uiccdoi:10.3969/j.issn.1000-1247.2019.06.007
丁家昕'杨若男彳尹良彳
1.国家无线电监测中心
2.北京邮电大学
m基于时域相关法，利用商用设备，搭建一套完整的室内毫米波信道测量系统。以90GHz毫米波信号的发送和接收为例，对室内环境下多种毫米波通信场景进行测量与建模，得到信道脉冲响应及相应的统计参数，验证了时______域相关法在W频段甚至更高频段的信道测量和建模中的可行性。 \毫米波90GHz信道测量信道建模信道脉冲响应
□引言
近年来，无线电业务迅猛发展，人们对传输速率、传输带宽和传输质戢的要求越来越高.提高系统的传输速率是5G技术发展的核心动力。毫米波频段因具有丰富的频谱资源而受到广泛关注。毫米波是指波长为
1~l()m叫频率为3()~ 300GHz的电磁波。毫米波通信具有通信容量大、安全保密性好、传输质量高等优点，具有广阔的应用前景。然而，毫米波通信易受大气吸收和降雨衰落等影响，通信距离较为受限，并且其直线传播的特性使得毫米波通信较适用于室内。
毫米波信道的测量和建模是当前学术界研究的热点。有学者提岀一种基于自动旋转喇叭天线的28GHz信道探测仪，该信道探测系统可通过时间戳来测量发射机到接收机的相对传播时间；有学者提出一种集随机性模型和确定性模型于一体的基于簇核的模型，该模型复杂度低，簇核数目有限，簇核与真实传播对象具有物理映射关系；有学者在北京是德公司的开放办公室中，进行了26GHz频段、1GHz带宽的LOS (视距)和NLOS(非视距)环境下宽带信道特性的测量，并利用近程截距法和浮体截距法，建立了两种路径损失模型，该路径损失模型对研究波束成形技术具有一定的指导意义；还有学者通过对60GHz典型廊道场景的实际测量，研究了信道参数和相关特性。 390GHz毫米波信道测量和建模技术
2.190GHz室内毫米波系统的建立
90GHz室内毫米波系统模型由：发射机、传播信道和接收机三部分组成，如图1所示。发射机由宽带基带信号源M819OA，微波矢量信号源E8267D、矢量上变频模块和本振信号源SMW200A组成；接收机rfl矢量下变频模块、本振信号源SMW2OOA以及频谱分析仪FSW67组成。发射机中的基带信号源产
生经过数字调制的信号，该信号被微波矢量信号源调制到射频微波频段，再经过混频产生毫米波信号，并被天线发射出去。毫米波信号经过了无线信道的各种影响，被接收机的接收天线接收。接收到的信号在下变频器中与倍频后的本振信号进行混频，生成中频信号，由频谱仪下变频到基带并显示。频谱仪中的VSA软件可对基带信号进行矢量分析。
发射端产生基带信号，基带信号经过上变频生成的发射中频频率为本振信号L。的频率M,.经过混频器上变频后的发射信号Tx的毫米波频率是G*。接收端接收到的毫米波信号Rx的频率是厶*，本振信号LO：的频率是接收到的毫米波信号经过混频器下变频到中频，中频信号的频率是血，中频信号再经过频谱仪下变频变为基带信号。毫米波信号产生和接收的原理如图2所示。各信号频率间的关系见公式(1)~(3)o
Z+=A(1)
Rx人-几(2)
f、*=fz(3)
以9CGHz的毫米波信号传播为例，基带信号源M8190A 产生经过数字调制的基带信号，E8267D将此基带信号调制到中频频率12GHz(虽然是高达12GHz的微波频率，但是在毫米波场景中文中称之为中
频)，然后与本振信号源SMW200A产生的频率为13GHz，并经过6倍频、功率为0的本振信号LO，混频后生成90GHz的毫米波信号。90GHz毫米
图190GHz室内毫米波系统模型波信号经过波导定向天线发射岀去。接收天线收到9()GHz毫米波信号.经过下变频器.与频率为8.5GHz，并经过12倍频、功率为”)dBm的本振信号LC，混频，然后通过滤波器下变频到接收中频信号12GHz，经过FSW的下变频得到基带信号’FSW67中的VSA也可对基带信号进行矢量分析。仪表配置见表1，系统参数见表2，实际搭建的毫米波系统如图3所示。
2.2信道测量及建模技术
信道测量就是指用无线信号在特定传播场景中的系统函数来表征信道。需要观察的系
图2毫米波信号产生原理表290GHz室内毫米波系统基本参数配置
统函数不同，信道测量的方法
就不同。常见的信道测量技术分为频域测量技术和时域测粧技术。在5G系统中，由于大规模天线阵列和波束赋形技术的使用，角度信息成为信道测量中的重要参数。所以，又有一类角度信道测量技术。
频域信道测量技术通常使用矢量网络分析仪测暈岀每个频点的增益，从而测出信道的频率响应函数再通过傅里叶反变换得到信道脉冲响应A(r)，设输入信号为X(fl，接收信号为/0，见公式(4)。
=(4)频域信道测量技术釆用扫频式测址。每次测量需要的时间较长，测量过程中信道可能已发生变化。而时域测量由于需要的时间较短，不会产生上述问题。
时域信道测量采用直接测扯脉冲响应的方法，采用伪随机序列作为信道探测信号。在接收端用已知的序列与原始序列做互相关得到信道冲激响应。
设发射端的发射信号为x(r)，接收端信号为y(r)，信道脉冲响应为h©，其关系见公式(5)…即通过发射信号与接收信号做互相关，可以得到信道的脉冲响应。
(r)=E[x'(t)y(t+x)]=h(T)(5) m序列是伪随机序列的一种。由于m序列具有优良的周期性和自相关特性，利用它作为测量信号可提高测量的最大时延值和测量精度。图4为这种测量方法的示意图。发送端发送一个周期性m序列，经过传输路径到达接收端，比较接收端m序列和发送端的m序列的时延差即可得到传输路径的时延。
2.3技术实现
本次测量中，90GHz 毫米波系统发射机中的宽带基带
信号源M8190A 周期性地发射一个经过QPSK 调制的m 序列.
这是~种由11阶移位寄存器产生的二进制伪随机序列，即
PRBS11 o 该序列被微波矢量信号源调制到射频微波频段，
经过混频并上变频后产生90G H z 毫米波信号。信号在无线信
道中经历了各种可能的影响（包括直射、反射、衍射、散射
等）后被接收天线接收，然后下变频到基带。VSA 软件对该
90GHz 毫米波信号进行矢量分析。将接收到的信号与初始信
号做互相关得到信道脉冲响应。
图3 90GHz 室内毫米波信道测量与建模系统实际搭建示意目数据处理与分析
电热画3.1数据处理方法
根据2.1节所述的测量系统，从接收端的矢量分析软件
VSA 中取岀I 、Q 数据，可以得到接收端PN 序列的复包络频
谱和星座图。用接收到的I 、Q 数据与原始序列做互相关，得
到信道脉冲响应以及信道脉冲响应的功率谱密度。信道脉冲 响应峰值处对应的时延，是接收端m 序列和发送端ni 序列的
互相关时延，即发射端到接收端的传输路径的时延。
求出接收到的I 、Q 数据的功率谱密度，对功率谱密度
积分得岀其功率。由发射功率、接收功率以及天线增益，可 以得出其路径损耗.见公式（6）。Pg 是发射功率，P ”是接 收功率，G ”是发射端天线增益，G ”是接收端天线增益。
（ 6 ）
图4传输路径时延测量示意
场最选择
频率(Hz ) ( x 107)In-Phase ( x 103)
（c ）信道脉冲响应（d ）信道脉冲响应的功率谱密度
结集显示
路径损失（dB ）
-35.3456
路径时延（s ）
9.875e-07
图5实验结果示意
表3不同的测量场景
场景1天线相距一定距离，发射信号从发射天线直接到达接收天线
手机转轴场景2天线相距一定距离，发射天线和接收天线正中间立有树枝
场景3天线相距一定距离，发射天线和接收天线正中间立有塑料棍
场景4天线相距一定距离，发射天线和接收天线正中间立有1张A4纸
场景5天线相距一定距离，发射天线和接收天线正中间立有5张A4纸
场景6天线相距一定距离，发射天线和接收天线正中间立有20张A4纸
场景7发射信号从发射天线发射，经过镜面反射，被接收天线接收表4不同场景的路径损耗和相对时延
对比项路径损耗（dB）相对时延（》s）
场景1-35.34560.9875
场景2-39.4707 1.1000
场景3-42.71510.8625
场景4-35.50170.9750
场景5-35.5625 1.0000
安全带插销场景6-36.5911 1.1125
场景7-34.8614 1.0625
3.2数据结果及分析
按照3.1所述的测量方法，对视距场景的数据进行处理，计算岀的路径损耗符合自由空间路径损耗。自由空间路径损耗的计算见公式（7）。
^=32.45+201飢加+2（）1妙州（7）为自由空间路径损耗，是发射机和接收机之间的距离，心血是发射信号的频率。
90GHz毫米波信道测量与建模实验共测量了7种不同的场景，见表3。对每种场景可分析其复包络的频谱、散点图以及信道脉冲响应和信道脉冲响应的功率谱密度，并得出路径损耗和相对时延。实验结果如图5所示。
对每种闕的報损勵口昭时行蜉里，具体见表4。pmoled
测量及建模数据发现，在发射机和接收机之间，如果有A4纸遮挡，不管A4纸的厚度变化多大，与视距的无任何障碍物情况相比，路径损耗以及相对时延非常接近。这说明9（）GHz电磁波对纸的穿透能力非常强。对于每种场景的信道脉冲响应还可以进一步提取特征参数，进而可以对有差异的无线信道进行识别。□结束语
文中采用时域相关信道测量技术，对90GHz室内毫米波信道进行了信道建模和测量，并得到了不同信道条件下的脉冲响应、路径损耗和相对时延等参数。文中提出的方法适用于W频段甚至更高频段的信道测量和建模。
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丁家昕
现任国家无线电监测中心高级工程师、频谱工程处处长，2014年获国务院政府特殊津贴，主要研究方向为频谱工程、频谱管理、无线通信等。
杨若男
硕士，毕业于北京邮电大学，主要研究方向为毫米波信道测量。
尹良
北京邮电大学博士，硕士生导师，主要研究方向为毫米波信道测量、频谱共存、软件无线电等。
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