5G通信中的路径损耗、信道模型与天线特性解析

### 5G通信中的路径损耗、信道模型与天线特性解析 #### 1. 大气条件对毫米波链路的影响 大气条件，如雾和雨，对不同频率的毫米波链路有着不同程度的影响。在低于6GHz的频率下，雾和雨对信号传播的影响可以忽略不计。然而，在高于80GHz的频率时，能见度低于70m的浓雾会产生显著影响，衰减超过3dB/km；当频率高于200GHz时，这种影响会变得更加严重，衰减超过10dB/km。对于毛毛雨和持续降雨，在距离不超过1km且频率高于70GHz的情况下，影响并不显著，衰减在3.0 - 4.4dB/km之间。但暴雨会导致严重的信号衰减，最高可达40dB/km。总体而言，在恶劣天气条件下，大气效应对于距离超过100m的毫米波链路有重要影响，而对于1km及更远的链路，这更是一个关键问题。 #### 2. LoS路径损耗概率 为了区分视距（LoS）和非视距（NLoS）链路，引入了LoS概率的概念。链路长度为d时，其为LoS的概率为pLoS(d)，且LoS概率是链路长度的非增函数。 ##### 2.1 LoS路径损耗建模 对于室内用户设备（UE）在LoS条件下的路径损耗，可以考虑建筑物的尺寸和UE在建筑物内的位置进行建模。3GPP使用gNB和UE之间的3D距离以及ITU - R的LoS路径损耗方程中的系数来建模LoS路径损耗，这种方法无需明确建模建筑物尺寸就能得到合理近似。ITU - R的LoS路径损耗模型基于两射线模型，路径损耗方程在断点处从22dB/十年的斜率转变为更陡的斜率，断点取决于环境高度。在3D - UMa场景中，对于与类型1 LoS条件相关的室内UE，主导反射路径可能来自街道层，此时环境高度固定为1m；对于与类型2 LoS条件相关的UE，主导路径可能由相邻建筑物屋顶的反射形成，环境高度从UE高度（米）到12m的离散均匀分布中随机确定。 ##### 2.2 NLoS路径损耗建模 在3D - UMa场景中，NLoS路径损耗是主要的无线电传播机制。主导传播路径会经历多次屋顶衍射和建筑物边缘衍射，随着UE从高层移动到低层，路径损耗衰减会随着衍射角的增加而增大。为了对这一现象进行建模，引入了线性高度增益项2α(h - 1.5)，其中α（dB/m）是增益系数，根据不同研究，选择标称值0.6dB/m。在3D - UMi测试环境中，主导传播路径穿过和绕过建筑物，UE也可能从屋顶上方的传播中接收到少量能量。为了简化模型，基于多项研究结果，对3D - UMi的NLoS路径损耗也应用了线性高度增益，增益系数为0.3dB/m。此外，在3D - UMa和3D - UMi场景中，NLoS路径损耗的下限是相应的LoS路径损耗。 ##### 2.3 LoS概率计算 测量结果和射线追踪数据表明，天顶方向的复合功率角谱的边际分布在统计上具有拉普拉斯分布，给定特定链路距离和UE高度的条件分布也可以用拉普拉斯分布近似。为了纳入这些观察结果，天顶出发角（ZoD）和天顶到达角（ZoA）用逆拉普拉斯函数建模。同时，随着UE远离gNB，天顶出发角扩展（ZSD）会显著减小，室内UE向高层移动时，ZSD也会略有变化。 3GPP和ITU - R定义的UMa LoS概率公式为： \[p_{LoS}(d) = \min\left(\frac{d_1}{d_{2D}}, 1\right)\frac{1 - e^{-d_{2D}/d_2}}{1 + e^{-d_{2D}/d_2}}\] 其中，d2D是2D距离（米），d1和d2可以根据测试环境中的一组测量数据进行优化。对于UMi测试环境，上述LoS概率公式在频率高于6GHz时是适用的，拟合的d1/d2模型与测量数据具有更好的一致性，且在所有距离上测量数据与3GPP LoS概率模型之间的误差较小。需要注意的是，3GPP的UMi LoS概率模型与UE高度无关，而UMa LoS概率模型则与之相关。 在路径损耗模型中，2D和3D距离的定义如下： \[d_{3D} = d_{3D - out} + d_{3D - in} = \sqrt{(d_{2D - out}+d_{2D - in})^2 + (h_{gNB}-h_{UE})^2}\] 相关参数的定义可以用以下表格总结： |参数|定义| | ---- | ---- | |d2D|2D距离| |d3D|3D距离| |hUE|UE高度| |hgNB|gNB高度| #### 3. 二维和三维信道模型 5G蜂窝系统预计在450MHz到100GHz的宽频率范围内运行。对于工作在6GHz以上频段的新5G系统的开发和标准化，准确建模这些频段的无线电信号传播至关重要，因为现有的信道模型无法完全表征这些频段的传播特性，之前的信道模型是为低于6GHz的频率设计和评估的。 ##### 3.1 3GPP 3D信道模型的发展 3GPP 3D信道模型的发展是为了对5G网络部署中使用的2D天线阵列进行建模。测量表明，较小的波长增加了传播模型对环境效应尺度的敏感性，显示出路径损耗的频率依赖性以及阻塞现象的增加。此外，穿透损耗高度依赖于材料，并且往往随频率增加而增大。阴影衰落和角度扩展参数更大，LoS和NLoS之间的边界不仅取决于天线高度，还取决于局部环境。信道的小尺度特性，如延迟扩展、角度扩展和多径丰富性在一定程度上相似，这是将现有3GPP模型扩展到更宽频率范围的一个重要原因。 ##### 3.2 信道建模的目标和方法 信道建模的目标是为特定部署场景的链路级和系统级仿真提供准确的无线电传播数学表示。由于无线电信道可以假设为线性的，因此可以用其冲激响应来描述。冲激响应通常表示为相对于第一个可检测信号测量的过剩延迟的功率密度函数，即功率延迟剖面。信道冲激响应随接收器位置和时间变化，通常通过对一个波长或多个波长上测量的剖面进行平均来减少噪声影响或确定空间平均值。 无线电信道的传播效应可以用大尺度传播模型和小尺度衰落模型组合来建模。大尺度传播模型用于模拟无线信道的长期慢衰落特性，如路径损耗和阴影衰落；小尺度衰落模型用于描述由于多径和多普勒扩展引起的快速波动行为。对于多天线无线信道，静态波束形成增益（如扇区化波束模式）也可以作为大尺度传播模型的一部分进行建模。对于MIMO信道的小尺度衰落模型，需要考虑天线元件之间信号的相关性，可以使用空间信道模型来评估前代蜂窝标准的性能。 传统上，基站天线阵列产生的电磁波束模式通常被建模为线性水平阵列，忽略了信号路径的仰角。而3D空间信道模型考虑了信号路径的非零仰角和方位角，从而可以对2D天线网格上每个天线元件的小尺度衰落效应以及任意两个天线元件之间的相关性进行建模。 ##### 3.3 MIMO信道的特性 随着MIMO信道中天线数量的增加，平均互信息（容量）的增加是众所周知的，但互信息的方差可能增长缓慢甚至减小，这种现象被称为信道硬化，对控制和数据传输有一定影响。 对于三扇区宏蜂窝，水平和垂直天线模式通常分别建模为3dB波束宽度为70度和10度，天线增益为17dBi。垂直天线模式还与电气和机械天线下倾角有关，电气下倾角是通过对2D天线元件的每个垂直阵列应用公共和静态相移产生的垂直模拟波束形成的结果。例如，在3GPP评估方法中，对于站间距离为500m和1732m的宏蜂窝部署场景，电气下倾角分别设置为15度和6度。 为了满足IMT - 2020的技术要求，5G信道模型包含了一些新特性，如支持高达100GHz的频率和大带宽、3D建模、支持大型天线阵列、阻塞建模和空间一致性。3D建模描述了发射和接收天线之间在方位和仰角方向上的信道传播，比仅考虑方位方向传播特性的2D建模更完整和准确。自Rel - 13以来，LTE就已经开发了能够利用仰角维度的多天线技术，这些技术在5G中也非常重要，包括对出发和到达仰角及其与其他参数的相关性进行建模。 对于配备有源天线阵列列的基站，可以在功率放大器（PA）之前应用垂直模拟波束形成，从而动态调整电气下倾角。这使得基站能够根据小区内用户的分布动态调整其小区覆盖范围，但这种波束形成仍然是基于小区的，无法实现对单个UE的空间分离，并且操作时间尺度较长。因此，为了评估全维度MIMO的性能，需要进行3D信道建模。全维度MIMO涉及在小时间尺度上以频率选择方式利用水平和垂直自由度进行预编码/波束形成。 #### 4. 3D天线模型 假设gNB和/或UE各自具有一个由Ms×Ns个天线元件组成的2D平面天线子阵列，其中Ns表示列数，Ms表示每列中具有相同极化的天线元件数。天线元件在水平和垂直方向上均匀间隔，间距分别为dh和dv。Ms×Ns个元件可以是单极化或双极化的。由M×N个天线面板组成均匀矩形阵列，其中M表示列中的面板数，N表示行中的面板数，天线面板在水平和垂直方向上的中心间距分别为dH和dV。 3GPP 3D信道模型允许对2D平面天线阵列进行建模，天线元件可以是线性极化或交叉极化的。该模型在实用性和精度之间进行了折衷，没有考虑互耦效应以及水平和垂直极化波的不同传播效应。 每个天线元件的水平辐射方向图的一般形式为： \[A_{E,H}(\varphi) = - \min\left\{\left(1 - \frac{\varphi}{\varphi_{3dB}}\right)^2, \alpha_m\right\}\] 其中，- 180° ≤ φ ≤ 180°，φ3dB表示水平3dB波束宽度，αm是最大旁瓣电平衰减。 垂直辐射方向图的一般形式为： \[A_{E,V}(\theta) = - \min\left\{\left(1 - \frac{\theta - \theta_{tilt}}{\theta_{3dB}}\right)^2, \alpha_m\right\}\] 其中，- 180° ≤ θ ≤ 180°，θ3dB表示垂直3dB波束宽度，θtilt是倾斜角，θ = 0指向天顶，θ = 90°指向地平线。 组合的垂直和水平天线元件方向图为： \[A(\theta, \varphi) = - \min\left\{- A_{E,V}(\theta) + A_{E,H}(\varphi), \alpha_m\right\}\] 其中，A(θ, φ)是天线元件在方向(θ, φ)上的相对天线增益（dB）。 这些概念也可以应用于UE天线阵列。在这种情况下，M×N个天线面板可能具有不同的方向。用\((\Omega_{mg,ng}, \Theta_{mg,ng})\)表示面板\((mg, ng)\)（0 ≤ mg < Mg，0 ≤ ng < Ng）的方向角，其中第一个面板\((\Omega_{0,0}, \Theta_{0,0})\)的方向定义为UE方向，\(\Omega_{mg,ng}\)是阵列方位角，\(\Theta_{mg,ng}\)是阵列下倾角。天线方位定义为天线主瓣中心与指向东方的线之间