基于SDR的便携式6G中频段信道探测系统设计与验证：FR1与FR3频段在相同部署场景下的直接比较研究

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：SDR-Based Portable Channel Sounding System for 6G FR1 and FR3 Bands: Design and Validation

本文针对6G候选中频段信道模型研究中缺乏在相同部署场景下对不同频段进行直接比较的问题，提出了一种基于软件定义无线电(SDR)的异步便携式信道探测系统。该系统采用Zadoff-Chu(ZC)序列，在FR1(4.55 GHz)和FR3(6.55 GHz、7.15 GHz)频段进行了室内热点(InH)和城市微蜂窝(UMi)环境下的信道测量。研究结果表明，该系统能够获取高分辨率信道冲激响应(CIR)，并通过路径损耗和大尺度特性分析验证了其有效性，为6G频段选择提供了实用参考。

　　

随着第六代移动通信技术(6G)的快速发展，业界对能够支持智能沉浸式服务（如增强现实、扩展现实和自治系统）的无线网络提出了更高要求。这些服务需要在频谱效率、超低延迟和大规模连接方面实现前所未有的性能。为了满足这些严格需求，6G预计将从第五代(5G)网络定义的核心服务场景演进并扩展，同时集成传感与通信(ISAC)、智能表面和高精度定位等变革性技术也日益受到关注。

然而，在6G发展初期，高频段如毫米波(mmWave)和亚太赫兹(sub-THz)因其超宽带宽潜力而被视为重要选择，但后续5G研究揭示了其固有局限性，包括阻塞敏感性和严重穿透损耗。作为替代方案，中频段因其较低路径损耗和更稳定的信道特性而备受关注，这些优势对于在动态或非视距(NLOS)场景下保持可靠连接至关重要。

目前存在的信道模型（如3GPP标准中规定的模型）大多基于在不同环境下对单个频率进行的测量，无法完全捕捉相同部署条件下多个频段的比较行为。这对移动网络运营商(MNO)评估候选频段权衡决策时造成了困难。此外，在密集授权的中频段频谱中获取高分辨率信道冲激响应(CIR)受到限制，现有方法通常依赖昂贵且需同步的设备，限制了便携性和多功能性。

为了解决这些问题，研究人员开发了一种基于赛灵思射频片上系统(RFSoC)板的异步便携式SDR信道探测系统。该系统采用ZC序列，在相同收发条件下实现了FR1和FR3频段的直接比较。通过背对背校准验证后，该平台被用于在InH和UMi环境中进行信道测量。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先设计了基于RFSoC的收发器硬件架构，支持在授权100 MHz带宽内生成任意波形，并以高达1 GHz的采样率进行过采样；其次开发了定制驱动和信号处理软件，采用PYNQ开源框架实现硬件控制；最后利用ZC序列的恒定幅度零自相关(CAZAC)特性，通过滑动相关和压缩感知技术进行CIR重构。

系统设计与验证

研究人员开发了基带收发器调制解调器，在有限带宽内捕获高分辨率CIR。每个发射机(TX)和接收机(RX)系统采用最小化射频前端实现紧凑设计，其异步操作消除了精确时钟同步需求。系统动态范围在4.55 GHz、6.55 GHz和7.15 GHz分别达到131.65 dB、129.33 dB和125.47 dB，验证了系统在便携式测量中的有效性。

测量场景与设置

实验包含三个室内场景和一个室外场景，分别对应3GPP信道模型中的InH和UMi环境。室内测量在庆北国立大学IT-1大楼进行，TX位置包括走廊(LOS)、办公室(NLOS)和角落(NLOS)。室外测量以IT-3大楼为中心约170米半径范围内进行，TX置于15米高屋顶，RX采用背包式移动测量。

路径损耗模型分析

研究采用三种经验路径损耗模型：近距离(CI)模型、频率依赖性近距离(CIF)模型和Alpha-Beta-Gamma(ABG)模型进行分析。室内测量确认了路径损耗随距离和频率增加的理论趋势，在走廊场景中CI模型的路径损耗指数(PLE)范围为1.26-1.50，表明LOS条件下距离依赖性变化小于NLOS。ABG模型对测量数据的拟合效果最佳，表明在室内NLOS环境中，当TX-RX链路完全受阻时，路径损耗随距离变化更明显。

大尺度特性分析

K因子统计分析显示，室内LOS和NLOS场景在中值上差异最显著：LOS中值为正，而NLOS中值为负，表明LOS条件下主导路径通常更强。室外环境的K因子值普遍低于室内，因为室外环境具有更丰富的多径特性。阴影衰落的自动相关性分析表明，在室外环境中，LOS条件下的去相关距离通常大于NLOS条件，表明LOS链路具有更强的空间相关性。

与3GPP模型比较

将测量结果与3GPP标准比较发现，走廊测量的PLE普遍小于3GPP InH LOS参考值，而延迟扩展的平均值(μ_DS)和标准差(σ_DS)以及阴影因子的标准差(σ_SF)相对较大，这可能是由于多径成分丰富和波导效应所致。室外测量参数趋势与3GPP模型基本一致，但由于测量范围有限(35.8-100.2米)，NLOS场景的PLE值略高于标准规定。

本研究成功开发了一种紧凑型SDR基异步信道探测系统，用于6G候选频段FR1和FR3的室内外测量。与传统信道探测器相比，该系统成本效益更高，在不同测量场景间具有良好可扩展性。通过使用ZC序列提取关键路径损耗和大尺度参数，研究提供了中频频段InH和UMi环境的全面测量分析，为未来6G标准化提供了宝贵见解。该系统平台为进一步扩展测量场景覆盖更广泛传播环境奠定了基础，通过集成板载DAC和ADC模块构建完整射频链，未来可扩展至多天线配置，为全面空间表征和先进6G信道建模提供有前景的平台。

研究结果表明，中频段在6G通信中具有重要潜力，特别是在挑战性传播条件下能提供更稳定的连接。不同频段在相同环境下的直接比较为移动网络运营商的频段选择决策提供了实用参考，对未来6G网络部署和标准化工作具有重要意义。该研究不仅验证了提出的SDR基信道探测系统的有效性，还为后续更广泛的信道测量和建模研究奠定了坚实基础。