6G新中频段/FR3(6-24 GHz)信道测量、特性与建模研究：从地面通信到空地一体化的综合探索

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：6G New Mid-Band/FR3 (6-24 GHz): Channel Measurement, Characteristics and Modeling

为解决6G移动通信系统在中频段(6-24 GHz)信道特性认知不足的问题，研究人员开展了多场景、多频段的系统性信道测量研究。通过设计高精度SISO和TDM-MIMO信道探测平台，在UMa、UMi和O2I等典型室外场景下，首次全面总结了路径损耗、时延扩展、角度扩展、信道稀疏性、近场特性等关键参数。研究发现3GPP TR 38.901模型在木材穿透损耗预测方面仍具参考价值，但对混凝土和玻璃的预测存在显著偏差。该研究为6G中频段频谱规划、基站部署和系统设计提供了重要的理论和数据支撑。

　　

随着移动通信技术从1G演进到5G，每一代技术革新都伴随着新频段的开发以满足日益增长的连接需求。2023年6月，国际电信联盟无线通信部门(ITU-R) WP 5D会议明确了第六代移动通信系统(6G)的总体目标，提出了六大应用场景，强调了对超高数据速率和广覆盖能力的迫切需求。然而，现有频谱资源已难以满足这些要求，迫切需要开发新的频段。

在这一背景下，6-24 GHz的新中频段(包括FR3频段)因其兼具低频段覆盖优势和高频段容量潜力而备受关注。这一频段被视为5G-Advanced Release 18和未来6G系统的关键频谱资源，但其中频段信道特性尚未得到系统研究。无线信道作为发射机(TX)和接收机(RX)之间的传输介质，决定着移动通信系统的最终性能极限，因此开展中频段信道特性研究具有重要理论价值和实践意义。

为了填补这一研究空白，北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室的研究团队在《IEEE Open Journal of the Communications Society》上发表了题为"6G新中频段/FR3(6-24 GHz)：信道测量、特性与建模"的论文，通过系统的信道测量活动，全面分析了中频段在多场景下的传播特性。

研究人员采用了多种关键技术方法开展研究。在信道探测方面，设计了基于时域扩频滑动相关原理的单输入单输出(SISO)信道测量平台和基于时分复用多输入多输出(TDM-MIMO)技术的大规模MIMO信道探测平台，工作频率覆盖3-16 GHz，最大带宽达2 GHz。在数据处理方面，采用空间交替广义期望最大化(SAGE)算法提取多径参数，并通过反向快速傅里叶变换(IFFT)处理获取信道冲激响应(CIR)。测量场景涵盖城市宏蜂窝(UMa)、城市微蜂窝(UMi)和室外到室内(O2I)等典型环境，同时考虑了地面通信和空地通信两种链路类型。

地面通信信道特性研究

在远场信道特性方面，研究团队首先分析了路径损耗模型。通过采用CI(Close-In)自由空间参考距离模型和ABG(Alpha-Beta-Gamma)模型，发现在视距(LOS)条件下，路径损耗指数(PLE)与3GPP UMi-LOS模型中的n=2.1基本吻合，而在非视距(NLOS)条件下，PLE随频率升高而增大，表明高频信号在NLOS环境中的覆盖能力较弱。

时延扩展分析显示，随着频率从3.3 GHz增加到28 GHz，均方根时延扩展(RMS DS)显著减小，在28 GHz频段仅为几纳秒量级。这一发现对正交频分复用(OFDM)保护间隔的设计具有重要指导意义，高频段可采用更短的保护间隔，从而提高有用数据的传输速率。

角度扩展研究结果表明，在6 GHz频段的UMa场景中，LOS条件下的均方根角度扩展(RMS AS)均值为30.90°，NLOS条件下增加至44.67°，反映出NLOS环境下多径分量在角度域上更为分散的特性。

信道稀疏性分析采用了基尼指数(Gini index)作为衡量指标。研究发现，在13 GHz的UMa场景中，LOS条件下的基尼指数为0.95，NLOS条件下为0.85，表明中频段信道具有明显的稀疏特性。通过引入簇内功率(ICP)因子对3GPP信道模型进行改进，显著提高了信道稀疏性表征的准确性。

信道容量分析表明，NLOS条件下的信道容量往往高于LOS条件，且随着天线阵列规模的扩大，信道容量显著提升，这为超大规模多输入多输出(XL-MIMO)技术在6G系统中的应用提供了理论依据。

在近场信道与空间非平稳特性研究方面，团队通过相位验证确认了球面波信号模型的准确性，发现近场相位在阵列上呈现非线性分布，而远场相位则为线性分布。通过引入功率衰减因子(α_n,s)改进了空间非平稳(SnS)信道模型，更好地表征了簇在可见区域内的功率波动特性。

空地通信信道特性研究

在空地通信方面，研究重点分析了杂波损耗特性。测量活动在10.2-14.8 GHz频段内进行，通过比较不同频率点的杂波损耗累积分布函数(CDF)，发现杂波损耗在FR3频段内对频率的依赖性不显著，这一发现对卫星通信系统的链路预算设计具有重要意义。

穿透损耗特性研究

针对建筑材料穿透损耗的研究显示，木材的穿透损耗与厚度呈正相关，经验关系为PL_wood(δ) = 0.58δ + 4.63(dB)，其中δ为厚度(厘米)。混凝土的穿透损耗随频率升高而显著增加，且与3GPP TR 38.901模型预测存在较大偏差。玻璃的穿透损耗特性较为复杂，磨砂玻璃甚至呈现负斜率，表明现有模型需要进一步优化。

室外O2I穿透损耗测量表明，混凝土外墙的穿透损耗比室内墙体高约5 dB，且斜率与标准模型存在差异，进一步证实了现有信道模型在中频段的局限性。

研究结论与意义

本研究通过系统的信道测量活动，全面揭示了6-24 GHz中频段在多场景下的传播特性。主要结论包括：中频段信道在NLOS条件下呈现明显的频率依赖性，路径损耗随频率升高而增大；信道具有稀疏特性，可通过改进的ICP因子更准确表征；近场效应在XL-MIMO系统中不可忽视，球面波模型更符合实际传播特性；杂波损耗在FR3频段对频率不敏感，而穿透损耗则表现出明显的材料和频率依赖性。

这些发现对6G系统设计和标准化工作具有重要指导意义：为基站部署和网络规划提供了准确的信道模型；为天线设计和波束成形算法优化提供了理论依据；为频谱分配和系统参数设计提供了数据支撑。研究成果已在高性能计算平台(https://hpc.bupt.edu.cn/dataset-public/datasets)上公开，涵盖室外UMa、UMi和室内热点等多种场景，覆盖sub-6 GHz、新中频段/FR3、毫米波和太赫兹等多个频段，为后续研究提供了宝贵资源。

该研究不仅填补了中频段信道特性认知的空白，也为未来无线通信技术的发展奠定了坚实基础，对推动6G技术创新和产业应用具有深远影响。