http://www.jzus.zju.edu.cn

期刊Springer主页：

http://www.springer.com/computer/journal/11714

在线投稿：

http://www.editorialmanager.com/zusc

更多信息，请见：FITEE影响因子提升55%，首次跨入Q2区

微信加群

---

为方便广大科研人员交流讨论，本平台建有以下学科微信群。有需要加群的用户，请加小编个人微信号fitee_xb，并留言想要加入的群，小编会拉您进群。营销广告人员请勿扰。

计算机科学与技术学术群	光学工程与技术学术群
控制科学与技术学术群	信息与通信学术群
电力电子学术群	人工智能学术

加关注  ID: fitee_cae

本公众号为中国工程院院刊《信息与电子工程前沿（英文）》（SCI-E、EI检索期刊）官方微信，功能包括：传播期刊的学术文章；为刊物关联学人（读者、作者、评审人、编委，等）提供便捷服务；发布学术写作、评审、编辑、出版等相关资讯；介绍信息与电子工程领域学术人物、学术思想、学术成果，展示该领域科学研究前沿进展；为该领域海内外学者提供友好互动平台。