【毫米波】城市毫米波蜂窝通信中人体阻塞分析（含城市地区用户设备阻塞概率计算）Matlab实现

毫米波通信中人体阻塞影响分析与仿真

最新推荐文章于 2025-12-02 19:45:00 发布

原创最新推荐文章于 2025-12-02 19:45:00 发布 · 774 阅读

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🔥 内容介绍

一、研究背景与核心痛点

毫米波系统（24-100GHz）依赖高增益波束赋形实现远距离覆盖与大容量传输，而波束赋形的性能完全依赖于精准的信道估计（需获取路径的到达角 / 离开角（DOA/DOA）、增益、时延等参数）。但传统毫米波信道估计面临两大核心挑战，尤其在模拟波束赋形系统（射频链数量远少于天线数，靠移相器控制波束）中更为突出：

二、TSDCE 算法的核心创新：从 “角域” 到 “变换空域” 的范式转换

本文提出的变换空域信道估计（TSDCE） 算法，通过 “域变换” 重构信道估计问题，将原本在角域（直接估计 DOA/DOA）的复杂任务，转化为在变换空域（估计 “角频率”）的高效信号处理问题，从根本上降低复杂度并提升抗噪声能力。

1. 关键概念：角域与变换空域的映射关系

毫米波信道的核心参数是路径的角度信息（DOA：接收端到达角，DOD：发射端离开角），其与 “角频率” 存在严格的数学映射。以均匀线性阵列（ULA）为例：

在城市中，通信技术就像无形的桥梁，连接着人们生活的方方面面。随着 5G、6G 等新一代通信技术的快速发展，毫米波通信逐渐崭露头角，成为城市通信领域的焦点。它以其独特的优势，为城市通信带来了新的活力，正悄然改变着我们的生活方式。

毫米波通信的基本原理

毫米波，是指波长在 1 毫米至 10 毫米之间的电磁波，其频率范围通常在 30GHz 至 300GHz。与传统的微波频段相比，毫米波具有更高的频率和更短的波长。这一特性使得毫米波能够承载更多的信息，就像一辆更大容量的货车，可以一次性运输更多的货物，从而提供更高的传输速度。

毫米波通信的优势

高带宽：毫米波频段拥有极宽的带宽，通常认为其频率范围为 26.5 - 300GHz，带宽高达 273.5GHz，超过从直流到微波全部带宽的 10 倍。即使考虑大气吸收，在大气中传播时可使用的四个主要窗口的总带宽也可达 135GHz，为微波以下各波段带宽之和的 5 倍。这使得毫米波通信能够实现高速数据传输，轻松满足高清视频、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等对带宽要求极高的应用需求。比如，在 5G 网络中，毫米波技术可以让用户流畅地观看超高清（4K）视频，加载速度极快，几乎没有卡顿现象，极大地提升了观看体验。

低延迟：低延迟是毫米波通信的又一显著优势。对于实时性要求极高的应用，如自动驾驶、远程医疗和即时游戏等场景，毫秒级的响应时间至关重要。在自动驾驶中，车辆需要在瞬间对周围环境变化做出反应，毫米波通信的低延迟特性能够确保车辆及时接收和处理来自传感器、其他车辆以及基础设施的信息，从而保障行驶安全。在远程医疗手术中，医生的操作指令能够通过毫米波通信快速传输到手术设备，实现精准操作，降低手术风险。

波束窄：在相同天线尺寸下，毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如，一个 12cm 的天线，在 9.4GHz 时波束宽度为 18 度，而 94GHz 时波束宽度仅 1.8 度。这使得毫米波通信能够更准确地指向目标，分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节。在城市环境中，众多的通信设备和信号交织在一起，容易产生干扰。而毫米波的窄波束特性可以有效减少干扰，提高频谱利用率，就像在拥挤的街道上，一条狭窄而精准的通道能够更高效地通行，避免与其他 “交通流” 发生碰撞。

毫米波通信在城市中的应用场景

城市热点区域：在体育场馆、演唱会现场、购物中心等人员密集的城市热点区域，大量用户同时使用移动设备，对网络带宽和容量提出了极高的要求。传统的通信技术往往难以满足如此集中的高流量需求，导致网络拥堵，用户体验差。毫米波通信凭借其高带宽和大容量的优势，能够为这些区域提供高密度、高带宽的无线接入服务，确保每个用户都能享受到快速、稳定的网络连接。无论是现场直播赛事、实时分享精彩瞬间，还是流畅地进行线上购物，毫米波通信都能轻松应对。

固定无线接入：对于一些难以铺设光纤的区域，如老旧城区、偏远乡村或者地形复杂的地区，固定无线接入（FWA）成为一种理想的解决方案。毫米波技术可以用于固定无线接入场景，为这些地方提供高速互联网服务。通过毫米波通信，运营商可以快速部署网络，无需大规模的物理基础设施建设，降低了成本和时间。这使得更多人能够享受到高速网络带来的便利，促进了数字鸿沟的缩小，让偏远地区的人们也能与世界紧密相连，获取丰富的信息资源，开展远程教育、远程办公等活动。

人体 “插足”，通信受阻

毫米波通信虽好，但在城市环境中，它也面临着一些挑战，其中人体阻塞就是一个不容忽视的问题。当人们在毫米波通信覆盖区域内活动时，人体可能会不经意间阻挡毫米波信号的传播，从而对通信质量产生负面影响，就像在热闹的城市街道上，突然出现的障碍物会阻碍交通顺畅一样。

（一）阻塞现象初窥探

在城市的毫米波蜂窝通信网络中，人体阻塞现象十分常见。想象一下，你正走在繁华的商业街上，手里拿着支持毫米波通信的手机，流畅地刷着短视频。然而，当你与迎面走来的人群擦肩而过时，手机视频可能会突然出现卡顿，甚至加载失败，信号强度也会迅速下降。这种信号突然减弱、中断的情况，很可能就是人体阻塞了毫米波信号导致的。在人员密集的场所，如地铁站、购物中心，这种现象更加频繁。比如在上下班高峰期的地铁站，大量乘客涌入站台，此时使用毫米波通信的设备常常会出现通信不稳定的状况，这严重影响了用户的使用体验。

（二）阻塞原理大揭秘

毫米波之所以容易被人体阻塞，与其波长特性密切相关。我们知道，毫米波的波长在 1 毫米至 10 毫米之间，是非常短的。而人体的尺寸相对毫米波波长来说要大得多，当毫米波信号遇到人体时，就像小石子撞上了大石块，无法轻易绕过，只能被反射、散射或吸收。这就导致信号在传播过程中能量大量损失，难以有效地到达接收端，从而造成通信质量下降。

与其他频段信号相比，毫米波的敏感性就更加突出了。例如，低频段的信号，由于其波长较长，具有更强的绕射能力，就像一个灵活的舞者，可以轻松绕过人体等障碍物继续传播，受人体的影响较小。而毫米波则如同一个行动略显笨拙的人，一旦遇到障碍物，就容易 “碰壁”。在相同的环境下，低频段信号能够稳定地保持通信连接，而毫米波信号却可能因为人体的短暂遮挡而中断，这充分体现了毫米波对人体阻塞的敏感性。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

🔗 参考文献

S. Roger, M. Cobos, C. Botella-Mascarell, G. Fodor, "Fast Channel Estimation in the Transformed Spatial Domain for Analog Millimeter Wave Systems", IEEE Transactions on Wireless Communications, 2021.