面向6G的毫米波多频段多天...信道测量系统构建及实测验证_周子皓.pdf

周子皓，黄杰，钱肇钧，等.面向 6G 的毫米波多频段多天线信道测量系统构建及实测验证J.电波科学学报，2023，38（1）：44-53.DOI:10.12265/j.cjors.2022145ZHOU Z H,HUANG J,QIAN Z J,et al.Construction and measurement verification of 6G mmWave multi-band multi-antenna channel measurementsystemJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：44-53.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022145面向 6G 的毫米波多频段多天线信道测量系统构建及实测验证周子皓1，2黄杰1，2钱肇钧3*徐兰天4（1.东南大学信息科学与工程学院 移动通信国家重点实验室,南京 210096；2.网络通信与安全紫金山实验室,南京 211111；3.国家无线电监测中心,北京 100037；4.中电科思仪科技(安徽)有限公司,蚌埠 233010）摘要 毫米波是 5G 和 6G 无线通信系统的关键技术.设计满足 6G 多频段、多天线、高动态范围需求的信道测量系统是 6G 无线信道研究面临的首要挑战.针对这一需求，本文构建了一种毫米波多频段多天线信道测量系统，可以覆盖 24.2528.5 GHz、31.833.4 GHz、3742.5 GHz 等毫米波频段，支持最高 1616 天线配置.首先介绍该信道测量系统的架构与性能指标，提出多通道并行校准方案以及测量数据处理算法；其次，基于该信道测量系统开展 26 GHz 室内外场景的信道测量实验，分析路径损耗、时延扩展以及奇异值扩展等信道统计特性.通过对实测结果分析，验证了该信道探测器用于毫米波段测量的有效性.关键词6G；信道测量系统；多天线；毫米波；信道测量中图分类号TN928文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0044-10DOI 10.12265/j.cjors.2022145 Construction and measurement verification of 6G mm Wavemulti-band multi-antenna channel measurement systemZHOU Zihao1,2HUANG Jie1,2QIAN Zhaojun3*XU Lantian4（1.National Mobile Communication Research Laboratory,School of Information Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China；2.Purple Mountain Laboratory of Network Communication and Security,Nanjing 211111,China；3.StateRadio Monitoring Center,Beijing 100037,China；4.Ceyear Technologies Co.Ltd.,Bengbu 233010,China）AbstractThe millimeter-wave (mmWave)is a key technology of the fifth and sixth generation wirelesscommunication systems.Designing a channel measurement system that can meet the requirements of 6G multi-band,multi-antenna and high dynamic range is the primary challenge for 6G wireless channel research.To meet thisrequirement,a mmWave multi-band channel measurement system is constructed in this paper,which can cover24.2528.5 GHz,31.833.4 GHz,3742.5 GHz and other mmWave bands and can support up to 1616 multi-antennachannel measurements.Firstly,the architecture and performance of the channel measurement system are introduced,and a multichannel parallel calibration scheme and measurement data processing algorithm are proposed.Secondly,thechannel measurement experiments at frequency of 26 GHz in indoor and outdoor scenarios are conducted based on thechannel measurement system,and the channel statistical characteristics such as path loss and delay spread are analyzedto verify the effectiveness of the channel measurement system.Through the analysis of the measured results,theeffectiveness of the channel detector for mmWave band measurement is verified.Keywords6G；channel measurement system；multi-antenna；mmWave；channel measurement 收稿日期：2022-06-29资助项目：国家自然科学基金(61901109)通信作者：钱肇钧 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 引言无线通信技术发展对传输速率和传输时延的要求越来越高，然而目前 sub-6 GHz 频谱资源比较紧张，无法提供如此大的传输带宽.由于毫米波通信技术可用频率范围广、带宽大，可以提供高达 Gbps 级别的数据传输速率1，在 5G 和 6G 无线通信系统中越来越受到重视.相较于传统 sub-6 GHz 频段，毫米波频段衰减更加明显，限制了毫米波传输范围.同时，由于毫米波波长较短，可以在相对较小的空间内集成大量天线阵元构成多输入多输出(multiple-inputmultiple-output,MIMO)天线阵列2，从而采用 MIMO波束赋形技术提高波束增益来弥补毫米波段的高路径损耗3.为了建立精确的毫米波频段信道模型，需开展对应频段的信道测量.信道测量系统根据其测量原理可以分为时域信道测量系统4-6和频域信道测量系统7.频域信道测量系统的结构相对简单，一般基于矢量网络分析仪(vector network analyzer,VNA)来测量信道传输函数，通过设置不同的扫频范围，VNA 可以灵活配置到不同测量频段.频域测量系统收发端通过线缆连接到 VNA 的两个端口，而线缆长度会限制测量范围.因此，频域信道测量系统通常用于室内信道测量.此外，VNA 每次扫频需要的时间相对较长，因此该方法只能用于准平稳环境信道测量.时域信道测量系统通过滑动相关或直接相关法获得信道冲激响应，可以实时记录信道测量数据，支持移动场景信道测量.此外，时域信道测量系统一般收发端是分离的，可以支持室外远距离信道测量8.毫米波技术在世界范围内都引起重视，美国、日本、韩国采用的毫米波频段是 28 GHz9.2019 年世界无线电通信大会(World Radiocommunication Confe-rence,WRC-19)确定了更多的 5G 毫米波频段，包括24.2527.5 GHz、3743.5 GHz、45.547 GHz、47.248.2 GHz 和 6671 GHz10.IEEE 802.11ay 正在开发下一代 60 GHz 频段 Wi-Fi 技术.设计满足多频段、多天线、高动态范围需求的信道测量系统是 6G 无线信道研究面临的首要挑战.本文构建了毫米波多频段多天线时域信道测量系统，基于该信道测量系统开展了 26 GHz 室内外场景信道测量，并基于测量结果分析路径损耗、时延扩展(delay spread,DS)与莱斯因子等信道统计特性.该信道测量系统可以覆盖目前全部的 5G 商用频段，对于开展毫米波多天线信道测量、毫米波信道特性研究与建模具有重要意义.1 系统构建本时域信道测量系统可以支持毫米波多频段并行 MIMO 信道测量.其中毫米波不同频段收发通道采用模块化设计，便于集成和频段扩展.1.1 系统架构本时域信道测量系统由收发端两个部分构成，架构图和实物图分别见图 1 和图 2.基带主机铷原子钟铷原子钟1PPS1PPS磁盘阵列基带主机毫米波接收分机低噪放开关箱接收天线1PPS1PPS10 MHz10 MHz毫米波发射分机开关箱功放发送天线无线信道数据采集单元信号发生单元图 1 信道测量系统架构图Fig.1 System architecture diagram of channel sounder 接收天线阵列发送天线阵列软件操作界面接收端低噪放原子钟磁盘阵列原子钟功放毫米波发送分机发送端毫米波接收分机图 2 信道测量系统实物图Fig.2 Photo of the channel sounder taken during channelmeasurement 系统发送端又可以称为信号发生单元，主要由基带主机、毫米波发射分机、开关箱、功率放大器、铷原子钟、电源和发送天线构成.其中基带主机生成的中频信号与本振信号在毫米波发射分机内混频得到射频信号，射频信号通过开关箱实现多通道切换，开关箱内置功率放大器放大射频信号，最后射频信号通过发送天线发射.接收端又可以称为数据采集单元，主要由基带主机、毫米波接收分机、低噪声放大器、开关箱、磁盘阵列、电源、铷原子钟和接收天第 1 期周子皓，等：面向 6G 的毫米波多频段多天线信道测量系统构建及实测验证45 线构成.射频信号到达接收天线后通过低噪放放大，然后在毫米波接收分机内混频得到中频信号，中频信号通过模数转换模块得到数字信号，然后数字信号在基带主机内处理得到基带信号并通过系统流盘功能实时存储到磁盘阵列.收发端配备的铷原子钟通过 GPS 信号驯服，用来产生 10 MHz 参考信号和秒脉冲(1 pulse per second,1PPS)信号.其中 10 MHz 参考信号输入到基带主机和毫米波发射分机作为生成中频信号和本振信号的参考时钟，1PPS 输入到收发端基带主机和收发端开关箱信号用于收发系统的同步.1.2 性能指标为了满足 6G 毫米波信道测量的需求，信道测量系统应具有灵活性和易扩展性，可以支持多频段、多场景和多天线信道测量.基于上述需求，本文构建的信道测量系统将毫米波不同频段的收发通道设计为独立模块，根据测量需求的频段可以更换不同的模块.目前可以覆盖 24.2528.5 GHz、31.833.4 GHz、37 42.5 GHz、45.5 50.2 GHz、50.4 53.6 GHz、6676 GHz 和 8186 GHz 毫米波重点频段.其中，24.2528.5 GHz、31.833.