【摘 要】
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无线通信技术的发展,极大地加速了移动网络数据业务量的增长,而大容量、高速率、低时延等通信指标的升级又进一步加剧了低频段频谱资源的枯竭。为了满足无线通信持续增长的需求,需要研究与开发更高频段的毫米波/亚毫米波段。而毫米波/亚毫米波段拥有丰富的连续空闲带宽资源,具有波束窄和受天气干扰影响小等优势。因此作为第五代(5G,Fifth Generation)移动通信系统通信波段的毫米波乃至于频段更高的亚毫米
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无线通信技术的发展,极大地加速了移动网络数据业务量的增长,而大容量、高速率、低时延等通信指标的升级又进一步加剧了低频段频谱资源的枯竭。为了满足无线通信持续增长的需求,需要研究与开发更高频段的毫米波/亚毫米波段。而毫米波/亚毫米波段拥有丰富的连续空闲带宽资源,具有波束窄和受天气干扰影响小等优势。因此作为第五代(5G,Fifth Generation)移动通信系统通信波段的毫米波乃至于频段更高的亚毫米波段,已经受到了学界与工业界的广泛关注。但是毫米波/亚毫米波段波长短、频率高,较高的传输损耗与对通信场景敏感的频带特性也为信道研究与场景选择带来了新的挑战。而室内场景作为未来通信的主要场景,本身已经具有极大的研究意义,2019年华为发表的《室内5G场景化白皮书》也表明未来有超过80%的数据业务发生在室内。室内场景往往具有相对较近的通信距离与更为固定的场景布置,因此将毫米波/亚毫米波段应用于室内短距离高速通信不仅极具应用前景,而且也能更好地发挥这一频段的优势。考虑到通信主要指标如通信速率、通信质量与系统容量都会受到信道特性的影响,毫米波/亚毫米波段在5G的实际应用需要对于这一波段信道特性的充足了解,以支持通信系统的设计与物理层技术的优化。因此,对于毫米波/亚毫米波段传播信道特性的充分了解是实现这一波段的实际应用与场景部署的前提。本文围绕毫米波段/亚毫米波段,基于信道实测,提取路径损耗、莱斯K因子与反射系数等参数,研究室内场景信道传播特性与典型建筑材料反射特性。具体的研究内容如下:1.工业物联网场景(IndustrialInternetof Things,IIoT)的传播特性研究。选取机械生产车间作为典型室内工业物联网场景,在5G授权频段4.9 GHz与28 GHz进行了信道测量。基于实测数据,提取了路径损耗与莱斯K因子参数,研究了不同收发端天线距离下信道参数的变化规律,按照视距(Line-of-Sight,LOS)与非视距(Non-Line-of-Sight,NLOS)场景对高低频点进行对比分析。同时结合机械生产车间较多金属材料的场景特点,以国际标准组织第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)TR 38.901通信标准中的室内办公室场景为参照,分析了 IIoT场景的信道传输特性。2.IIoT场景不同天线高度对信号传播影响研究。由于工业场景的大尺寸,天线可以部署在很宽的高度范围内。因此天线高度对信道参数的影响更为显著。本文统计了测试场景不同高度散射体的面积占比,绘出散射体高度的累积分布函数(Cumulative Distribution Function,CDF),基于CDF图设计了四种不同收发天线高度的对比测数组,进行了信道测量,提取路径损耗与莱斯K因子参数,研究天线高度不断增加时信道特性的变化规律。3.室内短距离传播特性与典型建筑材料反射特性研究。在更高的频段,即220 GHz-330 GHz,现有的测量较少,本文首先选取室内短距离通信场景,在310 GHz进行了信道测量,提取了路径损耗与莱斯K因子参数,研究这些参数在310 GHz频段0.2-2.27 m短距离通信场景的变化趋势,结合自由空间路径损耗模型,对比分析测试环境的信道特性。同时,由于220 GHz-330 GHz信号波长与各类散射体散射表面尺寸相近,因此实际的传播特性受实际传播场景与主要散射体的影响相比传统通信频段将更为明显。所以这一波段反射特性对于信道传播特性的研究将具有更大的意义。本文选取五类典型室内建筑材料,在220-330 GHz波段进行了反射特性测量,基于测量材料与入射角度对220-330 GHz的反射特性进行分析与归纳。综上,本文针对室内场景,搭建了毫米波段/亚毫米波段信道测试平台,并基于该平台信道测量得到的IIoT与室内短距离场景下的参数,研究了毫米波段/亚毫米波段的信道传播特征,与典型建筑材料的反射特性。本文的研究为新兴的IIoT场景的标准化提供了理论基础,同时也为射线追踪等仿真技术提供了 220-330 GHz波段更为精准的反射参数,为室内深度覆盖研究提供了基础。
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