5G及迈向6G的毫米波通信系列 第2篇:毫米波信道建模
摘要
本文将带你深入了解毫米波信道的建模方法及其关键特性,帮助你掌握毫米波信道与Sub-6GHz信道的核心差异。你将学到多天线衰落模型、大尺度参数(路径损耗、阴影衰落、视距概率)、小尺度参数(时延扩展、角度扩展、多径簇)、材料穿透特性以及人体遮挡影响等内容。
本文由”51学通信”(公众号:51学通信,站长:爱卫生)原创分享。如需深入交流或获取更多通信技术资料,欢迎添加微信:gprshome201101。
学习目标
阅读完本文后,你将能够:
- 信道建模能力:能够理解毫米波信道的建模方法和关键参数
- 传播分析能力:能够分析毫米波信道的大尺度和小尺度特性
- 损耗评估能力:能够计算路径损耗、评估遮挡效应
- 场景适应能力:能够根据不同场景选择合适的信道模型
一、毫米波信道建模概述
1.1 信道建模的重要性
准确的信道建模是无线通信系统设计和性能评估的基础。对于毫米波系统而言,信道建模尤为重要,原因包括:
- 传播特性独特:毫米波的传播特性与传统频段有显著差异
- 设计依赖性强:波束成形、大规模MIMO等关键技术高度依赖信道特性
- 性能评估需要:系统性能评估和优化需要准确的信道模型
- 标准制定基础:3GPP等标准组织的性能评估需要统一的信道模型
51学通信认为:毫米波信道建模的核心挑战在于如何准确描述其独特的传播特性,如稀疏多径、方向性强、遮挡敏感等。传统的Sub-6GHz信道模型无法直接适用于毫米波频段,需要开发专门的毫米波信道模型。
1.2 信道建模方法分类
无线信道建模方法主要分为三类:
flowchart TD Channel[信道建模方法] --> Empirical[经验性模型<br>基于实测数据] Channel --> Physical[物理模型<br>基于电磁传播原理] Channel --> Stochastic[随机性模型<br>基于统计分布] Empirical --> E1[ COST-2100模型] Empirical --> E2[ 3GPP TR 38.901模型] Empirical --> E3[ ITU-R M.2412模型] Physical --> P1[ 射线追踪模型] Physical --> P2[ 地形数据库模型] Stochastic --> S1[ 3GPP SCM模型] Stochastic --> S2[ WINNER模型] Stochastic --> S3[ NYUSIM模型] style Channel fill:#e1f5fe style Empirical fill:#c8e6c9 style Physical fill:#fff9c4 style Stochastic fill:#e1bee7
图表讲解:这张图展示了无线信道建模的三大类方法。经验性模型基于大量实测数据,通过统计分析得到模型参数,包括COST-2100、3GPP TR 38.901和ITU-R M.2412等。物理模型基于电磁波的传播原理,考虑环境几何信息,包括射线追踪和地形数据库等方法。随机性模型基于统计分布描述信道参数,包括3GPP SCM、WINNER和NYUSIM等。对于毫米波系统,3GPP TR 38.901模型和NYUSIM模型是最常用的两个模型。理解这些模型的适用场景和特点,对于系统设计和性能评估至关重要。
1.3 毫米波信道的关键特性
毫米波信道与传统Sub-6GHz信道相比,具有以下关键特性:
| 特性维度 | Sub-6GHz信道 | 毫米波信道 | 差异影响 |
|---|---|---|---|
| 多径丰富度 | 非常丰富,多径数量多 | 相对稀疏,多径数量少 | 信道估计复杂度降低 |
| 角度扩展 | 较大,信号来自多个方向 | 较小,信号方向集中 | 空间相关性更高 |
| 时延扩展 | 较大,可达数微秒 | 较小,通常<100ns | 可支持的OFDM子载波间隔更大 |
| 路径损耗 | 相对较小 | 显著更大 | 覆盖范围受限 |
| 人体遮挡 | 影响较小 | 影响显著 | 移动性挑战增加 |
| 穿透能力 | 可穿透墙壁 | 难以穿透固体 | 室内覆盖需要专门方案 |
| 视距概率 | 相对较高 | 较低,环境依赖性强 | NLOS场景更常见 |
这些特性差异意味着毫米波系统需要采用与Sub-6GHz不同的设计方案,包括更鲁棒的波束管理、更强的链路余量、以及更密集的部署策略。
二、多天线衰落模型
2.1 衰落的基本概念
无线信道中的衰落是指接收信号功率的随机波动,这种波动是由多径传播、多普勒频移等因素引起的。衰落通常分为大尺度衰落和小尺度衰落:
大尺度衰落包括路径损耗和阴影衰落,描述信号功率在较大距离范围内的平均变化趋势。路径损耗是距离的函数,通常按照距离的幂次律衰减;阴影衰落是由大型障碍物(如建筑物、地形)遮挡引起的,通常服从对数正态分布。
小尺度衰落描述信号功率在波长尺度范围内的快速波动,是由多径传播的 constructive 和 destructive 干涉引起的。在多天线系统中,小尺度衰落还与天线阵列的几何结构和信号角度分布有关。
2.2 多天线信道的数学模型
考虑一个配备根发射天线和根接收天线的MIMO系统,其信道矩阵可以表示为:
其中:
- 是多径数量
- 是第条多径的复增益
- 和分别是接收和天线阵列的响应向量
- 和分别是接收和出发的方位角和俯仰角
对于毫米波信道,多径数量通常较小(典型值为3-10),这与Sub-6GHz信道的几十甚至上百条多径形成鲜明对比。
51学通信提示:毫米波信道的稀疏多径特性既是挑战也是机遇。挑战在于可用的空间分集增益有限;机遇在于信道估计复杂度降低,波束成形设计可以更加简化。
2.3 角度功率谱
角度功率谱(PAS)描述了信号功率在不同角度上的分布。在毫米波频段,角度功率谱通常更加集中,主要能量集中在几个特定的方向上。
常见的角度功率谱模型包括:
- 均匀分布:功率在角度范围内均匀分布
- 高斯分布:功率在中心角度附近集中分布
- 拉普拉斯分布:功率在中心角度附近更加集中
- 截断高斯分布:限制角度范围的高斯分布
flowchart TD subgraph PAS[角度功率谱类型] direction LR Uniform[均匀分布<br>全向覆盖] Gaussian[高斯分布<br>中等集中] Laplacian[拉普拉斯分布<br>高度集中] TruncGaussian[截断高斯<br>有限范围] end subgraph Apply[应用场景] SC1[Sub-6GHz: 均匀/高斯] SC2[毫米波NLOS: 高斯/拉普拉斯] SC3[毫米波LOS: 高度集中] end PAS --> Apply style PAS fill:#e1f5fe style Apply fill:#fff3e0 style Uniform fill:#c8e6c9 style Laplacian fill:#ffcdd2
图表讲解:这张图展示了不同类型的角度功率谱及其应用场景。均匀分布对应全向覆盖,适用于Sub-6GHz的某些场景;高斯分布表示功率在中心角度附近集中分布,适用于一般的毫米波非视距场景;拉普拉斯分布表示更加集中的角度分布,适用于毫米波视距场景;截断高斯分布则限制在有限的角度范围内。对于毫米波系统,角度功率谱的形状直接影响波束成形的设计:更加集中的角度功率谱允许使用更窄的波束,从而获得更高的增益;而更宽的角度功率谱则需要更宽的波束或更多的波束来覆盖。理解角度功率谱特性对于毫米波系统的设计至关重要。
三、大尺度参数
3.1 路径损耗模型
路径损耗模型描述接收信号功率随距离变化的平均规律。对于毫米波频段,最常用的路径损耗模型是Close-in自由空间参考距离模型:
其中:
- 是参考距离(通常取1米或10米)处的路径损耗
- 是路径损耗指数
- 是收发距离
- 是阴影衰落,服从零均值高斯分布
路径损耗指数取决于传播环境:
- 自由空间:
- 城市环境:
- 密集城区:
- 室内环境:
51学通信建议:在实际网络规划中,建议使用3GPP TR 38.901中定义的路径损耗模型,该模型针对不同频段、不同场景(UMa、UMi、RMa、InH等)给出了详细的路径损耗公式和参数。对于28GHz频段,典型城市环境(UMi)的路径损耗指数约为3.5。
3.2 视距概率模型
视距(LOS)概率是指在给定距离下,收发之间存在视距路径的概率。毫米波频段的视距概率通常低于Sub-6GHz,且对环境特性更加敏感。
3GPP TR 38.901中定义的视距概率模型为:
Urban Micro (UMi)场景:
Urban Macro (UMa)场景:
其中是收发距离(米)。
flowchart LR D[距离] --> LOS_P[视距概率计算] LOS_P --> UMi[UMi: PLOS = min18/d1] LOS_P --> UMa[UMa: PLOS = min18/d1] UMi --> C1[近距离<br>d < 18m: PLOS = 1] UMi --> C2[中距离<br>18m < d < 200m: PLOS下降] UMi --> C3[远距离<br>d > 200m: PLOS接近0] style D fill:#e1f5fe style LOS_P fill:#fff9c4 style C1 fill:#c8e6c9 style C3 fill:#ffcdd2
图表讲解:这个流程图展示了3GPP视距概率模型的计算逻辑。对于城市微蜂窝(UMi)场景,当距离小于18米时,视距概率为100%;随着距离增加,视距概率逐渐下降;当距离超过200米时,视距概率接近于0。城市宏蜂窝(UMa)场景的视距概率下降更快,在100米左右就已经接近于0。这个模型反映了毫米波的实际传播特性:在短距离内视距传播占主导,但随着距离增加,建筑物遮挡使得视距传播变得不太可能。理解视距概率对于网络规划和链路预算至关重要:对于视距概率高的场景,可以采用更积极的调制编码策略;而对于视距概率低的场景,需要预留更多的链路余量。
3.3 材料穿透特性
毫米波的穿透能力较差,不同材料对毫米波的衰减差异很大。了解材料的穿透特性对于室内覆盖规划和链路预算设计非常重要。
常见材料对28GHz毫米波的穿透损耗如下:
| 材料类型 | 穿透损耗 (dB) | 说明 |
|---|---|---|
| 标准玻璃窗 | 3-6 | 清洁玻璃损耗较小 |
| Low-E玻璃窗 | 20-30 | 金属氧化物涂层导致高损耗 |
| 混凝土墙 | 30-40 | 基本不可穿透 |
| 砖墙 | 25-35 | 基本不可穿透 |
| 干墙 | 6-10 | 可穿透,损耗中等 |
| 木材门 | 4-8 | 可穿透,损耗较小 |
| 人体 | 15-25 | 显著遮挡效应 |
从表中可以看出,Low-E玻璃(低辐射玻璃,常用于现代建筑的节能窗)对毫米波的衰减高达20-30dB,这严重影响了室内覆盖质量。因此,在毫米波网络规划中,需要特别注意建筑物的玻璃类型,并考虑采用室内覆盖方案来穿透Low-E玻璃的障碍。
51学通信提示:人体的遮挡效应在毫米波频段尤为显著,人体造成的衰减可达15-25dB。这意味着当用户手持终端时,人体会阻挡部分信号路径,导致接收功率大幅下降。这个效应需要通过终端的多天线设计或用户姿态改变来缓解。
3.4 人体遮挡效应
人体遮挡是毫米波系统面临的一个特殊挑战。由于毫米波波长较短,人体对信号的遮挡效应更加明显。研究表明:
- 遮挡损耗大:人体造成的遮挡损耗可达15-25dB
- 自遮挡效应:用户手持终端时,用户身体会阻挡部分信号
- 动态遮挡:移动用户和环境中的人体移动会导致动态遮挡
- 频率相关性:频率越高,遮挡效应越明显
人体遮挡模型通常基于测量数据,考虑以下因素:
- 遮挡角度:信号路径与人体平面的夹角
- 遮挡距离:信号穿透人体的距离
- 频率:毫米波频段的遮挡效应更显著
sequenceDiagram autonumber participant gNB as 基站 participant UE1 as 用户1(被遮挡) participant Body as 人体 participant UE2 as 用户2(视距) Note over gNB,UE2: 人体遮挡场景 gNB->>Body: 1. 发射毫米波信号 Body->>Body: 2. 信号被人体部分吸收/反射<br>损耗: 15-25dB Body->>UE1: 3. 绕射信号到达<br>功率显著降低 gNB->>UE2: 4. 直射路径无遮挡<br>功率正常 UE1->>UE1: 5. 需要切换波束<br>或调整位置 UE2->>UE2: 6. 享受优质服务 Note over gNB,UE2: 遮挡导致用户体验差异
图表讲解:这个序列图展示了人体遮挡场景下的信号传播过程。基站发射毫米波信号,当信号路径上存在人体时,信号会被人体部分吸收和反射,造成15-25dB的额外损耗。被遮挡的用户接收到的绕射信号功率显著降低,可能需要切换到其他波束或调整位置来恢复连接。与此同时,处于视距位置的用户则可以享受正常的服务质量。这个场景说明了毫米波系统中人体遮挡的挑战:用户的简单移动(如转身、走动)可能导致接收质量的剧烈变化。因此,毫米波系统需要设计鲁棒的波束管理机制,能够快速检测和响应遮挡情况。
四、小尺度参数
4.1 时延扩展
时延扩展描述了多径信号到达时间的分散程度,通常用均方根时延扩展(RMS Delay Spread)来量化。时延扩展直接影响系统的频率选择性衰落特性和可支持的符号长度。
毫米波信道的时延扩展通常小于Sub-6GHz信道:
| 环境 | Sub-6GHz时延扩展 | 毫米波时延扩展 |
|---|---|---|
| 室内NLOS | 20-100ns | 10-50ns |
| 室外NLOS | 50-500ns | 20-100ns |
| 室外LOS | 10-50ns | 5-20ns |
较小的时延扩展意味着:
- 频率选择性较弱:可以使用更大的子载波间隔
- 循环前缀较短:可以提高频谱效率
- 均衡复杂度降低:简化接收机设计
4.2 角度扩展
角度扩展描述了多径信号到达角度(或出发角度)的分散程度,包括方位角扩展(ASA)和俯仰角扩展(ESA)。角度扩展直接影响空间相关性和波束成形性能。
毫米波信道的角度扩展通常小于Sub-6GHz信道:
| 环境 | Sub-6GHz角度扩展 | 毫米波角度扩展 |
|---|---|---|
| 室内NLOS | 30-60度 | 10-40度 |
| 室外NLOS | 20-50度 | 5-30度 |
| 室外LOS | 5-15度 | 2-10度 |
较小的角度扩展意味着:
- 空间相关性更高:相邻天线之间的相关性更强
- 波束成形增益更高:可以形成更窄的波束
- 空间复用能力受限:可支持的空间流数量较少
51学通信认为:毫米波较小的角度扩展是一把双刃剑。一方面,它允许形成高增益的窄波束,有利于克服路径损耗;另一方面,它限制了空间复用能力,需要通过其他技术(如极化复用、用户调度)来提升系统容量。
4.3 多径簇结构
实际测量表明,毫米波信道的多径成分通常以簇的形式存在。每个簇由若干条时延和角度相近的多径组成,具有特定的功率、时延、角度特性。
多径簇的建模参数包括:
- 簇数量:通常3-8个簇
- 簇功率:服从指数分布
- 簇时延:服从指数分布或泊松分布
- 簇角度:在空间上服从均匀分布或特定分布
3GPP TR 38.901模型中采用聚类模型来描述多径簇结构,每个簇由一个主径和若干子径组成,簇的时延和角度按照特定的概率分布。
flowchart TD Tx[发射端] --> Cluster1[簇1: 主径 + 子径<br>功率最大] Tx --> Cluster2[簇2: 主径 + 子径<br>功率次之] Tx --> Cluster3[簇3: 主径 + 子径<br>功率较小] Cluster1 --> Rx[接收端] Cluster2 --> Rx Cluster3 --> Rx Cluster1 -.->|簇间特性| Note1[时延差: 数十ns] Cluster2 -.-> Note1 Cluster3 -.-> Note1 Cluster1 -.->|簇内特性| Note2[时延差: 数ns<br>角度差: 数度] Cluster2 -.-> Note2 Cluster3 -.-> Note2 style Tx fill:#e1f5fe style Rx fill:#e1f5fe style Cluster1 fill:#c8e6c9 style Cluster2 fill:#fff9c4 style Cluster3 fill:#ffcdd2
图表讲解:这张图展示了毫米波信道的多径簇结构。发射端的信号经过不同路径传播后,在接收端形成多个多径簇。每个簇包含一条主径和若干条子径,簇内的多径在时延和角度上非常接近(时延差约数纳秒,角度差约数度),而不同簇之间有明显的时延差(数十纳秒)。多径簇的功率通常按照指数分布,第一个簇的功率最大,后续簇的功率依次递减。理解多径簇结构对于设计接收机算法非常重要:簇间时延差较大,需要考虑频率选择性衰落;簇内时延差很小,可以视为平坦衰落。此外,多径簇结构也影响波束成形设计:对于不同的簇,可能需要使用不同的波束方向。
五、毫米波信道模型实例
5.1 3GPP TR 38.901模型
3GPP TR 38.901是5G NR系统性能评估的标准信道模型,包含对毫米波频段的支持。该模型的主要特点包括:
- 场景覆盖全面:涵盖Urban Macro、Urban Micro、Rural Macro、Indoor Hotspot等场景
- 频率范围广泛:支持0.5-100GHz频段
- 基于测量数据:模型参数基于大量的实际测量数据
- 支持大规模MIMO:支持三维MIMO和波束成形
- 兼容性良好:与3GPP之前的信道模型保持兼容
51学通信建议:在进行5G毫米波系统设计和性能评估时,建议优先使用3GPP TR 38.901模型。该模型是标准化的,可以保证不同厂家和不同研究机构的结果具有可比性。
5.2 NYUSIM模型
NYUSIM是纽约大学无线研究中心开发的毫米波信道仿真器,支持广泛的频段(2-73GHz)和场景(室内、室外、移动)。该模型的主要特点包括:
- 基于实测数据:基于纽约等地的实际测量数据
- 支持双移动性:同时考虑基站和终端的移动性
- 详细的阻挡模型:包含人体、车辆、建筑物等的遮挡模型
- 开源实现:提供MATLAB和Python的开源实现
NYUSIM模型特别适合研究毫米波信道的传播特性和遮挡效应,是学术界广泛使用的毫米波信道仿真器。
5.3 模型对比与选择
| 模型 | 开发机构 | 频率范围 | 主要特点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 3GPP TR 38.901 | 3GPP | 0.5-100GHz | 标准化、场景全面 | 系统性能评估 |
| NYUSIM | NYU Wireless | 2-73GHz | 基于实测、遮挡详细 | 学术研究 |
| METIS | METIS项目 | 2-86GHz | 双移动性、地图 based | 5G系统设计 |
| QuaDRiGa | 弗劳恩霍夫研究所 | 0.5-100GHz | 地图 based、可扩展 | 精确规划 |
选择信道模型时需要考虑:
- 研究目的:标准化评估用3GPP模型,学术研究用NYUSIM
- 可用资源:地图数据、计算能力
- 仿真复杂度:复杂模型需要更多计算资源
- 结果可比性:选择被广泛采用的模型有利于结果对比
核心概念总结
| 概念名称 | 定义 | 典型值(毫米波) | 注意事项 |
|---|---|---|---|
| 路径损耗指数 | 路径损耗随距离增加的速率 | 2.7-4.0 | 取决于环境类型 |
| 视距概率 | 给定距离存在视距路径的概率 | d=100m时约20-50% | 距离增加急剧下降 |
| RMS时延扩展 | 多径时延分散的均方根值 | 10-100ns | 小于Sub-6GHz |
| 角度扩展 | 信号到达角度的分散程度 | 2-40度 | 小于Sub-6GHz |
| 多径簇数量 | 可区分的多径簇数量 | 3-8个 | 小于Sub-6GHz |
| 人体遮挡损耗 | 人体造成的信号衰减 | 15-25dB | 显著影响链路质量 |
| Low-E玻璃损耗 | 低辐射玻璃的穿透损耗 | 20-30dB | 严重影响室内覆盖 |
常见问题解答
Q1:毫米波信道建模为什么不同于Sub-6GHz?
答:毫米波信道建模需要考虑其独特的传播特性,这些特性与Sub-6GHz有显著差异。首先,毫米波的多径结构更加稀疏,多径数量通常只有几个到十几个,而Sub-6GHz可能有几十甚至上百条多径。其次,毫米波的角度扩展更小,信号能量更加集中,这影响了空间相关性和波束成形设计。第三,毫米波对遮挡更加敏感,人体、车辆甚至树叶都会造成显著的遮挡损耗。第四,毫米波的穿透能力更差,难以穿透建筑物表面。这些差异意味着传统的Sub-6GHz信道模型无法直接适用于毫米波,需要开发专门的毫米波信道模型。
Q2:什么是多径簇结构?
答:多径簇结构是指多径成分在时延和角度上聚集形成若干个”簇”的现象。每个簇由若干条时延和角度非常接近的多径组成,不同的簇之间有明显的时延差和角度差。多径簇结构的形成原因在于传播环境中的大型散射体(如建筑物表面)会产生强烈的反射,而散射体本身具有一定的空间尺度,导致反射路径在时延和角度上集中分布。理解多径簇结构对于接收机设计很重要:簇内多径可以合并处理,而不同簇之间需要分别处理。毫米波信道的多径簇数量通常为3-8个,少于Sub-6GHz信道。
Q3:如何选择合适的毫米波信道模型?
答:选择毫米波信道模型需要考虑研究目的、可用资源和仿真复杂度等因素。对于标准化的系统性能评估,建议使用3GPP TR 38.901模型,这是工业界广泛采用的标准化模型。对于学术研究,特别是关注遮挡效应的场景,NYUSIM模型是不错的选择,它基于大量实测数据,包含详细的遮挡模型。如果需要精确的网络规划,可以考虑基于地图的模型如QuaDRiGa。无论选择哪种模型,都需要确保模型的频率范围、场景设置与实际应用场景匹配。此外,对于复杂模型,需要确保有足够的计算资源支持仿真运行。
Q4:视距概率如何影响毫米波网络规划?
答:视距概率对毫米波网络规划有重要影响。首先,视距概率随距离急剧下降,这意味着毫米波基站的覆盖范围有限,通常在100-300米之间。其次,视距概率影响链路预算:对于视距概率高的场景,可以使用较高的调制编码阶数,获得更高的频谱效率;对于视距概率低的场景,需要预留更多的链路余量,使用更鲁棒的调制编码方案。第三,视距概率影响切换策略:在视距概率高的区域,可以更积极地切换到毫米波小区;在视距概率低的区域,可能需要保持与Sub-6GHz的连接。因此,在网络规划时需要根据视距概率模型调整站间距、发射功率和切换参数。
Q5:人体遮挡效应如何缓解?
答:人体遮挡是毫米波系统面临的一个特殊挑战,可以通过多种技术手段缓解。在终端侧,可以采用多天线布局和天线切换技术,当某个天线被遮挡时切换到其他天线。在网络侧,可以采用多波束策略,同时服务用户的多个波束,当某个波束被遮挡时其他波束仍可维持连接。此外,还可以利用反射表面(RIS)技术,通过智能反射表面绕过遮挡物。用户行为改变也是缓解遮挡的有效方式,如建议用户调整手持姿势或移动位置。对于运营商,可以在热点区域部署多个接入点,从不同方向为用户提供服务,降低遮挡导致的完全中断风险。
总结
本文系统介绍了毫米波信道建模的基本方法和关键特性。我们首先了解了信道建模的重要性和主要方法分类,然后深入探讨了多天线衰落模型的数学表示。接着,我们详细分析了毫米波信道的大尺度参数,包括路径损耗模型、视距概率模型、材料穿透特性和人体遮挡效应。我们进一步讨论了小尺度参数,如时延扩展、角度扩展和多径簇结构。最后,我们介绍了几个重要的毫米波信道模型实例,包括3GPP TR 38.901和NYUSIM模型。
理解毫米波信道建模对于把握5G和6G系统设计至关重要。毫米波信道的独特传播特性——稀疏多径、小角度扩展、高遮挡敏感性——既带来了挑战,也提供了机遇。通过准确理解和建模这些特性,我们可以设计出更高效的毫米波通信系统。
下篇预告
下一篇我们将深入探讨《天线与射频约束》,带你了解毫米波系统的天线阵列设计、射频架构权衡以及功耗考虑等内容。