市區巨細胞無線電通道之空間
(角度)-時間特徵研究
Characterization of Spatio(Angular)-Temporal Radio Channels in
Urban Macrocells
計劃編號：NSC89-2213-E009-194 執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
主持人：唐震寰 國立交通大學電信工程學系 1.中文摘要 本論文利用先進的寬頻向量通道響 應量測系統在交通大學光復校區及台北市 等巨細胞環境進行無線通道空－時特性如 脈衝響應及多重路徑入射角分佈之實地量 測，進而驗證適應環境性傳播模型所預估 延遲時間與水平入射角之效能。 關鍵詞：空-時通道、智慧型天線、適應環 境性傳播模型 Abstract
In this project, we employ a wideband channel sounder to perform the measurement of channel impulse responses and multipath AOA(Angle of Arrival) at National Chiao-Tung University campus and Taipei city. The site-specific model is validated by using the measurement result. It is found that the model works well except the prediction of local cluster scattering effects.
key word：Spatio-temporal Channel, Smart
Antenna, Site-Specific Propagation Model
2.簡介 在無線通訊系統中，訊號受到傳播路 徑鄰近或遠方物體反射、繞射或散射效 應，天線接收不同角度/延遲時間入射的多 重路徑波，造成衰落(fading)與干擾的結 果。早期無線電通道統計模型通常是為了 窄頻信號傳輸系統所開發，因此大多只考 慮隨時間改變的接收訊號振幅與相位，而 後來發展的模型大多都加入了時間延遲擴 散的考量，時間延遲擴散效應對於數位調 變的通訊鏈路是相當重要的。直到目前， 為因應 SDMA 及智慧型天線系統之應 用，無線通道模型大都考量通道隨空間與 時間變化之特性，例如探討多重路徑之 TOA(Time of Arrival) 與 AOA(Angle of Arrival) [1-2]。本研究將利用功能完整之寬 頻向量通道響應量測系統，擷取並分析巨
細胞向量通道之TOA 及 AOA 特性，並利
用 適 應 環 境 性 傳 播 模 型 (site-specific
propagation model) [3]分析與比較 TOA 與 AOA 量測結果。 3.寬頻向量通道通道響應量測系統 圖1 為向量通道響應量測之系統方塊 圖[7]，其中發射天線為全向性天線，RF 中 心 頻 率 為 2.44GHz ， 訊 號 頻 寬 為 120MHz，發射功率為 30dBm。接收天線 為8 個單元（element）的均勻線性陣列天 線，單元間隔為λ ，有效範圍為/2 120°（接 收陣列天線可視範圍）。發射與接收天線皆 為鉛直極化，接收信號擷取至 DRU 後經 由 同 軸 網 路 線 傳 送 至 PC ， 最 後 採 用
MATSYS 軟體做 TOA 及 AOA 之離線分
析。其中RFT 的 Dynamic range 為 40dB。 4. 量測環境與參數 本論文分別於交大光復校區及台北市 信義區進行量測。圖2 為交大光復校區量 測路線圖，其中接收端陣列天線有效天線 高度（從地面起算）為34.2 公尺。發射天
線有效高度為1.7 公尺。其中路徑#1 起點 由資訊館與工三館之路口往操場方向行 進，迄點為工三館與工四館之間的路口， 行進方向與接收陣列單元排列方向平行， T-R 距離由 140 公尺到 160 公尺，路徑總 長度為 50 公尺，每 5 公尺（40.65λ ）做 一次定點量測，共計量11 個大點，該路徑 皆 為 非 視 線 內 傳 播(Non-Light Of Sight, NLOS)的環境，走道旁有零星停放車輛， 主要傳播模型為屋頂繞射、牆面反射波與 牆角繞射波，量測該路徑之目的是瞭解非 視線內傳播時，牆角繞射與屋頂繞射之散 射效應。圖 3(path#2、3)為台北市信義區 量測路線圖，其中接收陣列天線(Rx)架設 在中華電信研究所軟體大樓上，有效天線 高度38.5 公尺。發射天線高度為 1.7 公尺。 量測的過程中陣列天線始終面向量測路 徑，且大部份的傳播播環境皆為 NLOS。 量測過程中，將發射端放置於量測車上， 以每小時10 公里的車速前進，改變發射天 線的位置，分析時兩個取樣點位置相隔2.8 公尺（22.76λ ），亦即每秒分析一次。 5.預估結果： 圖 4、圖 5 分別為不同頻率電波在都會 區LOS 及 NLOS 傳播時角度擴散棟準差計 次累積分佈預估結果。圖6 為角度擴散平 均值與標準差隨水平距離著變化情形，由 圖 6(a)可知距離短時角度擴散之平均值比 較大，當距離變長時平均值變得比較小； 圖 6(b)顯示角度擴散之標準差和水平距離 較無直接的關係，因其和所在環境建物分 佈有關。 6. 量測結果與分析： 路徑1 圖 7、圖 8 分別為適應環境性傳播模 型 估 算 結 果 、 量 測 結 果 所 繪 出 的 PDP(Power Delay Profile)。圖 8 中第一個 到達的脈衝接收功率甚小，反而傳播距離 較遠的標記D 脈衝接收功率較高，此乃是 由於工三館屋頂並非平整，屋頂上仍有些 許障礙物，因此標記A 的脈衝經過工三館 屋頂繞射時功率衰減甚多，而標記B 的脈 衝已超過ISB 面，接收功率亦急遽下降， 反之行動台相對於標記D 之繞射點而言處 於第Ⅰ區，故接收功率較高。圖9、圖 10 分別為適應環境性傳播模型計算、量測結
果之 TOA 與 AOA 所繪出之 DAS(Delay
Azimuth Spectrum)，其中 delay 的時間則
由其估算出的TOA 加上 490.7ns，與圖7 之量測結果比較，圖4 中標記 F 的脈衝應 為二次反射所造成，其餘主要傳播路徑皆 可預估得。 路徑2 圖 11、圖 12 為信義路復興南路口往東 至信義路敦化南路口之量測結果，由於量 測起始點附近位於交叉路口，兩側建築物 多為17、8 層以上之高樓，且道路兩旁種 植二層樓高以上的行道樹，故主要傳播效 應為區域散射、屋頂繞射及遠端牆面反
射，且Delay Spread 與 Angle Spread 比較
大，並隨著距離之改變上下振盪。當量測
距離超過50 尺時，建築物高度有下降之趉
勢，大約維特4 至 8 層樓高，此時屋頂繞
射與區域散射為主要之傳播效應，遠端反
射效應不見了，Delay Spread 與 Angle
Spread 也跟著漸漸降低。當量測距離超過 270 公尺時，發射點位於信義路 74 巷巷
口，由於此時為LOS 環境，且發射端與接
收端距離最小，故 Delay Spread 與 Angel
Spread 最小，約為 120ns 與 3 度；而當發 射點位於巷口兩邊轉角附近時，此時仍屬 於NLOS 環境，除了之前的區域散射、屋 頂繞射、遠端牆面反射外，還多了牆角繞 射效應，故Delay Spread 有突然增加之趨 勢，Angle Spread 則沒有多大的變動，因 為波傳播的方向被限制在巷道內。過了74 巷巷口後，又恢復了NLOS 環境，且建築 物高度增加至 10~15 層樓，Delay Spread 與Angle Spread 增加，且開始振盪。 路徑3 圖 13、圖 14 為自信義路與敦化南路 口往南的量測結果，由於敦化南路西側皆 為二十層以上大樓，所以大部份情況下皆 為NLOS 環境，主要傳播效應為牆角繞射 與遠端繞射點散射，Delay Spread 約在 300 至 500ns 間振盪，Angle Spread 約在
20 度左右。不過當量測距離在 100 公尺到 250 公尺之間時，有幾處 Angle Spread 與 Delay Spread 突然變小，此乃由於接收天 線陣列與發射端恰好能夠在大樓相鄰間隙 形成LOS 傳播；在 250 公尺之後，此種情 形便不再生，且由於建築物高度及密度依
然 偏 高 ， 因 此 Delay Spread 與 Angle
Spread 仍然持續在一定範圍內振盪。由路 徑 三 的 量 測 可 知 ， 高 建 築 物 所 形 成 之 NLOS 傳播環境使得 Delay Spread 與 Angle Spread 整體分佈雖然偏高但變化卻較為平 緩(上下振盪)。另外，路徑尾端的距離已 愈來愈遠，建築物分佈情形也較為複雜， 因此 Angle Spread 以及 Delay Spread 也 逐漸上升。 7. 結論： 在本研究中，吾人利用先進的向量通 道響應系統在交大校園與台北市信義區進 行通道響應與特性之量測，進而分析與驗 證適應環境性傳播模型所預估延遲時間與 水平入射角之效能。我們發現在基地台陣 列天線接收訊號脈衝響應均會呈現叢集式 多重路徑傳播效應，包括直接波附近之區 域散射體群與遠端反射／繞射體附近之區 域散射體群所造成的叢集效應。而適應環 境性傳播模型僅能預估主要電波傳播路 徑，無法預估散射效應。未來應加入統計 通道模型彌補該項不足。 8.參考文獻：
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PTS：Portable Transmitting Station MUX：Multiplexer
RFT：Radio Frequency Tuner DRU：Digital Receiving Unit
MATSYS Off-line Analysis On-line
Measurement Stochastic time variant
multipath channel
圖3：台北市量測路線圖 圖4：不同頻率電波在都會區(台北市)LOS 傳播時角度擴散標 準差計次累積分佈預估結果 圖5：不同頻率電波在都會區(台北市)NLOS 傳播時角度擴散標準 差計次累積分佈預估結果 圖6： (a)角度擴散平均值 V.S. 水平距離 (b)角度擴散標準公差 V.S 水平距離 圖7 路徑#1 距離起點 10 公尺處估算之傳播功率延遲 圖8 路徑#1 距離起點 10 公尺處傳播功率延遲之量測結果
圖9 路徑#1 距離起點 10 公尺處估算之 DAS 圖10 路徑#1 距離起點 10 公尺處 DAS 之量測結果
圖11 信義路量測之 Delay Spread 圖12 信義路量測之 Angle Spread
0 200 400 600 800 1000 0 52 104 156 208 260 312 364 416 468 distance(m) delay spread(ns) Delay spread
0 10 20 30 40 0 56 112 168 224 280 336 392 448 distance(m) angle spread(degree) Angle Spread
圖13 敦化南路量測之 Delay Spread 圖14 敦化南路量測之 Angle Spread
Delay Spread 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 27 54 81 108 135 162 189 216 243 270 297 distance(m) time(ns) 數列1 Azimuth Spread 0 10 20 30 40 50 60 0 21.6 43.2 64.8 86.4 108 130 151 173 194 216 238 259 281 302 distance(m) 數列1
