在近日舉行的ITU-R WP5D#25會(huì)議上，中國提出的基于三維數(shù)字地圖的混合信道模型，獲得國際電信聯(lián)盟ITU專家組認(rèn)可，進(jìn)入IMT-2020（5G）技術(shù)評估報(bào)告框架中，為5G標(biāo)準(zhǔn)的制定貢獻(xiàn)重要力量。

根據(jù)ITU-R發(fā)布的IMT-2020（5G）工作計(jì)劃，面向全球的IMT-2020（5G）技術(shù)評估將于2018年全面展開。在評估工作開展之前，ITU-R需要預(yù)先完成關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)定義以及評估方法制定。在評估方法中，信道模型的選取至關(guān)重要，直接關(guān)系到未來新型5G空中接口技術(shù)能否通過評估，并被ITU-R所接受。

我們都知道，信道建模嚴(yán)重依賴于信道測量，在海量的測試數(shù)據(jù)里進(jìn)行分析、歸納、建模。

我們在前面兩篇文章里詳細(xì)介紹了5G高頻的室內(nèi)室外豐富場景下的測試情況。良好的測試結(jié)果為我們對5G信道的建模打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

原理

圍繞5G大容量、高密度、以及關(guān)鍵場景應(yīng)用等需求，創(chuàng)新性地提出了一種基于數(shù)字地圖的混合信道模型，利用數(shù)字地圖技術(shù)建立三維信道電磁場環(huán)境，采用射線追蹤（Ray Tracing）模型和統(tǒng)計(jì)模型混合使用的方法，與真實(shí)信道電磁場環(huán)境更加接近，并且自然滿足高低頻域一致性，有效支撐5G新型空中接口技術(shù)的評估和仿真。

傳統(tǒng)系統(tǒng)仿真方法主要基于抽象的場景定義，并不關(guān)注場景中具體建筑物的數(shù)據(jù)信息。而在5G場景尤其是高頻段、大帶寬下，要求對傳播信道在時(shí)間和空間維度進(jìn)行更為精細(xì)化的建模。同時(shí)由于高頻電磁波波長更短，路徑損耗、穿透損耗、雨氧衰損耗等都遠(yuǎn)高于低頻，大規(guī)模多天線、分布式天線、高增益窄波束賦型和跟蹤等應(yīng)用需求使得信道的空間-時(shí)間-頻率一致性、球面波效應(yīng)、站間信道相關(guān)性、雨氧衰特性等都成為了5G信道研究的重點(diǎn)方面。

高頻電磁波波長更接近于光波波長，因此高頻無線電傳播需要同時(shí)考慮波動(dòng)性和粒子性。5G高頻混合信道模型充分利用了幾何光學(xué)、幾何繞射理論等確定性電磁傳播和計(jì)算理論，通過對特定場景中的關(guān)鍵幾何體進(jìn)行三維建模并給定電磁特性參數(shù)，利用射線追蹤技術(shù)首先識(shí)別出主要的傳播路徑，即信道中的主導(dǎo)分量。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用統(tǒng)計(jì)模型對散射等隨機(jī)影響因素部分進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)而在保證較低復(fù)雜度的情況下獲得了完整的信道響應(yīng)信息。

結(jié)構(gòu)

如圖1所示，基于三維數(shù)字地圖的混合信道模型包括確定性、統(tǒng)計(jì)兩個(gè)模塊。其中，確定性模型主要基于目標(biāo)場景的3D模型，利用射線追蹤（Ray Tracing）技術(shù)，對電磁傳播中譬如直射、透射、反射、衍射等主要物理現(xiàn)象，進(jìn)行確定性計(jì)算，得到了構(gòu)成實(shí)際傳播的主導(dǎo)分量（Dominant Ray）的確定性結(jié)果（如圖2所示）。統(tǒng)計(jì)模型主要體現(xiàn)了環(huán)境中真實(shí)存在而未能在數(shù)字地圖中建模的小物體、粗糙面，植被等對電磁散射的貢獻(xiàn)。此外，信號傳播中因?yàn)槿肆鳌④囕v等引發(fā)的阻擋現(xiàn)象也通過相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

圖1、混合模型架構(gòu)圖

圖2、射線追蹤結(jié)果示意圖

如上文所述，該模型以電磁理論物理學(xué)為基礎(chǔ)，以實(shí)際電磁傳播環(huán)境為框架,能夠準(zhǔn)確的描述不同頻段電磁波在的實(shí)際傳播特征，適合多頻段多帶寬的配置下的信道研究。對于當(dāng)前5G研究急需的信道空-時(shí)-頻率一致性等特性自然滿足，有很強(qiáng)的后向兼容性和前向拓展性。其實(shí)現(xiàn)過程與傳統(tǒng)模型類似（共13步），具體可以參考3GPP TR38.900第八章。

效果

本文將以圖3所示配置為例，列舉該模型所得動(dòng)態(tài)信道響應(yīng)在時(shí)延域（如圖4所示）和角度域（如圖5所示）的分布。從圖中可以觀察到：

1、直射徑、一次/兩次反射徑以及一次衍射徑占主要能量，構(gòu)成信道主導(dǎo)成分；
2、隨著UE的移動(dòng)（如圖3中紅色線段所示），主導(dǎo)分量的信道參數(shù)發(fā)生連續(xù)性變化，即體現(xiàn)了信道的空間/時(shí)間一致性，尤其是由于建筑物位置變化，阻擋等產(chǎn)生的路徑生滅現(xiàn)象也得到準(zhǔn)確體現(xiàn)。
3、統(tǒng)計(jì)部分對未能確定性建模的不規(guī)則小物體產(chǎn)生的隨機(jī)散射以及粗糙表面造成漫反射路徑進(jìn)行有效補(bǔ)充，產(chǎn)生了信道分量的簇狀分布。

因此，通過確定性與統(tǒng)計(jì)結(jié)合的混合信道模型能夠反映真實(shí)環(huán)境下的電磁傳播特性。

圖3、動(dòng)態(tài)信道仿真示意圖

圖4、信道時(shí)延功率譜

圖5、信道角度功率譜

作為無線電頻譜資源的全球協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，國際電信聯(lián)盟無線部門ITU-R致力于為各種無線技術(shù)落地提供規(guī)則保障，從而促進(jìn)相應(yīng)無線技術(shù)健康有序發(fā)展。作為5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的仲裁者、5G頻譜劃分及使用規(guī)則的制定者，ITU-R發(fā)揮著它在IMT產(chǎn)業(yè)中獨(dú)特的引領(lǐng)角色。

近日的ITU-R WP5D#25會(huì)議共收到來自11個(gè)國家、公司及學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的多篇信道模型提案，經(jīng)過多輪會(huì)議討論，基于地圖的混合信道模型作為一種新的模型，獲得ITU-R專家組認(rèn)可，進(jìn)入IMT-2020（5G）技術(shù)評估報(bào)告框架中。而在此前的3GPP RAN1會(huì)議上，混合信道模型也被3GPP標(biāo)準(zhǔn)采納，已寫入TR38.900研究報(bào)告。基于地圖的混合信道模型被ITU-R的采納，也標(biāo)志著國際電信聯(lián)盟對中國5G技術(shù)研究能力的認(rèn)可。

值得一提的是，雖然信道模型需要大量的人力投入，并且要求昂貴的測試儀器設(shè)備相配合，但信道模型研究通常并不以IPR為目的，更多的是平臺(tái)性、貢獻(xiàn)性的工作。由此可見，中國廠商在參加各類標(biāo)準(zhǔn)工作多年之后，隨著研發(fā)能力的增強(qiáng)，有能力、有意愿與業(yè)界同仁一起，為下一代移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的制定做出更多的貢獻(xiàn)。這無疑是一件可喜可賀的事情。