基于多径的无线信道复合特征参数研究.pdf

59上海信息化无线信道是指无线信号从发射端到达接收端所经过的所有传播路径的集合（见图1），是无线通信的必要载体，其作为通信媒介，决定了无线通信质量的好坏。随着无线电技术的发展，无线频率的使用不断趋向高频段、大带宽和场景复杂化，无线信道的多径特性研究成为6G、毫米波通信等技术研发的重点。基于多径的无线信道复合特征参数研究文 徐弘良随着 6G、车辆网、毫米波通信等下一代无线通信技术研发过程中通感一体化概念的提出，利用无线通信信号感知或表征周围环境物理特征，从而提升系统功能和拓展应用场景，成为业界研究的热点。本文介绍的基于多径的无线信道特征参数包含丰富的环境信息，其提取、建模和应用已成为通感一体化研发的重要组成部分。函数来总体描述无线信道的特征（见图2）。信道冲激响应是单位脉冲信号经过无线信道传输后，在接收端得到的响应，是对无线信道时延域的描述。假设发送的无线信道为 ，其中 为载波频率，则通过无线信道传输后，接收到的信号如下所示：其中，无线信道中的多径数量为 ，各径对应的时延为 ，i=0时表示直射路径，为路径衰减系数。CIR即为向该无线信道输入一个单位脉冲，在输出端得到的响应函数。典型的多径CIR响应如图2所示。无线信道的多径特征参数电磁波在无线信道传播过程中会发生各种参数指标的变化，这些变化正是由无线信道造成的。衡量无线信道对电磁波在不同方面的影响程度即为无线信道的特征。通 常，可 利 用 信 道 冲 激 响 应（C h a n n e l Impluse Response，简称CIR）为代表的信道系统图1 多径无线信道示意图图2 典型多径信道冲激响应CIR60上海信息化其中，为所有路径的平均功率（dB），由下式计算而得：多径幅度峰度。信道的多径幅度峰度Pk表示多径电平分布的尖锐程度，由下式具体定义：其中，为所有路径的平均电平幅度，由下式计算而得：时延域特征参数信道相干时间。信道的相干时间Tc是指无线信道能够保持稳定不变的最大时间，反应信道的时间色散效应，为信道多径中最大多普勒频移fm的倒数，由以下公式具体定义：在无线通信中，工作人员希望信号的码元周期时间可以小于信道相干时间，避免进入快衰落。信道相干带宽。信道的相干带宽Bc是描述信道多径时延扩展的指标，是指无线信道能够保持稳定不变的最大频率间隔，为信道多径中最大时延扩展 的倒数，由以下公式具体定义：在无线通信中，工作人员希望信号带宽小于信道的相干带宽。均方根时延扩展。均方根时延扩展 描述的是多径功率在时延域上的离散程度，可以由多径功率的二阶中心距计算得到：工作人员可以通过无线信道的CIR进一步求得信道频率响应（Channel Frequency Response，简称CFR）和功率时延谱（Power Delay Profile，简称PDP），从而掌握无线信道的总体多径情况。虽然信道系统函数能够描述无线信道的整体特性，但这种函数形式描述的数据往往是连续且不直观的。在工程实践中，通常使用从信道系统函数中提取特定的多径复合特征参数来描述某一方面的特征值。虽然某个特定的多径复合特征参数损失了信道系统函数的其余信息，但显著降低了描述的复杂度，并且若把多个复合特征参数组合起来，能够尽可能以最小复杂度完整地描述传播信道的特性。常见的无线信道多径复合特征参数根据描述对接收信号不同参数的影响，可以将无线信道的多径复合特征参数分为功率域、时延域、频偏域、角度域等不同的类别。功率域特征参数最大接收功率。最大接收功率即CIR中所有路径的最大电平值，在具备直射路径的情况下，该值即为直射路径接收电平，取决于直射路径的距离长短。最大接收功率 由下式具体定义：即为 CIR 中得到的每条路径的电平值（dB）。功率动态范围。信道功率动态范围 即为CIR中多径的最大功率成分和最低功率成分之比，由下式具体定义：该数值越大往往表示无线信道的环境越复杂。多径功率峰均比。信道的多径功率峰均比 即为最大功率成分和所有路径的平均功率之比，由下式具体定义：感知无线PERCEIVE WIRELESS61上海信息化其中：其他特征参数有效多径数量。通过CIR获得的有效多径数量描述了信道中有多少条传播路径，是信道环境复杂程度的一种综合性衡量指标。均方根到达方位角和俯仰角。通过每一条多径到达方位角 和俯仰角，可以计算得到整个无线信道的均方根方位角 和均方根俯仰角 。无线信道多径特征建模的应用在提取信道的多径特征参数后，可以对参数进行建模。假定某一时刻已获取信道特征并作为指纹特征，把指纹特征及其指纹标签组合成一个行向量，称为“初始指纹向量”，如下式所示：其中，表示某一时刻的信道特征参数及其组合，构成行向量，表示指纹标签，可以是地理坐标或者特定台站。如果存在C个采样时刻的信道特征及其指纹标签，以初始指纹向量c的形式连结所有采样时刻，构成矩阵，称为“信道指纹矩阵”，标记为X。如下式所示：其中V和L为 和 构成的矩阵。在完成矩阵的构建即对无线信道多径特征参数建模后，就可以了解信号在传输过程中遇到的各种限制和约束条件，以及受到的各种干扰和失真因素的影响程度，有助于设计和优化无线通信系统，以适应不同的无线环境和应用场景。在LTE、5G、WLAN等多种通信系统中，就已经加入导频信号主动进行信道测试，用来改善通信质量，以减小多径效应对通信系统性能的影响。此外，基于多径的无线信道复合特征建模还可以促进下一代无线技术的发展和进步。在6G研发中，科学的信道多径感知和建模有效支撑了通感一体化等关键技术研发。同时，利用信道的多径特征进行被动探测和校准促进了毫米波应用发展。另外，该技术可用于基于环境的信道多径特征指纹研究这一无线通信加密的新兴领域。在无线电监测和侦测领域，基于无线信道的特征指纹建模，能提升无线电台站信号的识别能力，解决传统POA（Power of Arrival，到达功率）、TOA（Time of Arrival，到达时间）和AOA（Angel of Arrival，到达角度）等测向定位技术对直射路径的依赖问题，作为在复杂环境下的信号识别和定位的一种新方法。无线信道特征建模流程见图3。综上，基于多径的无线信道特征参数建模是现代无线通信研究中重要的基础工作，有效支撑了应用场景日益复杂、多径散射效益愈发明显的毫米波无线技术演进。通过梳理无线信道多径的概念和常见的信道特征参数，提出无线信道特征建模的基本方法，并阐述在无线通信领域信道特征参数建模的意义和应用，有助于读者理解和建立对无线信道特征参数的完整概念。图3 无线信道特征建模流程