室内走廊宽带无线电传播测量和信道模型5 g毫米波无线通信在19 GHz, 28 GHz, 38个GHz频段

文摘

介绍了毫米波(mmWave)测量在一个室内环境。未来的高要求应用程序5 g系统需要更多的能力。在微波波段低于6 GHz,大多数可用的乐队是占领;因此,微波带6 GHz以上和mmWave乐队可以用于5 g系统覆盖所有5 g应用程序所需的带宽。摘要传播特性在三个不同的乐队6 GHz以上(19日28日和38个GHz)研究了在室内走廊环境的视线(LOS)和non-LOS仿真结果)场景。五个不同的路径损耗模型研究了这种环境,即近战的路径损耗(CI)的空闲空间,floating-intercept (FI)、频率衰减(FA)路径损耗,alpha-beta-gamma (ABG),和近战的自由空间参考距离频率加权(CIF)模型。重要的统计特性,如功率延迟(PDP),均方根(RMS)延迟传播,和方位角的蔓延,并比较不同的乐队。路径损耗模型的结果发现,路径损耗指数(中国)所有模型和线斜率值小于2的自由空间路径损耗指数。RMS时延扩展为所有乐队是洛杉矶的场景中,低,只有直接路径是在某些空间位置。仿真结果的场景中,到达角(AOA)是广泛调查,结果表明,通道传播5 g使用高应该使用定向天线的波束形成技术,接收信号和从不同的角度收集所有多路径组件在一个特定的移动位置。

1。介绍

日益增长的数据速率的需求以及当前频率资源的短缺的主要挑战即将到来的第五代(5克)的移动通信(1- - - - - -4]。电流的拥堵频带(下图6 GHz)和狭窄的无线带宽是第五代无线网络的关键问题。利用未使用的微波和毫米波(mmWave)光谱(频谱6 - 300 GHz)是一种有效的解决方案来克服5 g网络巨大的数据需求。巨大的可用带宽的毫米波段,mmWave通信提出了5 g移动网络的一个重要组成部分,可以提供multi-gigabit超高清晰度视频等通信服务(UHDV)和高清晰度电视(HDTV) [5]。对于任何无线通信,信号传播的研究,对设计和建模mmWave系统很重要。因此,描述和建模的通道传播在城市环境中一些最重要的任务是发展小说5 g移动接入网络。最近,大多数研究都集中在28 GHz乐队,38个GHz乐队,E-band (71 - 76 GHz和81 - 86 GHz) (6]。在过去的二十年里,测量运动进行了28个GHz和38 GHz mmWave乐队为本地多点分布服务(LMDS) (7,8]。此外,宽带仿真结果测量由紫罗兰等人在9.6,28.8,和57.6 GHz乐队在丹佛市,结果显示显著的信号衰减由于大型建筑物阻碍(9]。传播通过果园树的树冠用连续波(CW)测量信号为9.6,28.8和57.6 GHz (10]。

几个通道的测量进行了一些mmWave乐队如6、10、11、15、18、19日,26日,28日,32和38个GHz频段。在[11),mmWaves的传播特点进行了室内走廊环境的视线(LOS)场景为6.5,10.5,15日,19日,28日,38个GHz频段。在[12),频域测量进行了28个GHz在实验室使用矢量网络分析仪(VNA) 1 GHz的带宽和ns时间分辨率来估计信道参数对多路径组件(mpc)。路径损耗、阴影、极化特性和均方根(RMS)延迟扩展。一些测量由纽约大学(NYU) 28 GHz和73 GHz频段在一个典型的室内办公环境(13- - - - - -16]。三个大规模传播路径损耗模型用于整个微波和mmWave无线电频谱,即在alpha-beta-gamma (ABG)模型,距离近程(CI)自由空间参考模型,和CI模型frequency-weighted路径损耗指数(CIF),进行了研究和比较的乐队从2到73 GHz与不同的频段13]。此外,室内测量无线和回程通信进行72 GHz频段的17,18]。芬兰阿尔托大学mmWave测量进行60 GHz和70 GHz频段19,20.]。测量在mmWave也吸引了公司利益的研究,例如,三星、爱立信、高通、中兴和华为[21,22]。户珥等人进行了测量28 GHz乐队的室内环境(23]。此外,不同的学术研究者开展了其他几种类型的室内环境的测量28 GHz乐队(12,24]。王等人。25)进行了宽带信道测量在一个开放的26个GHz洛杉矶办公室的环境。

在前面进行的所有相关mmWave测量5 g愿景,候选人5 g无线通信频率仍在研究。此外,调查的时间和角度扩散传播参数被限制在大多数之前的5 g mmWave测量。正在进行的研究的重点与mmWave通信相关的传播特性的研究中,信道建模、波束形成、和介质访问控制设计。广泛的研究仍然需要使部署mmWave通信蜂窝系统。

本文描述执行广泛的室内传播通道的三种不同mmWave乐队6 GHz以上。通道的特点研究了基于五个路径损耗模型。的力量、时间和角度分析了色散的视线(LOS)和non-LOS仿真结果)场景。这些参数研究了基于均方根时延和角度扩散,多余的延迟,和到达角(AOA)。

剩下的纸是组织如下。节中描述的测量设备和环境2。部分3讨论了信道模型和后处理。的路径损耗、时间和角度色散参数描述的部分4。路径损耗模型和分析结果提出了部分5。部分6提供了一个分析的力量、时间和角度色散参数。最后,得出结论7。

2。测量设置

声音信号采集,测量设置这项工作详细描述如下。发射机的宽带信道探测器由一个任意波形发生器(AWG) M8190A,上升变换器E8267D,和铷原子钟6689。M8190A AWG是用于生成宽带微分基带同相正交(智商);它还可以输出直接中频(IF)信号通道。基带任意波形信号提供其它分辨率多路径从一个伪随机二进制序列(PRBS)。E8267D上升变换器可以up-convert这个微分基带智商到无线电频率(RF)载体(40 GHz)与宽调制带宽和可以调整输出功率的自动控制器(ALC)电路。两个6689摆钟单位(一个为Tx和一个用于Rx)通道测深仪系统用于发射机和接收机之间的同步;他们可以提供高精度10 MHz参考信号与≤所有的仪器 准确性和≤ 稳定。触发信号可能来自铷时钟或33522 b函数生成系统。在接收机端宽带频道测深仪,使用变频技术M9362AD01 down-convert射频频率(40 GHz),如果混合放大器/衰减器M9352A被用来放大信号,最后,一个12位高速数字化仪M9703A 1 GHz的带宽(交叉模式)是用来收购如果信号。一个N5173B用作本地振荡器(LO)变频技术M9362AD01。一个M9300A频率参考模块,在外部10 MHz和输出10 MHz至100 MHz标准引用;所有的设备可以保持相对稳定阶段(锁相)。类似Tx 6689年,Rx 6689摆钟单位还提供了一个标准的10 MHz引用的所有仪器。Rx触发信号加载函数发生器33522 b。任意波形通道测深(风能网)信号和频率设置表中提供的Tx和Rx1。使用这个设置和其它多路径方案,一套更广泛的mmWave传播测量是由19日28日和38 GHz中心频率。图1显示的照片Tx和Rx设备。

测量进行了在二楼走廊的Menara敦拉扎克在马来西亚各种大学校园(UTM),吉隆坡,马来西亚。Menara敦拉扎克建筑是在一幢17层楼讨论房间和老师办公室。走廊的大小是1.80 m×67 m和天花板高度是3米。走廊里有胶合板和玻璃门,墙壁是由混凝土、玻璃、石膏板。地面覆盖着釉面瓷砖,地板和走廊的天花板是由玻璃纤维材料组成的。图2显示了平面图和测量环境的描述。在测量期间,Tx部分是固定和Rx的部分是沿着一条走廊,如图2。Tx天线被1.7米以上地板来模拟一个室内热点在墙上,和Rx天线离地面1.5米(典型的手机水平高度)。测量开始的Rx天线位于发射机1米的距离,和接收到的信号记录同时保持Rx固定在那个位置。接下来,Rx感动1 m远离它的起始位置,和固定式测量重复。63不同位置的过程是重复同样的Rx洛杉矶场景中,每1米离前面的相邻位置。

仿真结果的情况下,在Tx-Rx 18米的分离距离洛杉矶场景,Rx天线是感动3 m垂直于洛杉矶路径,Rx的墙块Tx,然后Rx感动1米6米,如图2。Rx天线是由不同角度旋转在每个仿真结果的位置对所有测量频率。零度(0°)旋转指的是对齐的Rx天线Tx路径,Rx天线旋转,如图2。根据这些测量,一个广泛的室内通道描述mmWave乐队了,如图2。

3所示。数据处理和信道模型

首先,测量系统的影响被排除在记录频道数据集使用系统校准过程中描述(26]。接下来,数据使用SystemVue受到后处理软件(27)和MATLAB工具箱。新闻调查中心是由互相关提取接收到的波形和传播之间任意波形信号。Space-Alternating广义采用(SAGE)算法(28- - - - - -30.)是用于提取mpc的参数,包括路径延迟和路径增益。SAGE算法允许迭代的最大似然估计的决心。SAGE算法解决了mpc interference-cancellation, mpc的地方已经从考虑减去估计的信号。

通道是由一个发射脉冲兴奋导致接收机部分生成一个求和的修改脉冲衰减因子和不同的时间延迟,表示接收到的波形。接收到的波形称为一个多路径配置文件。单个脉冲通过不同的路径到达接收方,也被称为货币政策委员会。真正的背景可以表示成这些路径的叠加,在(1),也就是说,假设没有分散在各个脉冲(31日]。 在哪里和是分别th路径增益和延迟。

对于时变通道(1)可以修改为31日] 在哪里时间或空间位置。假设发射机以一个恒定的速度移动远离接收器,我们可以在时间和空间位置之间进行转换。

表示由发射机发送的脉冲传输波形,延迟收到波形在传播的通道(1)成为 基于上述方程,延迟概要(PDP)可以表示为

时间和路径损耗和角分散参数源于(4)如下。

4所示。路径损耗、时间和角度色散参数

路径损耗代表基本量描述无线传播信道和影响任何通信系统的性能。它的逆路径增益,接收到的信号功率的数量。在窄带系统中,路径损耗被定义为接收功率的衰减量在一定频率(载体)。宽带和超宽频无线路径损耗可以来源于mpc的力量,其中包括联合衰减时间和色散的影响。接收到的信号能量可以从测量计算多路径配置文件(32,33] 表示接收到的信号能量的平均距离使用在参考距离使用 ,路径损耗的对数的值可以计算使用 时间色散和角分散起着关键的作用在现代细胞系统34]。PDP的接收信号提供了一个良好的色散传输功率的不同路径。时间色散特性显示权力的分布相对于第一个到达MPC。时间色散特性通常是量化的意思是多余的延迟和RMS时延扩展。获得这些参数,PDP规范化和所有信号低于特定的阈值相对于最大被认为是零分析(5,35]。所需的时间接收到的波形的能量下降相对于最大被定义为最大延迟PDP过剩。RMS时延扩展计算(36] 在哪里是RMS时延扩展的平方根定义的第二个中央权力的时刻延迟,的力量吗th路径,的到达时间吗货币政策委员会,是第一个路径到达时间,然后呢是意味着过多的延迟,可以由第一个PDP的时刻 除了时间分散、无线传播渠道也显示角分散并确定天线和通道之间的交互。在无线信道模型中,RMS到达角分布(ASA)和计算遵循[扮演着重要的角色37]: 在哪里的权力th路径,到达角(AOA),的意思是角的定义是

5。路径损耗模型、结果和分析

在这篇文章中,不同的路径损耗模型被用来研究路径损耗在三个不同的候选人乐队5 g系统。近战的(CI)自由空间路径损耗模型是一个基于物理模型,使用自由空间路径损耗(FSPL)在1 m的参考点(锚点)来估计不同距离和空间位置的路径损耗。在这项工作中,我们使用的测量路径损耗锚点作为参考。CI模型可以计算(38] 在哪里 是路径损耗与各种不同频率Tx-Rx分离距离,是路径损耗指数(中国), 在近战的dB的路径损耗(CI)的距离, ,1米,和标准偏差是一个零均值随机变量系统吗dB(阴影效果)39]。

图3显示了散点图的路径损耗和洛杉矶最适合CI模型场景在19岁,28岁,而38 GHz。它可以表明,路径损耗增加随着分离距离和频率的增加,在最高的路径损耗发生在38 GHz。请耐心的值是0.6,0.6和1.3为19日28日分别和38 GHz。请耐心值对于所有频率小于理论的发现自由空间请耐心( ),表明mpc建设性地从两侧墙沿着走廊(即。波导效应)。信号退化13 38 GHz乐队dB /十年两次的退化信号在19岁和28个GHz。标准偏差值在19岁,38个GHz频段是相同的(2.4 dB)。28 GHz乐队,标准偏差值为3.3 dB。

另一个流行的路径损耗模型是floating-intercept (FI)模型,用于获胜者II和3 gpp标准(13]。基于这个模型不是一个物理模型;然而,适用于一些乐队和环境,floating-intercept ()参数接近FSPL 1 m和斜率线()与耐心。FI模型被定义为(11,38] 在哪里是零均值高斯随机变量dB的标准差dB。

FI路径损耗模型测量乐队如图4。floating-intercept (57.2 dB)值是60.6 dB, 63.1 dB 19日28日分别和38 GHz。的值偏离FSPL 1 m×2.6 dB, 4.2 dB, 28日和0.9 dB 19日分别和38 GHz。斜率线()值是0.4,0.9,1.4,19日,28日,分别和38 GHz。的值具有可比性的pl CI路径损耗模型的偏差值从1米FSPL所有乐队是合理的。这意味着FI路径损耗模型,它主要是用于3 gpp低于6 GHz频段,可以用一个合适的5 g系统的性能在mmWave乐队。标准偏差值FI模型2.3 dB, 3.1 dB, 28日和4.3 dB 19日分别和38 GHz。

探讨路径损耗高的频率,频率衰减(FA)路径损耗模型,测量频率最低的一个特定的场景中被用作参考频率。英足总路径损耗模型被定义为(11] 在哪里 是路径损耗在dB近战的距离1 m和参考频率 。的在这个模型中被定义为使用相同的校准测量频率最低的环境;代表中国在 。的因素在dB频率衰减因子,代表信号与频率下降,然后呢是阴影衰落标准差dB。英足总physical-based模型和路径损耗模型很简单,CI模型。参考频率19 GHz和耐心()是0.6。

英足总路径损耗模型如图5。的衰减的FA值模型3.1 dB和16.5 dB 28和38 GHz,分别。因为19 GHz频率的参考因素是0分贝在这个乐队。28 GHz乐队,信号退化较低相比19 GHz的基础上衰减的因素。标准偏差2.4 dB的FA值模型,3.1 dB, 28日和4.5 dB 19日分别和38 GHz。

因为路径损耗测量在不同的乐队,多频路径损耗模型可以用来研究这些乐队的路径损耗。在这里,alpha-beta-gamma (ABG)和近战的自由空间参考距离频率加权(CIF)路径损耗模型用于多频路径损耗的调查。ABG模型包含一个频率的依赖和军事术语来描述路径损耗在不同频率和计算 在哪里是军事因素的路径损耗,是依赖于频率的因素,是一个优化的抵消,是阴影衰落。

图6显示了ABG路径损耗模型研究了乐队。信号下降是发现8.9 dB /十年基于distant-dependence因素 。优化的抵消和频率依赖的因素值−15.5 dB和5.27,分别。

CIF模型frequency-weighted模型,采用相同的FSPL锚1 m的CI模型和定义为 在哪里依赖的路径损耗和表示距离是一个线性频率依赖的路径损耗因子对所有频率。的参数是所有测量的频率加权平均为每个特定的环境和场景中,发现的总结,对所有频率测量的数量在一个特定的频率和场景中,乘以相应的频率,和这个数字除以整个数量的测量接管所有频率的特定环境和场景。根据特定的环境和场景和测量的数量在一个特定的频率在这工作,= 28.3 GHz。斜率参数是 与线性频率依赖的因素= 1.4如图7。它可以显示 ,CIF路径损耗模型可以测量数据,研究了频率在这个特定的场景。

6。权力、延迟和角度色散结果和分析

不同延迟的接收功率沿Tx-Rx分离距离19 GHz乐队如图8。所有空间位置沿着走廊大部分的接收功率到达早期过度延迟(少于10 ns)。此外,最大过度延迟小于50 ns的所有收到路径接收功率大于120−dBm(噪声地板)。60 70−−dBm之间的接收功率出现在直接路径(LOS路径),表示第一个路径在洛杉矶的场景。这意味着当使用高定向天线时,最大的权力落在洛杉矶路径。mpc的过量延迟小于5的ns,接收功率在70年80−−dBm的范围,由10退化dBm的范围相比直接路径,如图8。的mpc收到90−−80 dBm超额不到10纳秒的延迟。一些路径与权力下降低于100−dBm的过度延迟超过20 ns。可以得出的结论是,与一个值大于10所产生的噪音地板dBm可以收到19和63 GHz Tx-Rx分离距离在不到20纳秒的延迟。

28 GHz乐队,与不同延迟Tx-Rx分离距离如图9。对于这个乐队,大部分的接收功率小于10纳秒;也就是说,大多数的mpc早期接收。然而,在一些空间位置,MPC组件在过量延迟大于100 ns和小于140 ns,如图9。不同延迟的接收功率沿Tx-Rx分离距离38 GHz乐队如图10。在这个乐队,只在第一个3米Tx-Rx分离距离的接收功率大于75−dBm几乎没有延迟(LOS路径)。Tx-Rx分离的距离小于15米,接收功率的变化在85年和80−−dBm之间,小于4 ns的延迟。在这个乐队,没有mpc延迟大于15 ns。

RMS时延扩展和Tx-Rx分离距离洛杉矶场景如图11。发现的最大延迟扩展小于35 ns研究乐队。此外,传播延迟是最低的38个GHz乐队,和延迟传播减少随着频率的增加。这意味着,增加天线的方向性(低HPBW),最大的权力集中在直接路径和mpc的贡献在接收到的信号。最大延迟扩展ns值是32.3,25.3 ns,在空间的位置和2.6 ns 47米,34米,和32 m 19日28日分别和38 GHz。平均延迟扩展ns值是5.7,2.3 ns, 28日和1.1 ns 19日分别和38 GHz。这意味着大多数mpc早期的垃圾箱。

图12显示了CDF实验组的RMS时延扩展的所有组合的仿真结果场景aoa测量乐队。总共90%的RMS时延扩展是发现不到70纳秒,60 ns, 28日和90 ns 19日分别和38 GHz。仿真结果的情况下,延迟扩展比《大场景,因为没有收到指示路径,只有mpc捕获。

的影响到达角(AOA)传播接收功率研究基于仿真结果的情况下进行测量。在这里,我们120−dBm设备灵敏度参数设置噪声地板;因此,信号接收能力低于这个值被认为是很弱的或不存在的。在测量接收信号的力量在0°- 330°aoa的间隔30°在四个不同空间位置的3 m, 4米,5米,6米的仿真结果场景如图13。四个不同空间位置的接收信号功率随AOA。一般来说,发生更多的变化在更高频率的信号。结果在图13显示接收到的信号可以从所有测量较低的aoa带19个GHz的4种不同的空间位置。然而,这不会发生在测量的高mmWave 28 GHz和38 GHz。另一个值得注意的观察从图13是接收信号功率的变化发生在不同的aoa和发生在不同的空间位置。接收到的信号功率的变化在不同的空间位置发现在高频率更大。结果在图13的处理方法(AOA)的90°,表明,在接收信号功率降低了超过10 dB 1 m变化(从5米到6米)38 GHz,而变化是只有大约3 dB 19 GHz在相同的分离距离的变化。另一个观察结果如图13是接收信号功率在最短的距离小于最大的距离,也就是说,在一个农产品协定的270°,接收到的信号功率在大约4 dB小于5米,6米38 GHz。因此清楚的是,这一趋势并不是单调与距离,角度,和频率,因为货币政策委员会建设性和破坏性的现象。

数据(14日)和14 (b)显示标准化的权力和到达时间(TOA)在不同的aoa 28 GHz仿真结果测量在3米和6米的距离,分别。在这里,图14礼物的结果只有4 aoa最高的接收信号功率。图中显示的影响信号到达不同的aoa在相同的传播时间延迟。mpc的图也显示密度测量的仿真结果距离3米,而他们在6米稀疏,如图14 (b)。有趣的观察是比较mpc记录在测量aoa 0°、300°的测量在3 m。从仿真结果图设置2、测量在0°AOA从《测量垂直于传播路径,路径最短的仿真结果。在图(14日)仿真结果测量28 GHz,然而,表明信号在0°AOA测量相比有更高的到达时间价值信号在300°面向方面的处理方法。这个观察显示了严重的建设性和解构主义干涉发生在使用更高mmWave区间通信。我们的结果进一步表明,增加建设性和破坏性的干扰场景的影响在高传播测量的38个GHz乐队,如图15,没有收到信号检测在0°AOA测量,即使它对应于发射机和接收机之间的最短路径仿真结果。第一个38 GHz信号到达接收机的处理方法(AOA)的90°的发生在人物(15日)和300°图15 (b)为测量进行了仿真结果的距离3米和6米,分别。

仿真结果的AOA测量结果场景图13,14,15表明建设性的重大影响,在mmWave传播信号的相消干涉。可以利用这种现象来改善信号接收使用接收器配备先进的信号处理和波束形成技术大幅提高信噪比(信噪比)所需的用户通过使用自适应天线系统和多样性相结合。

28 GHz的角分布参数和38 GHz估计在3米和6米的基础上(9)和(10)。角分布参数表中列出2。注意,RMS角分布和平均角大于6米,那些在3 m的测量频率。这意味着该频道在6米可以有效地用于提供多个天线系统的丰富多样性。

7所示。结论

本文提出了三个不同频段的信道传播特性:19 GHz, 28 GHz, 38个GHz。宽带测量进行了通过使用一个5 g通道探测器芯片率高的1000兆赫。测量数据处理获得信道冲激响应(CIR)通过SAGE算法利用SystemVue软件和MATLAB工具箱。角传播路径损耗,和RMS时延扩散参数的三个调查频段被计算和分析。CI、FI、FA、ABG、CIF模型应用于调查的路径损耗行为三个频段的室内环境。《场景的路径损耗指数被发现在0.6至1.3的范围不同的所有模型测量频率。这些值低于2的自由空间路径损耗指数,因为墙双方的波导效应的走廊。分析时间色散参数表明RMS时延扩展值较低的洛杉矶场景,最早的mpc的最高能量的到来。RMS从13.4°角变化传播到100.5°的仿真结果的场景。最后,到达角的影响(AOA)传播接收功率研究基于仿真结果的情况下进行测量。 We found that the received signal power at the higher frequency band is more sensitive to the AOA variation. It is shown that, within a 1-m receiver movement, the received signal power decreases by up to 11 dB when using the 38 GHz band, and the signal only decreased approximately 3 dB for the 19 GHz band. In future work, to estimate the technology gap between 5G and 4G, it is useful to compare the performance of communicating using 28 GHz and 38 GHz with the LTE frequency band, that is, 2.6 GHz.

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢研究管理中心(RMC)在马来西亚各种大学资助这项工作在批准号Q.J130000.21A2.03E69。此外,作者要感谢马来西亚各种大学(UTM)研究格兰特(嗓音起始时间4 j218)。

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