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Measurement-Based Massive MIMO Channel Characterization and Performance Evaluation at FR3 (8 and 15 GHz) Under Equal Physical Aperture

该研究基于等物理孔径约束下的实测数据，揭示了 FR3 频段（8 和 15 GHz）在 Urban Macro 场景中的信道稀疏性特征，表明 15 GHz 虽在小区边缘存在约 3.0 dB 的覆盖劣势，但凭借可容纳更多天线元件的优势显著提升了频谱效率，且系统性能对具体阵列拓扑不敏感，从而为 6G 基站的空间域设计与工程部署提供了理论依据。

原作者： Enrui Liu, Pan Tang, Haiyang Miao, Qi Zhen, Jianhua Zhang

发布于 2026-04-20

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CC BY 4.0

原作者： Enrui Liu, Pan Tang, Haiyang Miao, Qi Zhen, Jianhua Zhang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

这篇文章主要研究了6G 移动通信中一个非常关键的频段（我们称之为"FR3"，大约在 8GHz 和 15GHz 之间），并解决了一个核心难题：在基站天线的大小（物理面积）固定不变的情况下，是选低频段好，还是选高频段好？

为了让你更容易理解，我们可以把整个研究过程想象成**“在同样大小的窗户里，是装大玻璃好，还是装小玻璃好？”**的比喻。

1. 核心背景：为什么要研究这个？

现状：现在的 5G 主要用低频（像 Sub-6GHz），信号传得远，但带宽（网速潜力）不够大。未来的 6G 需要更快的速度，所以想往更高的频率（8GHz 和 15GHz）跑。
矛盾：频率越高，信号传得越近（衰减大），而且容易穿不过障碍物（比如墙、树叶）。但是，频率越高，波长越短，就像乐高积木的颗粒变小了，在同样大小的“窗户”（天线面板）上，可以塞进更多的“积木”（天线单元）。
问题：既然高频信号传得差，但能塞进更多天线，这两者互相抵消后，到底谁更厉害？是“信号传得远但天线少”的 8GHz 赢，还是“信号传得近但天线多”的 15GHz 赢？

2. 实验方法：公平的“擂台赛”

研究人员在北京邮电大学的校园里做了一个真实的测量实验。

公平原则：为了公平比较，他们设定了一个死规则：天线面板的总面积必须一样大。
- 8GHz 组：因为波长长，只能放 32 个 小天线单元。
- 15GHz 组：因为波长短，可以在同样大的面积里塞进 128 个 小天线单元（正好是 4 倍）。
场景：他们在城市宏基站（UMa）场景下，模拟了有遮挡和无遮挡的环境，发射信号并接收，看看谁的表现更好。

3. 主要发现：三个关键结论

结论一：高频信号变得更“稀疏”了（信号变“瘦”了）

比喻：想象 8GHz 的信号像是一团浓密的雾气，充满了各种反射和散射，即使绕路也能到达。而 15GHz 的信号像是一束激光，虽然能量集中，但一旦遇到遮挡，或者需要绕路，它就很容易“断片”，变得很稀疏。
发现：测量显示，15GHz 的信号在时间和空间上都变得更“干净”但也更“脆弱”。很多微弱的反射信号直接消失了，只剩下几条最强的路径。这意味着在复杂的城市环境中，高频信号更容易被挡住。

结论二：覆盖能力（信号传多远）—— 8GHz 略胜一筹

理论 vs 现实：理论上，15GHz 因为天线多（128 个），可以通过“波束赋形”（像手电筒聚光一样）把能量集中发射，从而抵消信号衰减。
现实打脸：但在实际测量中，即使在最好的波束聚焦下，15GHz 在小区边缘（信号最弱的地方）还是比 8GHz 弱了大约 3 分贝。
通俗解释：虽然 15GHz 有 4 倍多的天线帮忙“聚光”，但因为高频信号本身太容易被墙壁吸收或阻挡，多出来的天线力量还不够完全弥补这个损失。所以在覆盖范围上，8GHz 依然更稳健。

结论三：容量能力（网速有多快）—— 15GHz 完胜

比喻：如果把信道比作一条高速公路。8GHz 虽然路宽（信号丰富），但车道少（天线少）；15GHz 虽然路窄（信号稀疏），但车道极多（天线多）。
发现：在**频谱效率（网速）**方面，15GHz 系统表现惊人。因为它在同样大小的面板上塞进了 128 个天线，可以同时传输更多的数据流。
结果：尽管 15GHz 的信号环境更“稀疏”，但它靠**“人多力量大”（更多的天线单元）硬生生把网速提上去了，最终网速比 8GHz 快了很多**。

结论四：天线摆成什么形状不重要

发现：研究人员还测试了把天线排成“长条”（1x32）、“方块”（4x8）等不同形状。
结果：只要天线总数一样，怎么摆几乎不影响性能。
意义：这对工程师是个好消息！这意味着未来的 6G 基站天线可以做得更紧凑、更方正（像一块砖头），而不需要非得做成又长又细的条状，这样更容易安装，抗风能力也更好。

4. 总结：这对我们意味着什么？

这篇论文告诉我们，6G 时代（FR3 频段）的 Massive MIMO（大规模天线阵列）设计逻辑发生了根本变化：

不再依赖“环境好”：以前我们指望信号在环境里到处乱反射（多径丰富）来传输数据。现在高频段信号变“瘦”了，环境变差了。
依赖“硬件硬实力”：6G 的超高速率，主要靠的是在同样大小的盒子里塞进更多的天线，用“数量”换“质量”。
权衡取舍：
- 如果你追求覆盖范围（比如偏远地区），低频段（8GHz）依然更可靠。
- 如果你追求极致网速（比如繁华市区），高频段（15GHz）虽然覆盖稍弱，但靠多天线技术能跑出惊人的速度。
设计更灵活：基站天线可以做得更小巧、方正，方便在城市里部署。

一句话总结：
在 6G 时代，为了在同样大小的基站上获得更快的网速，我们选择用更小的波长塞进更多的天线（15GHz），虽然这会让信号稍微“娇气”一点（覆盖稍弱），但靠**“人多势众”**的天线阵列，我们依然能实现超高速的数据传输，而且基站设计可以更灵活、更紧凑。

论文技术总结：基于测量的 FR3 频段（8 GHz 和 15 GHz）等物理孔径下的大规模 MIMO 信道表征与性能评估

1. 研究背景与问题 (Problem)

随着第六代移动通信（6G）系统的商用化，频率范围 3（FR3，即 7-15 GHz 频段） 被视为实现广域高容量覆盖的关键候选频谱。然而，在实际部署中，基站天线阵列受到物理孔径（Physical Aperture） 的严格限制。

核心矛盾：当在固定物理孔径下从低频（如 8 GHz）向高频（如 15 GHz）扩展时，存在两个相互竞争的因素：
1. 传播恶化：高频导致更高的路径损耗、穿透损耗以及多径稀疏性（Sparsity）。
2. 阵列增益潜力：高频波长更短，允许在相同物理面积内集成更多的天线单元（ $N \propto 1/\lambda^2$ ），从而提供更高的阵列增益和空间自由度。
研究缺口：现有的研究多基于理想化信道模型或不一致的阵列配置，缺乏在**“等物理孔径”**约束下，基于真实测量数据对 FR3 频段覆盖能力与频谱效率（SE）的公平对比。关键问题在于：在固定孔径下，超密集阵列带来的空间增益能否完全抵消高频传播带来的损耗？

2. 方法论 (Methodology)

本研究采用测量驱动（Measurement-Driven） 的框架，在北京邮电大学沙河校区的城市宏蜂窝（UMa）场景下进行了大规模 MIMO 信道测量。

测量平台：
- 使用统一的双频信道探测平台，支持 8 GHz 和 15 GHz 频段。
- 采用时分复用（TDM）架构，配备高速射频开关矩阵，能够获取完整的 $128 \times 40$ MIMO 信道响应。
- 系统经过严格的校准（Calibration）和去嵌入（De-embedding），利用 SAGE 算法进行高分辨率多径参数估计。
实验设计（关键约束）：
- 等物理孔径约束：为了公平比较，设计了物理面积相同的发射阵列。
  - 8 GHz：使用 32 单元 均匀平面阵列（UPA）。
  - 15 GHz：使用 128 单元 UPA。
  - 依据：由于 15 GHz 波长约为 8 GHz 的一半，在保持半波长间距和相同孔径面积的前提下，15 GHz 阵列的单元数应为 8 GHz 的 4 倍（ $32 \times 4 = 128$ ）。
- 场景：UMa 场景，包含视距（LOS）和非视距（NLOS）多种传播环境。
- 对比维度：大尺度衰落（路径损耗）、小尺度特性（时延扩展、角度扩展）、覆盖性能（非相干/相干合并）及频谱效率。

3. 主要贡献 (Key Contributions)

构建了物理一致的跨频比较框架：首次在 UMa 场景下，基于统一探测平台，在严格保持物理孔径一致（8 GHz/32 元 vs 15 GHz/128 元）的条件下，进行了 8 GHz 和 15 GHz 的大规模 MIMO 信道测量与对比。
揭示了 FR3 频道的稀疏化特性：系统分析了时域和空域的信道特征，证实了从 8 GHz 到 15 GHz，信道从丰富的多径结构向稀疏结构转变，表现为时延扩展减小和方位角扩展集中。
量化了等孔径下的覆盖与容量权衡：
- 评估了覆盖性能，发现尽管高频阵列增益理论上可补偿路径损耗，但在实际稀疏信道中仍存在覆盖赤字。
- 评估了频谱效率，证明了高频系统通过增加单元数克服了信道稀疏性，实现了优于低频基线的容量。
验证了阵列拓扑的鲁棒性：研究了不同阵列几何布局（ $1\times32$ , $2\times16$ , $4\times8$ ）对性能的影响，发现系统性能对具体的几何布局不敏感。

4. 关键结果 (Key Results)

A. 信道特性 (Channel Characteristics)

多径稀疏性：15 GHz 信道的多径分量显著少于 8 GHz。高阶反射路径（如二次反射）在 15 GHz 下因更高的损耗和衍射能力下降而落入噪声底，导致信道更加稀疏。
时延扩展 (RMS-DS)：15 GHz 的时延扩展显著小于 8 GHz（LOS 下均值从 -7.49 降至 -7.78），表明能量更集中在少数主径上。
角度扩展 (RMS-AS)：方位角（Azimuth）扩展在 15 GHz 下显著收缩，而仰角（Elevation）扩展受环境几何限制，变化不明显。这体现了频率引起的角度收缩具有各向异性。

B. 覆盖性能 (Coverage Performance)

理论基准：在理想相干合并和固定孔径下，接收功率理论上应与频率无关（阵列增益抵消了路径损耗）。
非相干合并：15 GHz 系统在低功率区域（15% 中断概率）比 8 GHz 基线低约 3.9 dB。这表明在稀疏信道中，简单的能量叠加无法充分利用阵列增益。
相干波束成形 (Coherent Beamforming)：
- 在强信号区域，15 GHz 系统性能优于 8 GHz。
- 在弱信号区域（小区边缘），即使使用最优波束成形，15 GHz 仍存在约 3.0 dB 的覆盖赤字。
- 结论：在深阴影或严重阻塞环境下，仅靠增加天线数量无法完全补偿高频的传播损耗。

C. 频谱效率 (Spectral Efficiency, SE)

等孔径对比：15 GHz（128 单元）系统的实测中值频谱效率为 129.0 bit/s/Hz，显著高于 8 GHz（32 单元）系统的 113.8 bit/s/Hz（增益约 15.2 bit/s/Hz）。
归因分析：
- 15 GHz 的优势并非来自信道本身（实际上 8 GHz 信道更丰富），而是来自硬件红利：在相同面积下集成 4 倍的天线单元，增加了空间自由度（DoF）。
- 当单元数固定为 128 时，8 GHz 系统的 SE（154.2 bit/s/Hz）反而高于 15 GHz（129.0 bit/s/Hz），证实了低频信道更丰富的多径特性。
理论差距：实测值约为理论 i.i.d. 容量的 47%-48%，说明实际稀疏信道对容量的限制在两种配置下是相似的。

D. 阵列拓扑优化 (Array Topology)

对比了 $1\times32$ （长条）、 $2\times16$ 和 $4\times8$ （紧凑）三种拓扑。
结果：在相同单元数下，不同拓扑的覆盖功率和频谱效率分布几乎完全重叠。
结论：系统性能对几何布局不敏感。在 UMa 场景下，紧凑的 $4\times8$ 平面阵列不会带来显著的性能损失，这为基站天线的小型化和安装灵活性提供了理论依据。

5. 意义与启示 (Significance)

设计范式转变：FR3 频段的 Massive MIMO 设计不再依赖信道的天然丰富度，而是依赖于超密集天线集成带来的“空间硬件红利”。
覆盖与容量的权衡：虽然高频在小区边缘存在约 3 dB 的覆盖赤字，但在容量方面，通过增加单元数可以显著超越低频系统。这为 6G 网络规划提供了清晰的指导：高频更适合高容量热点覆盖，需配合更密集的基站部署或增强型波束成形技术来解决边缘覆盖问题。
工程部署指导：研究证明了阵列拓扑的鲁棒性，表明未来的 FR3 基站可以采用更紧凑、风阻更小、易于安装的二维面板设计（如 $4\times8$ ），而无需为了追求水平孔径而牺牲性能。
理论验证：填补了 FR3 频段在等物理孔径约束下，从信道测量到系统级性能评估的空白，为 6G 标准制定和硬件设计提供了宝贵的实测数据支撑。