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28GHz下对毫米波透射特性的分析

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资料介绍

毫米波段拥有高速传输数据的优点,是目前第5代(the 5th Generation,5G)移动通信系统的重要候选频段之一.为了研究毫米波的透射特性,将一对喇叭天线相向放置在玻璃门的两侧,在28 GHz频率下使用800 MHz带宽设备进行了一系列透射特性的测量.研究了不同入射角,极化方式及不同发射端与接收端(Transmitter-Receiver,Tx-Rx)距离对透射系数的影响.将测量结果与菲涅耳传播定律(包括光滑表面和提出的高斯粗糙表面模型)进行了对比.结果表明,文中提出的高斯粗糙表面模型与垂直和水平极化信号的透射特性更拟合.此外,实验也研究了收发端距离对透射的影响,并得出了不同入射角度下的穿透损耗值.

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V01．32，NO．5

October．201

第32卷第5期

201

7年10月

电波科学学报

CHINESEJOURNALOF RADIO SCIENCE

刘蕾，陈旭彬，张建华，等．28 GHz下对毫米波透射特性的分析[J]．电波科学学报，2017，32(5)：513-519．DOI：10．13443／j．cjors．

2017091505

millimeter wave band at 28 GHz_{EJ]．Chinese}of radio science

journal

I，Iu I，，CHEN

B，ZHANG

H，et a1．Penetration characteristics for

2017，32(5)：513-519．(in

505

Chinese)．D()I：10．13443／j．cjors．2017091

GHz下对毫米波透射特性的分析

刘蕾1

田磊1

陈旭彬1 唐盼1

张建华2

(1．教育部泛网无线通信重点实验室，北京100876；2．网络与交换技术国家重点实验室，北京100876)

5th

Generation，5G)移动通信系统的

摘

要

毫米波段拥有高速传输数据的优点，是目前第5代(the

GHz频

重要候选频段之一．为了研究毫米波的透射特性，将一对喇叭天线相向放置在玻璃门的两侧，在28

率下使用800 MHz带宽设备进行了一系列透射特性的测量．研究了不同入射角，极化方式及不同发射端与

接收端(Transmitter—Receiver，Tx—Rx)距离对透射系数的影响．将测量结果与菲涅耳传播定律(包括光滑表

面和提出的高斯粗糙表面模型)进行了对比．结果表明，文中提出的高斯粗糙表面模型与垂直和水平极化信

号的透射特性更拟合．此外，实验也研究了收发端距离对透射的影响，并得出了不同入射角度下的穿透损耗

值．

关键词毫米波；5G；入射角；距离；极化方式；透射系数；穿透损耗

中图分类号TN011

文献标志码

文章编号 1005—0388(2017)05—0513—07

DOI

10．13443／j．cjors．2017091505

Penetration characteristics for millimeter wave band at 28 GHz

LIU Leil TIAN Leil CHEN Xubinl TANG Panl ZHANGJianhua2

Lab

Universal Wireless

100876，China；

Communications，Ministry of Education，Beijing

(1．Key

2．State

Lab

and

100876，China)

Switching Technology，Beijing

Key

oJ’Networking

can offer

Abstract Millimeter—wave(mm Wave)band

wireless data transmission，

ultra—high—speed

which is considered as an

candidate band for the 5G mobile communication

fur—

important

system．To gain

into mmWave

ther

characteristics。we

series of

measurements

penetration

the two sides of the

insights

penetration

present

28 GHz with 800 MHz_{bandwidth，a}

of 25 dBi horn antennas were

pair

placed

glass

door．The

coefficients are measured for different incident

and transmitter—receiver(Tx—

between the measurement

comparison

penetration

angles

results

from

Rx)spatial positions．This paper presents

stemming

data and the Fresnel transmission formula coefficients which include ideal smooth surface model and

pro—

Gaussian

surface model．The results illustrate that the Gaussian

rough

surface model

rough proposed

posed

in this letter describes

of horizontal and vertical

more ade—

penetration performance

effects of distances

polarization signals

coefficients are also

investigated，we

pro—

the

addition，the

quately．In

vide the

penetration

loss of different incident

penetration

angles．

millimeter—wave；5G；incident

10SS

Keywords

angles；spatial positions；antenna polarization；penetration

coefficient；penetration

收稿日期：2017—09—15

资助项目：国家科技重大专项(201 7ZX03001028003)；国家自然科学基金优秀青年基金(61322110)；教育部一中国移动科

研基金(MCM20160105)

联系人：刘蕾E—mail：．edu．cn

万方数据

514

电波科学学报“5G无线信道建模与仿真技术”专-t：1】

第32卷

我们考虑了不同的入射角、垂直和水平极化以及发

射端(Transmitter，Tx)和接收端(Receiver，Rx)之

间的不同距离对系数的影响，在28 GHz高频频点

下的玻璃门两侧处进行了透射测量．

引

言

随着高速传输数据需求不断增长，推动了未来

移动通信系统中毫米波段的应用．随着诸如空间波

束成形，高增益自适应天线和多输入多输出(Multi—

本文将测量数据进行处理并与光滑表面和高斯

粗糙表面的菲涅耳传播定律模型进行了对比．观察

透射系数与不同入射角、极化方式、材料粗糙程度和

收发端距离的关系．从而为第5代移动通信(The

ple—Input

Multiple—Output，MIMO)等先进技术的

发展，毫米波通信系统模型得到了进一步的发

展[1¨ ．然而，由于衍射、反射和散射损耗较大，所以

周围环境对毫米波的通信质量影响很大．想要发展

毫米波技术，就需要深人了解毫米波信道的传播特

性．

5th

Generation，5G)毫米波透射特性研究的进一步

发展提供参考与帮助．

1测量准备和测量方法

有两种常用的方法来进行毫米波信道建模．一

种是基于传统的实际测量，另一种是基于使用电磁

场理论的仿真．近年来，基于几何光学原理的射线

追踪(Ray—tracing)方法由于其简单和计算高效的优

点得到了越来越多的关注口6。．然而，在不同的入射

角、极化方式、材料和粗糙度的情况下，透射、反射、

衍射和散射的典型参数不足，射线追踪法因为计算

复杂度的限制，较难进行多次反射、衍射和散射的模

拟，而且该方法对环境复杂度的要求较高，在较为杂

乱的环境下难以得到精确的信道预测结果．因此，

1．1

测量准备

在测量中，使用800 MHz带宽的信号探测仪来

捕获信道数据．在Tx侧，首先生成长度为511的伪

随机序列，然后信号通过上变频器调制到28 GHz，

使用功率放大器将其功率增加到30 dBm．采用一

对25 dBi喇叭天线，水平方向的3 dB波束宽度为

10。，垂直方向的为11。．在Rx侧，低噪声放大器可

Noise

以放大接收信号，保证高信噪比(Signal

Ratio，SNR)．接着下变频器将接收到的信号解调

为基带信号．采样率是原始伪噪声(Pseudo—Noise，

PN)序列的3倍，延迟分辨率约为0．833 ns，PN序

列的整个持续时间为1．28肚s．测量系统的参数总

结在表1中．

当接收机检测到多径分量，或者信号受到两次及以

上的衰减的时候，传统的测量更准确．

在过去的几十年中，进行了一些关于在28

GHz，38 GHz，60

GHz和73 GHz的毫米波信道传

播特性的研究口。11I．文献[12]通过考虑不同室内和

室外材料对穿透损耗的影响，得到透明玻璃的穿透

损耗约为3．9 dB．此前在文献[13]中提出的测量结

果表明，当无线信号透过透明玻璃时，穿透损耗可以

忽略不计，而玻璃被金属涂层覆盖时，其穿透损耗显

表1测量系统参数

参数

取值

中心频率／GHz

带宽／MHz

800

1．2

采样率／GHz

511

PN序列长度

dB至50

著提高了25

dB．文献[14]根据对典型墙

0．833

多径延时分辨率／ns

Tx／Rx天线种类

壁、地板和窗户的透射系数的分析，描述了多层电介

质模型．文献[15]研究了入射角、介质材料的折射

率和厚度对透射系数的影响．文献[16]讨论了任意

层状介质中电磁波的透射系数．石灰石和砖墙的粗

糙表面散射特性见文献[17]．

喇叭天线

Tx／Rx dB波束宽度

水平10。垂直11。

Tx／Rx天线增益／dBi

Tx／Rx天线极化

水平极化和垂直极化

1．6

Tx／Rx天线高度／m

每个位置采样数

100

在此前诸多学者的研究工作中主要考虑在透射

测量中，不同入射角、材料粗糙度对透射系数的影

响，但是仍有一些影响透射系数的情况没有被充分

地考虑到．为了提供毫米波信道的更为准确的参数，

我们在北京邮电大学教三楼玻璃门两端进行了

测量．玻璃门由厚度为1．1 cm的透明玻璃制成．如

图1所示，Tx侧是户外环境，Rx侧是室内环境．

万方数据

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