《5G NR物理层技术详解：原理、模型和组件 》 —3.3.5　方向域测量

3.3.5　方向域测量

正如3.1.2节和3.3.1.4节所指出的，在毫米波范围的高频移动通信需要发射和接收天线采用可定向发射的天线技术。这是由于全向接收天线的孔径与载波波长的平方成正比，因此相应的传输损耗允许的传输链路距离很短。出于这个原因，深入了解无线传播信道的方向特性很有必要，尤其是在高频。本节介绍在某些所选场景下，宽频范围无线信道的高分辨率试验特性。

图3-25　时延扩展模型（公式（3-29））拟合到mmMAGIC信道测量及相应的3GPP模型。虚线表示mmMAGIC 95％的置信区间

3.3.5.1　60 GHz下室内办公室宽带结果

图3-26所示为室内办公室场景下58.7 GHz的信道测量数据，使用了3.3.2.1节中描述的谱分析法。为此在链路的发射和接收端使用垂直偶极子（2 dBi增益）天线对信道进行采样。通过3D天线定位机器人提供的大小为25×25×25 = 15 625个天线单元的虚拟天线阵列获得空间样本，空间采样距离为0.4个波长。

图3-26　上图：测量场景，其中Rx和Tx天线链路之间的用于NLoS测量的白板用垂直线标记；下图： LoS和NLoS测量的方向功率谱，其中白板轮廓在NLoS图中用黑线表示

测量在室内办公环境中进行，Tx-Rx之间距离为1.5 m，工作频段为57.68～59.68 GHz，在LoS和NLoS两种条件下进行。在进行NLoS测量时，在Tx和Rx天线之间放置2 m×1.2 m大的金属白板。Tx和Rx的位置在LoS和NLoS测量中保持相同。图3-26所示为LoS和NLoS测量的全方向谱。由于LoS测量距离较短，因此直接路径占据主导。相对于LoS测量，NLoS测量在空间上方向分布更丰富，在不同的方向有大约十条左右的强径。然而，除了直接路径和白板阻挡的很少的几条强径之外，这两个测量显示出非常相似的方向特性。在比较光滑（扩散）的背景上，信道似乎是由一些明确方向性的路径合成。似乎在所有方向上都有丰富的漫射路径分布，除了与空无一物的地板（没有家具）相对应的方向之外。

在图3-27中，显示了LoS和NLoS情况下首先到达路径的功率时延分布。首先到达路径在LoS场景中显然占主导地位，而后续的反射路径则在NLoS场景中占主导地位。然而，由于白板上边缘的衍射，在NLoS场景下也存在早期路径，相对于LoS路径被抑制了约40 dB。还有稍晚到达的路径，在白板的下边缘被衍射。在图3-27中的全景照片之上显示了这两种衍射路径。

图3-27　LoS和NLoS的功率时延分布（左上图）以及在全景照片上的首个到达路径的方向分布

在分析功率时延分布的4号强峰值时，如图3-28所示，很显然，有一些重要的散射体，如桌子上的物体和书架。还有一些经过窗户和墙壁强反射的路径。比较LoS和NLoS情况，很明显NLoS图中缺少一些高功率的方向，因为相应的路径被白板阻挡。因此，可以得出一个重要的结论，是基于房间几何形状的简单射线跟踪不能模拟由房间内的家具和其他物体引起的富散射。

3.3.5.2　室内办公室多频结果

将上一节的测量结果进行扩展，增加了两个较低的频率5.8 GHz和14.8 GHz。为了能够对所有频率的测量结果进行对比，在所有测量和分析中都需要满足3.3.2.3节的要求。为此，在分析中已经对不同频率的测量带宽进行均衡，这意味着14.8 GHz和58.7 GHz测量数据减少到与5.8 GHz测量数据相同的带宽，都是150 MHz。由于高频可用的带宽要大得多，因此镜面尖峰在较高频率下被放大，这种均衡对于避免功率时延分布的镜面尖峰的影响非常重要。而且，58.7 GHz的测量还受到氧气吸收引起的衰减影响。为了提供适用于频率一致性的信道建模和插值的结果，在分析中，在该频率通过以每100 m传播距离补偿1.5 dB的功率时延分布来消除这种衰减。应该注意的是，虽然链路距离本身并不能激励这种补偿，散射路径的传播距离可能明显更长，如图3-31所示。

图3-28　LoS和NLoS（上图）的功率时延分布以及在全景照片之上的NLoS最强路径的方向分布

LoS场景设置与上一节中的相同。在NLoS测量中，Rx天线被放置在办公空间尽头的一个小厨房里（见图3-29）。在NLoS情况下的Tx和Rx天线之间的距离为14 m。应该注意的是，NLoS场景仅在5.8 GHz和14.8 GHz进行了测量，原因是在测量活动中间，有段时间不允许进入室内环境。所有频率的方向功率谱都惊人地相似。在LoS图中观察到一个与频率有关的小差异，即在零度仰角附近信号功率较强，在5.8 GHz最明显， 在14.8 GHz最不明显。这种差异可以通过窗户的反射来解释，在5.8 GHz处窗户的反射比在其他频率处高很多。NLoS图与LoS图的其中一个差异是主峰周围的漫射簇更集中，有不止一条强方向（径）。另外，接收功率相对于自由空间传播衰减约20 dB。与LoS场景一样，两个测量频率的曲线图仍然惊人地相似。另外一个观察到的频率相关的差异是方位角–50度处的峰值，在5.8 GHz较强，而在14.8 GHz处较弱。对于方位角为–75度的峰值，观察到相反的效果，峰值功率在14.8 GHz时较强，而在5.8 GHz时较弱。这也是受频率依赖性的窗户衰减/反射的影响。

图3-29　左下图：测量场景；左上图和左中图：不同频率NLoS的方向功率谱；右图：不同频率的LoS测量

根据3.2.3节的旋转不变定义，为不同的场景和频率可以确定方向扩展dir。在图3-30中展示了LoS场景下,方向扩展与传播距离的关系以及相应的功率时延分布。这再一次表明不同频率的分布有多相似。图中所示的方向扩展仅仅包括了功率传播距离的分布，只有在相应传播距离上接收到的信号强度在噪底之上才会包含。基本上在所有频率上都观察到相同的特性。对于LoS尖峰区域，扩展很窄，大约在5度左右。而对其他时延，扩展通常在57.3度饱和，根据定义这是最大可能的扩展，如3.2.3节所示。而对应于发生强反射的几个时延，方向扩展收窄。另一个观察到的明显特点是仰角扩展很快衰减到很小的值。对于较长的时延，方向扩展主要是在x维度，也就是房间尺寸较长的维度。除了较短的时延，不同维度的方向扩展似乎与相应房间长度成正比。可能的解释是较小的房间尺寸，功率衰减得更快，因为墙壁、地板和天花板更频繁地相互作用，导致方向扩展较小。

图3-31为NLoS场景。其特性非常类似于LoS场景。从图中观察到的一个主要现象是，在14.8 GHz传播距离为60 m处有强烈的回波，而在5.8 GHz并未观察到。这个差异的原因是在不同频率窗户的反射/衰减不同。这是由于房间窗户三层玻璃（非金属镀膜）造成的影响。信号在窗户的各层之间多次反射，因此当穿透窗户时，不同频率衰减的程度就有差异。专用的窗户衰减测量，与信道测量结合，显示出在14.8 GHz处的窗户衰减可以忽略不计，而对于5.8 GHz信号窗户衰减约为10 dB。假设14.8 GHz处的强回波是由于路径通过一个窗户出去，然后被邻近的建筑物反射回来，再次通过另外一个窗户到达接收端，这就正好解释了（与5.8 GHz频段相比）20 dB的功率差，刚好是5.8 GHz窗户衰减的两倍。这也解释了当较强无线电波经过邻近建筑物反射，从外面进入房间，为什么在y方向的方向扩展时延会增加，因为沿着房间y维传播的电波功率也随之增加。

图3-30　左图和右上图：LoS场景中，三种不同频率下测量的方向扩展与传播距离的关系；右下图：对应的功率传播距离分布。功率传播距离分布归一化为1.5 m处自由空间的功率

图3-31　NLoS场景中三种不同频率测量的方向扩展与传播距离的关系（左图和右上图）和对应的功率传播距离分布（PPDP）（右下图）。功率传播距离分布归一化为14 m处的自由空间功率

图3-32所示为总方向扩展，对应于所有时延的功率总和（使用如图3-29所示的角度分布）。与5.8 GHz和14.8 GHz相比，由于58.7 GHz的LoS链路距离较短（1.5 m），相对较强的LoS峰值在方向扩展（扩展较小）中引入了偏差。为了消除这种偏差，在分析中将58.7 GHz的LoS峰值引入2.5 dB衰减。没有观察到明显的频率趋势。所有频率的特征都非常相似，仰角扩展较小，在10度左右，而x和y维度的方向扩展明显更大，在20～40度之间。此外，对于NLoS场景，y维中的方向扩展明显更大，因为对于14.8 GHz，路径是从建筑物出来然后经过相邻建筑物反射再次进入，而对于5.8 GHz是因为窗户的强反射。

图3-32　对于不同测量场景的总方向扩展与载波频率的关系（上图）；不同测量场景的时延扩展与载波频率的关系（下图）。左上图显示了普通RMS方位角和仰角扩展；右上图则显示了根据3.2.3节新改进定义的方向扩展

3.3.5.3　5 GHz下城市宏蜂窝室外结果

城市室外宏蜂窝场景中的测量活动如图3-33所示，在5.25 GHz使用的带宽为

200 MHz[18]。在BS使用定向贴片天线，天线增益为7 dBi（90安ㄊ矶龋┎⒉捎么怪奔；魅颂煜叨ㄎ幌低成捎?0×25个单元（Nhorizontal×Nvertical）组成的虚拟平面阵列，天线单元间距2 cm（0.35），定位系统可提供优于0.1 mm的空间精度。在终端（UE）采用普通的垂直偶极天线。基于3.3.2.2节和参考文献[17]中描述的超分辨率法对测量数据进行分析。

因为天线定位系统对于天线位置的每次改变，都需要花费大约1 s，因此单个UE位置的测量总时间约为7 min。而且，因为在测量过程中有风，因此一些大型树木的晃动影响了测量数据。在特定的时延和到达/离开方向上，由于树木晃动造成的时变，无线电波会出现失真。时变导致的结果是，这些散落在树丛中的无线电波的功率主要呈现出角度随机分布特性，即类似噪声。剩余的相干功率经树木散射后也相应减小，意味着树木的影响被低估。

图3-33　测量场景的照片

对于每个UE位置，估计了N = 500个波。如参考文献[18]中所述，通过找到噪底以上角度域的峰值对估计进行初始化。并且设定估计误差的标准偏差要求：角度小于40度，传播距离小于20 m。相应的功率时延分布如3.3.2.2节的图3-13所示，显示出测量信道功率的主要估计。为确保得到一个很可靠的结果，分析的前提是基于路径估计的标准偏差仰角小于2度，并且方位角小于4度。如图3-34所示，估计的平面波叠加在全局照片上。很明显，主径在屋顶上方衍射或从相邻建筑物反射。似乎在LoS条件下BS和UE的主要传播机制都是从相邻建筑物的反射。在一些UE位置（比如UE位置７）屋顶上方的衍射似乎也很重要。

图3-34　从屋顶BS位置拍摄的全景照片，上面叠加了估计的路径。用三角表示UE位置的方向。应当注意到，UE位于NLoS下，因此对BS是不可见的

根据3.2.3节中定义的方向扩展如图3-35所示。在这种情况下，z方向上的扩展非常类似于普通的仰角扩展，水平面扩展与一般性方位角扩展非常相似。z方向（仰角）扩展非常小，在1～4度范围内，而在水平面（方位角）扩展介于7～30度之间。

图3-35　在z方向和水平（x / y）平面上方向扩展的CDF