IMT-2020(5G)是面向2020年之后的第5代移动通信系统，毫米波技术作为IMT-2020的核心解决方案之一，可满足频谱效率、用户体验速率等关键技术要求. ITU-R在2017年制定了IMT-2020系统的最小关键技术指标及评估流程^[1]，以便学术组织来评估候选IMT-2020系统是否满足其关键技术指标.

移动通信行业是依托于频谱资源的重要行业之一.随着CMOS工艺的集成电路技术日益成熟，毫米波无线通信技术从原本昂贵且小批量的专业市场快速转向并应用在可以大规模量产的民用无线通信市场.所以，利用毫米波技术满足ITU-R的关键技术要求是解决移动通信行业频谱需求的重要手段之一.因此，毫米波通信被广泛认为是IMT-2020系统最主要的研究方向之一^[2].

相比于IMT-Advanced(4G)系统，在设计基于毫米波的IMT-2020系统时，需要考虑新的无线技术，如通过波束管理机制来提升无线链路的鲁棒性^[3]，增加发送端和接收端天线数量来提升系统性能增益^[4]等.通过分析可用的IMT-2020毫米波候选频段及对IMT-2020系统关键技术指标的研究，来评估在规定的测试环境下的基于毫米波的IMT-2020系统，并判断能否满足ITU-R所定义的技术指标，最终给出了仿真结果及其分析.

1 IMT-2020候选毫米波频段

在2015年ITU-R世界无线电第15次大会上，已确定国际移动通信发展可供研究的11个IMT-2020候选毫米波频段^[5].为明确未来IMT-2020实际可部署的频段，首先需开展候选频段与此频段现存业务共存问题的研究，研究内容包括候选频段或相邻频段内现有业务的技术特性和保护准则以及IMT-2020系统与相关现有无线电业务系统的兼容性和共存可能性.

ITU-R已经给出了在40.5~42.5 GHz频段IMT-2020与固定卫星业务的干扰共存场景.基于实际卫星覆盖面积和实际轨道，通过集总干扰计算方法，在考虑IMT-2020发射增益最大情况下，干扰余量大于0，说明集总干扰小于卫星的抗干扰门限共存余量充足.上述研究结果为将来在该频段的IMT-2020系统设计、部署和IMT-2020频率规划时提供借鉴.相比于其他候选频段，40.5~42.5 GHz频率相对较低，产业界器件成熟度高，已成为全球IMT-2020极力争取的频段，该频段IMT-2020系统与卫星间业务的兼容性分析也成为相关频率规划研究的热点和难点. 表 1所示为目前亚太地区主要国家对11个IMT-2020候选毫米波频段的观点，可观察到绝大多数国家都支持将40.5~42.5 GHz频段用于未来IMT-2020行业发展.

后续对IMT-2020的毫米波系统评估将基于40.5~42.5 GHz频段进行分析和研究.

2 IMT-2020多天线系统模型

考虑将毫米波场景下的基于大规模天线波束赋型模型作为评估IMT-2020系统的多天线模型，发射天线与接收天线皆为平面阵，且接收天线数为N_r，发射天线数为N_r.假设接收天线极化类型为双极化，N_t和N_r皆是偶数. IMT-2020多天线系统模型和其天线配置如图 1所示.

图 1中，V-Ant为垂直极化天线；H-Ant为水平极化天线.假设信道具有平坦衰落特性，则信道矩阵的输入输出关系应包含垂直到垂直、垂直到水平、水平到水平和水平到垂直4种极化波形.

接收信号可以表示为

$ \mathit{\boldsymbol{y}} = \sqrt \rho \mathit{\boldsymbol{Hf}}s + \mathit{\boldsymbol{ \boldsymbol{\varOmega} }}(0, 1) $

(1)

其中：f为无线接入点的预编码矩阵；Ω(0, 1)为N_r维度的高斯白噪声向量矩阵，其概率密度函数服从矩阵为0、方差为1的正态分布；s代表传输符号，每个传输符号能量需归一化；ρ为信噪比；信道H为双极化多天线信道^[6].因此，信道模型的建模方法可考虑ITU-R定义的毫米波信道模型^[7]，并假设有2个接收天线信道(u, s)，因此信道的冲击响应为

$ \begin{array}{l} \mathit{\boldsymbol{H}}(t) = \sqrt {{P_n}} \mathop \sum \limits_{m = 1}^M {\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\mathit{\boldsymbol{F}}_{{\rm{r}}x, u, {\rm{V}}}}\left( {{\varphi _{n, m}}, {\gamma _{n, m}}} \right)}\\ {{\mathit{\boldsymbol{F}}_{{\rm{r}}x, u, {\rm{H}}}}\left( {{\varphi _{n, m}}, {x_{n, m}}} \right)} \end{array}} \right]^{\rm{T}}} \times \\ \left[ \begin{array}{l} \exp \left( {{\rm{j}}\Phi _{n, m}^{{\rm{vv}}}} \right)\qquad \sqrt \kappa \exp \left( {{\rm{j}}\Phi _{n, m}^{{\rm{vh}}}} \right)\\ \sqrt \kappa \exp \left( {{\rm{j}}\Phi _{n, m}^{{\rm{hv}}}} \right)\;\;\;\;\;\;\;\exp \left( {{\rm{j}}\Phi _{n, m}^{{\rm{hh}}}} \right) \end{array} \right] \times \\ \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{{{\mathit{\boldsymbol{F}}}}_{{\rm{t}}x, u, {\rm{V}}}}\left( {{\phi _{n, m}}, {\theta _{n, m}}} \right)}\\ {{{{\mathit{\boldsymbol{F}}}}_{{\rm{t}}x, u, {\rm{H}}}}\left( {{\phi _{n, m}}, {\theta _{n, m}}} \right)} \end{array}} \right]\exp \;\left( {{\rm{j}}2\pi \lambda _0^{ - 1}{\mathit{\boldsymbol{r}}_s}{{{\mathit{\pmb{\Phi}}}}_{n, m}}} \right) \times \\ \begin{array}{*{20}{c}} {\exp \left( {j2\pi \lambda _0^{ - 1}{{{\mathit{\boldsymbol{r}}}}_u}{{{\mathit{\pmb{\Psi}}}}_{n, m}}} \right) \times }\\ {\exp \left( {{\rm{j}}k{\rm{||}}v{\rm{||}}\cos \left( {{\theta _{n, m, {\rm{AoA}}}} - {\theta _v}} \right)t} \right)} \end{array} \end{array} $

(2)

其中：n代表射线簇的索引号，m代表每条射线索引号，φ_{n, m}和γ_{n, m}分别为发射端和接收端射线簇中各条射线到达角，ϕ_{n, m}和θ_{n, m}分别为发射端和接收端射线簇中各条射线的发散角，F_{rx, u, V}和F_{rx, u, H}分别代表垂直和水平角度上射线的多径方向；κ为交叉极化功率比，λ₀为毫米波波长，{Φ_{n, m}^vv, Φ_{n, m}^vh, Φ_{n, m}^hv, Φ_{n, m}^hh}代表在垂直和水平极化的4个不用组合方向下(vv, vh, hv, hh)射线簇n中射线m的初始相位集合，r_u和r_s分别为接收和发送天线阵子的方位向量，Φ_{n, m}和Ψ_{n, m}分别代表空间到达和离开角的向量表达式，P_n为射线簇n的功率，v代表用户的速度.

3 基于毫米波的IMT-2020系统评估 3.1 毫米波测试环境及拓扑结构

测试环境有效地体现了不同地理环境特征和实际的应用场景条件.最典型IMT-2020系统的测试环境包括室内热点、密集城区、城市覆盖和农村.但是相比于低频段，毫米波面临更严重的路径损耗、穿透损耗和雨衰等信道特性，无法满足蜂窝网广覆盖的基本需求.由于毫米波频段能够分配更大的带宽，所以能有效地提升系统的传输速率.基于此，下面将主要介绍室内热点和密集城区这2个典型毫米波测试环境的定义和网络拓扑结构.

1) 室内热点

室内热点测试环境为办公室孤立小区或基于固定和步行用户的室内环境，其关键特性是密集的室内蜂窝小区、用户高吞吐量和稠密的用户密度，拓扑结构如图 2所示.该测试环境可描述为建筑物某一层的地理情况^[8]，具体设计为层高3 m，包含16个15 m×15 m正方形隔断和1个120 m×20 m长廊.长廊两侧天花板上平均分布12个无线接入点站址，站间距20 m，两侧的第一个无线接入点距离建筑物10 m.

2) 密集城区

密集城区测试环境是具有密集用户和慢速车辆的城市密集微蜂窝环境，其关键特性是密集蜂窝小区、室外到室内广覆盖、高用户密度和城市人口稠密地区的高传输负载.因此，该测试环境假设为连续蜂窝布局且存在蜂窝间相关干扰.无线接入点部署在屋顶水平之下.

密集城区测试环境的网络拓扑如图 3所示.无线接入点被部署在有规律的六角形蜂窝网格中.同一站址可部署3个接入点，且相互间方向角度为120°，箭头指向方向为无线接入点面对朝向.在性能仿真评估中，将建模19个站址，共57个无线接入点的蜂窝小区，站间距为200 m ^[9].

3.2 关键技术指标和评估方法

ITU-R给出的IMT-2020系统需要满足的关键技术指标中，大部分指标评估可通过理论分析来完成，但对于毫米波所涉及的重要技术指标，如小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率，需通过系统仿真来模拟真实组网环境进行评估.在仿真中需考虑不同测试环境下的信道条件以及小区或用户间的干扰等实际情况.因此，下面对小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率这2个IMT-2020毫米波关键技术指标进行分析，并给出其评估方法.

1) 小区平均频谱效率

在包括N个用户的用户群和M个无线接入点的IMT-2020系统中，R_i(T)表示用户i(i=1, 2，…，N)下行正确接收的比特数或者从用户i上行正确接收的比特数；W为信道带宽；T为接收数据的时间.小区平均频谱效率可以通过系统仿真多次撒点来估计，N_drops为撒点次数.第j次撒点仿真得到的正确接收比特数为${R^{(j)}}(T) = \sum\limits_{i = 1}^N {{R_i}} (T)$；那么在${\rm{R(T) = }}\sum\limits_{j = 1}^{{N_{{\rm{ drops }}}}} {{R^{(j)}}} (T)$次撒点后的总接收比特数可以表示为.小区平均频谱效率估计值可表示为

$ {\widehat {SE}_{{\rm{ arg }}}} = \frac{{\sum\limits_{j = 1}^{{N_{{\rm{ drops }}}}} {{R^{(j)}}} (T)}}{{{N_{{\rm{ drops }}}}TWM}}{\rm{ = }}\frac{{\sum\limits_{j = 1}^{{N_{{\rm{ drops }}}}} {\sum\limits_{i = 1}^N {R_i^{(j)}} } (T)}}{{{N_{{\rm{ drops }}}}TWM}} $

(3)

其中：${\widehat {SE}_{{\rm{avg}}}}$为小区平均频谱效率的估计值；R_i^(j)(T)为第j次撒点中用户i正确接收比特的总数.当N_drops越大时，越接近实际平均谱效值.

2) 小区边缘用户频谱效率

小区边缘用户频谱效率定义为对所有可能的用户位置估计归一化用户吞吐量累积分布函数(CDF，cumulative distribution function)的第5百分点.

设在第j次撒点中用户i在接收数据时间T区间内的正确接收比特数表示为R_i^(j)(T)，对于用户i的非调度期，累积比特为0.那么在总时间内，用户i收到的累计服务时间T_i≤T，其中服务时间是第一个数据包到达和最后一个数据包被正确解码的时间.用户i的速率计算公式为

$ r_i^{(j)} = \frac{{R_i^{(j)}(T)}}{{{T_i}W}} $

(4)

通过撒点N_drops次来计算式(4)会得到N_drops×N个r_i^(j)值，在CDF曲线上最低的5%百分位的值即为小区边缘用户频谱效率，其中N代表N个用户的用户群.

4 40.5~42.5 GHz评估结果 4.1 IMT-2020系统信道特性

由于40.5~42.5 GHz毫米波的IMT-2020系统信道特性相比于低频段会有很大差异性，所以有必要先基于“2 IMT-2020系统”给出的IMT-2020系统和信道来分析其信道特性.通过观察耦合损耗(CL，coupling loss)和用户信干噪比(SINR, signal to interference plus noise ratio)分布来分析其信道特性.

1) 耦合损耗

耦合损耗定义为无线接入点发射功率和用户接收功率的差.耦合损耗不仅可以体现系统和用户两端的硬件损耗，而且能有效说明信号在无线信道里的路损大小.

图 4给出了室内热点测试环境耦合损耗的CDF.可以看出，室内热点测试场景用户的耦合损耗基本在-105~-42 dB.由于室内场景阻挡少且用户距离无线接入点基本在10 m以内，即使在40.5~42.5 GHz下路损、穿透损耗依然严重，但在此测试场景下大部分移动用户移动无线信道都处在视距中，因此即使非视距(NLOS)比视距(LOS)用户大部分有20 dB的差距，但是NLOS出现概率低，从而总用户与LOS用户CDF趋势接近.

图 5给出了密集城区测试环境耦合损耗的CDF，在图 4的基础上又区别出室内、室外用户的耦合损耗. 图 5显示，密集城区测试场景用户的耦合损耗基本在-171~-64 dB，其严重的耦合损耗结果也符合3.1节中毫米波在密集城区测试场景中所提到的恶劣信道条件.

用户信干噪比分布为蜂窝小区内移动用户接收到的信号质量，不仅能有效体现传输数据在无线信道里面的传输质量，而且能体现出邻区对目标用户的干扰情况.

图 6和图 7所示分别为室内热点和密集城区测试环境用户用户信干噪比分布.

从图 6中可以观测到，室内热点测试场景的用户信干噪比总用户分布收敛在-2~56 dB，并且NLOS和LOS用户用户信干噪比分布与总用户基本一致，说明此测试场景下40.5~42.5 GHz的信道条件稳定.值得注意的是，后5%用户的用户信干噪比大约在5 dB以下，这是由于仅20 m的站间距对于无线接入点小区边缘用户受到邻区的干扰更加严重.

图 7显示密集城区测试场景用户的用户信干噪比分布基本在-43~56 dB.具体来讲，室内NLOS用户的用户信干噪比低于总用户大约10 dB左右；然而室外LOS用户优于总用户分布大约12 dB.分析各类用户的后5%分布情况，总用户的用户信干噪比分布总是低于室内LOS、室外NLOS和室外NLOS用户取值.这说明在密集城区测试环境中边缘用户全部来自信道条件恶劣的室内NLOS用户，且用户信干噪比基本低于-16 dB，在40.5~42.5 GHz的大站间距以及具有室外对室内传播的测试环境下其信道条件不理想，容易受到严重的邻区干扰.小区的平均用户(图中45%~65%取值范围内的用户)主要集中在室内LOS、室外NLOS和极少数室外LOS用户，从而进一步说明毫米波在复杂的城区环境下，信道可视路径的概率有明显下降.

4.2 IMT-2020系统特性

通过3.2节对小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率的分析，对于40.5~42.5 GHz的IMT-2020系统特性的评估，在室内热点测试场景下，需要降低小区边缘用户所面对的邻区干扰.而在密集城区测试场景下，需要通过波束管理及多天线等技术来克服严重的路径损耗和穿透损耗.

表 2给出在40.5~42.5 GHz下IMT-2020系统的室内热点和密集城区测试环境小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率的系统仿真评估结果，其评估假设与ITU要求一致，见文献[7].可以观察到，室内热点和密集城区测试环境下的评估结果均满足且超过ITU-R定义的小区平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率的最小要求.其中在室内热点测试环境下，小区平均频谱效率比其相对应的关键指标有47%的提升；而小区边缘用户频谱效率大约有107%的提升.在密集城区测试环境下，小区平均频谱效率与ITU所定义的相应关键指标有6.4%的提升；而小区边缘用户频谱效率大约有11.1%的提升.

以上结果与4.1节分析的信道特性表现一致，说明评估方法合理，评估结果可信.进一步对2个测试场景评估结果进行比较分析可以发现，室内热点测试场景的性能评估结果增益远远高于密集城区测试场景，说明在40.5~42.5 GHz的毫米波频段下IMT-2020系统在简单信道环境下系统性能优秀.在复杂的信道环境下，如密集城区测试环境下，即使能满足要求，在技术上也还需进一步提升.

5 结束语

通过研究毫米波相关的技术特性、测试环境和关键技术指标，对在40.5~42.5 GHz毫米波频段下的IMT-2020系统进行分析和评估.结果表明, 在此频段下，IMT-2020系统可以满足ITU-R所要求的关键技术指标.以上研究成果作为中国的建议已经提交给ITU-R, 并且已经被ITU-R在国际标准ITU-R M.2410^[1]和ITU-R M.2412^[7]中采纳.下一步将研究其他ITU-R候选毫米波频段可被IMT-2020使用的可行性.