2. 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室, 北京 100876
鉴于信道模型本身的复杂性和其在技术评估中的标尺作用，面向第5代移动通信系统（5G）评估的需求，对比国际电信联盟无线部（ITU）第4代移动通信系统评估信道模型标准，重点阐述了5G信道模型标准的主要特点和仿真方法，如场景参数配置、仿真流程、先进信道特性等，可帮助读者深入了解ITU 5G信道模型标准的原理，促进5G的仿真评估和后续研发.
2. State Key Laboratory of Network and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
Wireless channel model, as the baseline in the technology evaluation, is very complex. To support the demand of the fifth generation of mobile communications system (5G) technology evaluation, the main characteristics and simulation method of the 5G channel model in the standard are introduced, comparing with the the fourth generation of mobile communications system channel model delivered by the International Telecommunication Union (ITU), including scenario configuration, simulation procedure, and advanced channel components, etc. Hence, a detailed understanding of ITU 5G channel model has been made for the readers, in order to improve the further simulation and evaluation of 5G technology, as well as subsequent research and development.
为了满足移动互联网和物联网快速发展驱动下移动用户数和数据业务量爆炸式增长的需求，全球多个国家和研究组织自2013年开始启动第5代移动通信系统(5G)相关技术的研究. 2015年，国际电信联盟(ITU, international telecommunication union)无线部将5G正式命名为IMT-2020 (international mobile telecommunication-2020)，并发布了5G愿景白皮书ITU-R M.2083[1].白皮书从用户和应用、通信量增长、技术发展趋势、高频谱(6~100GHz)技术的研究以及频谱影响等方面对IMT-2020系统的整体框架和实现目标等进行了展望，以期实现20Gbit/s的最高峰值数据速率、100Mbit/s的用户体验速率和毫秒级时延等8项关键技术指标.这也标志着5G技术的标准化工作正式启动.
无线信道传播特性和模型不仅是无线通信领域最具活力的基础性研究，同时也是每一代移动通信技术评估、设备研发、系统设计和网络部署的前提条件.为了实现5G的需求，高频毫米波通信[2]、大规模天线[3]和超密集组网[4]等技术，作为5G的关键技术，对5G的信道模型带来了严峻的挑战.同时，5G移动通信技术的应用场景已经不仅局限于传统的蜂窝网络通信，同时向其他垂直行业领域的更多样化的场景渗透，如车载通信场景[5]和工业互联网场景等.因此，建立适用于高低频段、大带宽、多场景的统一、准确的信道模型是评估5G关键技术乃至整体技术方案的标尺，也是5G标准制定迫切需要完成的首要工作.
1 5G信道模型的挑战为了满足5G的峰值传输速率、频谱效率等技术指标需求，频率由于原有的6GHz以下频谱多种业务共存极度拥挤，向更高频段乃至毫米波段发展.多输入多出(MIMO, multiple input and multiple output)技术也从第4代移动通信系统(4G)的水平二维MIMO扩展到三维MIMO，甚至具有数百天线阵元大规模多天线.这些趋势为信道模型带来了巨大的挑战，主要可以概括为以下4个方面.
1) 高频段(6GHz以上)信道传播特性.随着频率升高，传播损耗较低频段而言显著增加，传播机制不同于低频段，绕射能力下降，易受到大气、雨、雾等自然条件以及其他阻挡物影响.
2) 大带宽(GHz级带宽).由于高频段应用，信道可达到GHz级带宽，从而使得在延时域具有极高的纳秒级分辨率.
3) 三维空间角度域特征.随着天线阵列从水平维度扩展到俯仰维度，信道俯仰角度的弥散特性，以及水平-俯仰角度的相关性将严重影响MIMO技术方案的选择.
4) 信道空间一致性.信道特性随着发射或接收端移动应呈现相关的连续变化，如何刻画这一变化规律将影响波束跟踪的算法和性能评估准确性.
此外，除了考虑5G技术带来的信道特性的新挑战和新变化，在制定5G信道模型标准时，还应考虑已有的经过实际网络部署验证过的低频段(6GHz以下)信道模型的兼容性.
为了建立可靠的5G信道模型，全球众多高等院校如美国的纽约大学[6]、南加州大学[7]，欧洲的隆德大学[3]、阿尔托大学[8]，中国的北京邮电大学[9-10]、东南大学、华北电力大学[11]等，与通信企业如爱立信、诺基亚、华为和中兴[12]等优势互补，积极合作，开展了多个场景和频率下的广泛信道测量和建模研究.
2 5G信道模型标准化进展在移动通信领域，第3代合作伙伴计划(3GPP, the 3rd generation partnership project)和国际电信联盟是两个最重要的国际标准化组织.目前，3GPP和ITU关于5G信道模型标准的制定工作已经完成.如表 1所示，主要涉及的标准包括3GPP TR 36.873[13]，3GPP TR 38.900[14]，3GPP TR 38.901[15]和ITU-R M.2412[16].相比于ITU-R 4G信道模型标准M.2135[17], 5G信道模型的主要特征是支持包括水平和俯仰的三维空间角度模型.
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表 1 3GPP、ITU信道模型标准概览 |
3GPP为了支撑3D MIMO技术评估，于2013年启动了三维空间信道模型的标准3GPP TR 36.873制定，并于2014年4月完成，但当时该标准仅包含了城市宏蜂窝和城市微蜂窝场景. 2015年底，3GPP启动了5G高频信道模型的研究，完成了3GPP TR 38.900《6GHz以上信道模型》和3GPP TR 38.901《0.5~100GHz信道模型》.同时，修订了适用于低频段的三维空间信道模型标准3GPP TR 36.873，补充了缺少的室内热点和农村宏蜂窝场景.
在3GPP启动5G信道模型研究后不久，国际电信联盟无线部(ITU-R, ITU-Radio)第5D工作组(WP5D, working party 5D)也于2016年2月启动5G信道模型标准制定的工作，并最终在2017年12月正式发布了ITU-R M.2412《IMT-2020空口技术评估指南》.该报告中将近百页的内容为5G技术评估的信道模型和仿真流程标准.
由于3GPP和ITU的5G信道模型标准研究阶段重叠，从初版完成时间来看，3GPP先于ITU完成相关的标准制定.但随着ITU的信道模型标准最终发布，3GPP依据ITU-R M.2412对其相关标准进行了相应的修订和完善.
3 ITU IMT-2020信道模型标准 3.1 信道模型概述在ITU-R M.2412中，定义了三类应用场景(usage scenario)，分别为增强移动宽带(eMBB, enhanced mobile broadband)、海量机器通信(mMTC, massive machine type communications)和高可靠低延时通信(URLLC, ultra-reliable and low latency communications).针对三类应用场景，设置了五类测试环境(test environment)，分别为室内热点-增强移动宽带(indoor hostpot-eMBB)、密集城区-增强移动宽带(dense urban-eMBB)、农村-增强移动宽带(rural-eMBB)、城市宏蜂窝-海量机器通信(urban macro-mMTC)、城市宏蜂窝-高可靠低延时通信(Urban Macro-URLLC).应用场景与测试环境的对应关系如表 2所示.
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表 2 应用场景、测试环境与信道模型映射关系 |
如图 1所示，IMT-2020信道模型包括3个模块：主信道模块(primary module)、6GHz以下扩展模块(extension module below 6GHz)和基于地图的混合信道模块(map-based hybrid channel module).其中IMT-2020主信道模块是基于几何的随机统计信道模型，也是标准规定的在仿真中的必选信道模型. 6GHz以下扩展模块，是产生用于主模块的6GHz以下信道参数的可选模型，其继承自ITU-R M.2135 4G信道模型标准.基于地图的混合信道模块，也是可选的模型，其基于数字地图利用射线追踪方法产生信道响应.后续分析主要针对IMT-2020主信道模块展开.
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图 1 IMT-2020信道模型[16] |
IMT-2020主信道模块包括两套信道模型集合，分别为模型集合A和B，任一模型集合都可以用于5G的技术评估.无论是模型集合A还是B，都包括室内热点(InH，indoor hotspot)、城市宏蜂窝(UMa，urban macro)、城市微蜂窝(UMi, urban micro)、农村宏蜂窝(RMa, rural macro)4类信道场景.信道模型与测试环境的映射关系由表 2给出.需要注意的是，测试环境和信道场景的部分名词表述极为相似，但其代表含义并不相同.
3.2 三维MIMO信道模型框架IMT-2020主信道模块的单链路三维MIMO建模框架如图 2所示.其中，两个大球分别代表发射端(Tx, transmitter)和接收端(Rx, receiver)的三维球坐标，假设Tx天线数为S，Rx天线数为U；小球体表示由散射体引起的簇(cluster)，共有N个簇，每个簇由M条射线(ray)组成；每条射线由延时、水平离开角、水平到达角、俯仰离开角、俯仰到达角等参数表示. U×S MIMO信道冲激响应矩阵可以表示为多个簇的叠加.
| $ \boldsymbol{H}(t ; \tau)=\sum\limits_{n=1}^{N} \boldsymbol{H}_{n}(t ; \tau) $ | (1) |
相比于ITU 4G信道模型标准，信道模型的主要变化是，将簇和射线的刻画从水平扩展到了三维空间，增加了俯仰离开角和到达角.此外，天线阵列也从原有的水平方向图扩展为三维方向图.
3.3 主信道模块仿真流程IMT-2020主信道模块的仿真流程主要分为三大部分，共12步骤，如图 3所示.
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图 3 IMT-2020主信道模块仿真流程[16] |
1) 全局参数(第1~4步)：包括设置信道场景、网络拓扑和天线响应；设置链路传播情况(视距/非视距)；计算路径损耗；生成大尺度参数.
2) 小尺度参数(第5~9步)：顺序生成延时、簇功率、离开角和到达角，随机匹配射线，最后生成交叉极化比.
3) 信道响应系数(第10~12步)：产生随机初始相位，生成信道系数，添加路径损耗和阴影衰落.
在主信道模块仿真流程中，相比于4G信道模型，增加了俯仰维度，因此要特别注意2个方面：一方面，角度尺度参数的取值，与角度的分布和簇数有关；另一方面，在生成小尺度参数的离开角和到达角时，水平角度的取值范围为0~360°，对于俯仰角度，其取值范围为0~180°.尤其是俯仰角度生成过程中，与水平角度不同，需要考虑平均角度偏移.
3.4 路径损耗模型路径损耗模型一般为收发距离和频率的函数. IMT-2020主信道模块的路损模型的一个重要特点是模型中的距离是收发天线间的三维距离，而不是传统的水平距离.
表 3给出了IMT-2020主信道模块中模型集合A和模型集合B的路径损耗模型的差异对比.总体来说，当频率大于6GHz时，模型集合A和模型集合B的路径损耗模型一致，主要区别差异在0.5~6GHz的低频范围，但对于不同的信道场景，2个模型集合的差异并不相同.
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表 3 模型集合A和B的路损模型比较 |
图 4和图 5分别显示了在视距和非视距情况下InH_A和InH_B的4GHz路径损耗对比结果.可以发现，在视距情况下，路径损耗差异极小，基本可以忽略；在非视距情况下，InH_A和InH_B存在交叉点，但整体趋势基本一致，在收发距离相差150m的范围内差值不超过3dB.
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图 4 室内热点路径损耗模型对比(视距) |
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图 5 室内热点路径损耗模型对比(非视距) |
图 6和7分别显示了在视距和非视距情况下UMi_A和UMi_B的4GHz路径损耗对比结果，可以明显看出，两者差异较大.在视距条件下，UMi_B路径损耗比UMi_A偏大约3dB，而在非视距条件下，UMi_B则较UMi_A偏小约5dB.
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图 6 城市微蜂窝路径损耗模型对比(视距) |
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图 7 城市微蜂窝路径损耗模型对比(非视距) |
对于UMa信道场景而言，2个模型在视距条件下完全一致；在非视距条件下，如采用典型的道路和平均楼高等参数，则模型一致.
对于RMa信道场景，2个模型集合的路损模型参数一致，但模型集合A建议的适用频率最高为6GHz，而模型集合B建议的适用频率范围为30GHz.但值得注意的是，模型B对其频率范围的扩展结论，是基于在24GHz的单一次信道测量结果得到的.
3.5 快衰落信道参数IMT-2020主信道模块的快衰落信道参数，可以分为以下几类：
1) 扩展值参数：延时扩展，水平离开角扩展，水平到达角扩展，俯仰离开角扩展，俯仰到达角扩展，阴影衰落，莱斯因子.
2) 分布类型：延时，水平角和俯仰角分布.
3) 参数相关系数：扩展值参数的相关系数.
4) 参数自相关距离：包括延时扩展、角度扩展、阴影衰落、莱斯因子自相关距离.
5) 交叉极化比，延时尺度参数.
6) 簇参数，包括簇数，簇内射线数，簇内延时扩展，簇内角度扩展.
IMT-2020主信道模块，与4G信道模型标准的主要差别之一是俯仰维度的扩展.其俯仰角度扩展参数和相关系数是该模型的重要参数.在0.5~6GHz低频段的俯仰维度信道参数主要来自于文献[18-19]的信道测量结果.
表 4给出了IMT-2020主信道模块中模型集合A和模型集合B的快衰落信道参数的差异对比.同路径损耗模型类似，模型集合A和模型集合B的快衰落信道参数，总体来说，频率高于6GHz时不存在差异，但在0.5~6GHz的低频段范围内，因信道场景的不同，部分参数存在差异.
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表 4 模型集合A和B的快衰落信道参数比较 |
快衰落信道参数差异最大的为UMi信道场景，图 8给出了UMi_A和UMi_B的延时扩展参数随频率变化的对比结果.可以看出，UMi_A延时扩展参数在6GHz频点处存在断点，且在小于6GHz时不随频率变化，而UMi_B延时扩展参数连续随频率变化，在2GHz以下保持恒定.
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图 8 三维MIMO信道模型建模框架 |
为了支持如波束追踪、超大带宽，超大规模天线等5G技术评估中的特殊需求，在IMT-2020主信道模块仿真流程中，可根据需要添加部分先进信道特性组件.先进信道特性组件共有9类，汇总于表 5中.
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表 5 先进信道特性汇总 |
在空间一致性模型中，针对用户终端移动性的模拟，包括2种方法，分别为SC-I和SC-II. SC-I模型的应用需要预先设定用户终端的移动轨迹和速度，以某个时刻的信道小尺度参数为基准，随着用户的移动，不断更新下一时刻的簇的延时和角度等参数. SC-II模型则利用信道参数的自相关距离，产生所有相邻的用户位置的信道参数，以实现用户位置变化过程中的信道参数的连续关联变化.
在阻挡效应模型中，也包括2种方法，分别为BL-I和BL-II. BL-I模型是一种随机方法建模人体或车辆的阻挡，通过定义一个二维的阻挡物，根据不同测试环境设置阻挡物密度和大小，在用户邻近区域随机生成阻挡物，进一步计算阻挡物的衰减.
BL-II模型则是基于几何的确定性方法，阻挡物的位置需要预先设定，产生特定尺寸的矩形阻挡面模拟阻挡物，再进一步计算阻挡物对于每个簇的参数的影响.
随机簇数模型，主要是用于弥补主仿真流程中某一确定信道场景下的簇数为固定值的问题.在实际传播环境中，簇是变化的.同时，由于频率的差异，在同一环境中，有效簇的数目也不相同.因此，通过将簇数建立成服从泊松分布的随机变量，更加准确的仿真信道中的簇特性.
4 结束语无线信道特性及模型是移动通信技术评估和系统设计的基础. 5G信道模型标准作为5G候选技术方案遴选的标尺，在标准化工作中具有重要地位.笔者从5G信道模型面临的挑战入手，总结和对比了ITU和3GPP的5G信道模型标准的主要特点和相互关系，重点阐述了ITU IMT-2020信道模型标准的仿真流程及先进信道特性，以促进5G信道模型标准在仿真中的广泛应用.
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