一、 研究背景

　　为了满足不断增长的通信容量需求，加强网络覆盖的广度和深度，推进毫米波与厘米波相互协作的异构网络部署至关重要。然而，毫米波路径损耗大、穿透困难，其覆盖范围受到很大限制。如何发挥中低频广覆盖、高频高带宽的优势，进而实现高低频有效组网是亟需解决的问题。全面认识高中低频段的信道特性、分析不同频段之间信道的相似性与差异性是推进协作组网的关键。为此，我们提出了一种基于功率时延谱(Power Delay Profile, PDP)衰落趋势特征的多径信道结构相似性度量(Similarity Index Measure, SIM)，来评价不同频段之间信道特征的相似性。

　　二、多径信道的结构相似性

　　SIM利用时间序列相似性方法来获得时延域PDP的主要结构特征，如图1所示，将实测PDP看成是时间序列，并根据时间簇将其分割为若干子序列，通过比较相应的子序列的形状特征（相对到达时间、归一化幅度、衰减线斜率）来衡量不同频段PDP的相似性。所得SIM值在0到1之间，且SIM值越小表示两个多径的PDP越相似。SIM展示了基于时间簇形状特征的PDP结构相似性，可以有效减小实测信号中噪声对相似性判断的干扰。SIM值反映了在相同场景下不同频段间信道特性的差异大小，用于判断在某一频段的信道模型能否直接适用于另一频段的信道。PDP的衰落趋势特征对预测其他频率的多径信道具有指导意义，所提出的SIM利用数学表达式有效地刻画多个频带间的相似度，比直接比较信道参数或视觉比较PDP的方法更准确。

　　图1、具有三个衰落趋势的PDP示意图

　　三、研究结果

　　为了分析与验证信道相似性，利用定制的信道测量系统在三种典型的室外场景开展了多频段信道测量，获得了大量信道实测数据。测试场景包括两种城区场景：大型城市中心商业区（CBD）和多层公寓居民区（RA）和一种郊区场景：低密度别墅区（VD）。测试频段包括从厘米波到毫米波的五个频段(2.5、3.5、4.7、28、39 GHz)。在同一环境进行多频段测量时，所有的发射机与接收机均放置在相同位置。如图2所示，在相同场景下，可观察到不同频段的PDP具有很强的相似性。

　　图2、CBD视距场景下的实测PDP

　　定义衰减系数R为某一频率时间簇的衰减斜率与参考频率相应的衰减斜率的比值，图3给出了第一和第二个时间簇的R值的累积分布函数。结果表明：在不同的sub-6 GHz频段，对应的簇呈现出一致的衰落趋势，而毫米波频段的衰减系数往往大于sub-6 GHz频段的衰减系数，除由于测量带宽不同引入的计算误差外，一定程度上表明毫米波信号功率衰减较快；衰减系数与环境也密切相关，在郊区环境中，衰减系数较大，到达信号的衰减较快，而在城市环境中则相反，这是由于在市区环境中存在丰富的反射和散射体，来自不同方向上的多径信号可能具有相近的到达时间。

　　利用所提的SIM来评估实测信道PDP，SIM值的互补累积分布函数如图4所示。结果表明：实测信道的SIM值相近，除了CBD场景外，其均值都在0.3以下；信道的相似程度依赖于实际传播环境，在CBD场景，由于传播环境相对复杂，存在较多移动散射体，使得该场景下的信道相似性相对较弱；而在RA场景，接收信号大多来自屋顶的绕射，传播环境相对固定，信道相似性较高；此外，毫米波信道与sub-6 GHz信道之间的相似性较弱，SIM均值几乎都大于0.3，意味着高频所带来的更大路径损耗和环境敏感性不容忽略，信道特性将依赖频率的改变而改变。对SIM使用正态分布描述，Lilliefors检测表明，在置信度为5%的检验条件下，除了在RA和VD环境下3.5GHz与4.7GHz信道的SIM外，均符合正态分布。

　　图3、衰减系数R的累积概率分布图：(a)第一个时间簇@CBD；(b) 第二个时间簇@CBD；(c) 第一个时间簇@RA；(d) 第二个时间簇@RA；(e) 第一个时间簇@VD；(f) 第二个时间簇@VD

　　图4、SIM的互补累积概率分布图：(a) CBD；(b) RA；(c) VD

　　【论文信息】

　　C. Yi, P. Z. Zhang, H. M. Wang, and W. Hong, “Multipath similarity index measure across multiple frequency bands,” IEEE Wireless Commun. Lett., Early access, DOI:10.1109/LWC.2021.3077259, May 2021.