《5G NR物理层技术详解：原理、模型和组件 》 —3.3　试验信道特性

3.3　试验信道特性

前一节奠定了无线电波传播的理论基础。本节主要是通过试验结果，加深理解和表征真实的移动通信传播信道。为此，需要了解测量技术和分析方法。为了能够完整地表征信道，频率–时延域和多普勒–时域都不可或缺。此外，为了更好地理解和使用天线特性（比如方向图、波瓣宽度和MIMO），还需要信道在空间/方向域进行表征。然而，如上节所述，空间/方向域实际上等效于多普勒–时域。本节将对这些方面做深入讨论。

3.3.1　测量技术

目前有几种或多或少具有先进性的传播测量技术。相应的硬件设计可能会非常复杂。在此会对最常用于测量无线信道响应和传输损耗的设备类型和技术做简要描述。

3.3.1.1　连续波

连续波（Continuous Wave，CW）方法通常仅用于测量传输损耗。它是基于以固定频率发送正弦波信号并在接收机使用窄频滤波器。与高发射功率和接收机的低噪声放大器相结合，从而可能获得非常高的灵敏度。硬件方案通常相对紧凑且简单，可实现以快速方便的方式对大面积范围内不同信号强度进行广泛采样。然而，有一个缺点是，没有解决信道的多径问题，从而导致较大的空间衰落。

图3-9显示了在非视距（NLoS）条件下的街道微蜂窝测量路线中一个5.1 GHz的测量CW信号。为了减少多径引起的衰落，采用了每1.7 m进行滑动平均。

3.3.1.2　矢量网络分析仪

与CW测量相比，矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，VNA）支持最大可能的测量带宽。其基本原理是对超过预定义带宽的信道进行频率扫描采样。为了能够在时延域中提供相应的信道响应，可以很方便地采用离散傅里叶变换（DFT）方法。因为VNA的测量原理是基于测量发射信号和接收信号之间的完全相干比，因此发射机和接收机天线必须通过射频电缆连接到VNA。优点是接收信号与发送信号完全同步，因而可以进行绝对时延测量和长时间的相干平均来抑制噪声。一个实质性的缺点是移动性受到射频线缆的限制。而且，单个频率扫描也许需要几秒钟的时间，具体取决于接收机的SNR，这就需要链路两端是静止的。另一个缺点是范围受限，主要是受到射频电缆对信号衰减的影响，根据频率不同，每米衰减可能有几个dB。然而，通过用光纤替换射频电缆，以及射频光电转换器，测量范围可以极大扩展到很多公里。在图3-10中，针对NLoS微蜂窝街道场景，测量在58.7 GHz的信号带宽为2 GHz的信道响应[22]。在这个具体的测量中，采用光纤将测量范围扩展到100 m以上。大带宽可以解析此信道富多径的大部分分量。

图3-9　NLoS条件下街道微蜂窝在5.1 GHz测量的连续波

图3-10　NLoS条件下街道微蜂窝在58.7 GHz测量的VNA信道， BW为2 GHz。图示了基带功率时延分布与通带中的信道响应

3.3.1.3　基于相关性的信道探测

基于相关性的信道探测器的主要优点是它们都是移动的和宽带的。为此，定期发送专用的探测信号，然后在接收机根据时延进行相关运算。通常，OFDM或伪随机序列与时延滑动相关器一起使用。该技术支持移动和宽带测量。需要在信道采样率和噪声抑制之间取得折中。而且，因为发送信号的相位和幅度都被调制，会受限于放大器的非线性。参考文献[32，15]中对此类设备有更详细的介绍。

3.3.1.4　方向特性

当载波频率进入到毫米波范围时，信道传播的方向特性将更为重要。由于天线孔径减小使得传输损耗大幅增加，在这些频率上使用全向天线将会大大缩小覆盖范围。因此，需要波束赋形技术在传播方向上集中传输和接收，将损耗减到最小。为达到此目的，在传播测量中主要有两种基本的方法。

第一种方法是使用物理定向天线（如喇叭和抛物面反射器天线），它们在仰角和方位角上旋转以扫描空间角度。这种方法对时变信道条件不敏感，因此适用于CW和基于相关性的信道探测。

第二种方法是使用所谓的虚拟天线方法。该方法利用传播信道的空间采样，通过机器人天线定位系统将单个物理天线移动到不同的空间位置。然后通过阵列天线技术离线确定测量信道的方向特性。这种方法的优点是可以获得非常高的分辨率和对天线旁瓣有很好的抑制。缺点是空间采样意味着测量的时间很长，对于大型天线阵列测量时间可达数小时，因此需要发射机和接收机相位锁定以及静态信道条件。这个方法适用于基于VNA的信道探测。