太赫茲信道測量研究與實測結果分析

王立磊,李晨陽

(1.羅德與施瓦茨(中國)科技有限公司,北京 100012;2.北京郵電大學 信息與通信工程學院,北京 100876)

0 引言

從1G～5G的各代通信系統演進過程中,信號的載波頻率越來越高,而更高的頻率意味著更豐富的頻譜資源,同時也意味著更強的衰減和更復雜的信道環境。因此,為了設計下一代通信系統的發射機(TX)與接收機(RX),需要對太赫茲頻段的信道進行測量建模。近年來,已經有研究人員對太赫茲頻段的信道進行了測量[1-8]。介紹了太赫茲信道的常見測量方法,并基于羅德與施瓦茨公司的儀器設備,使用時域測量的方式對158、300 GHz頻段的信道進行了測量,得到了太赫茲頻段的信道沖激響應(Channel Impulse Response,CIR)結果并進行了分析。通過對信道測量方法和裝置的介紹以及對信道測量結果的分析,為未來太赫茲領域的深入研究打下基礎。

1 太赫茲通信與信道測量

1.1 太赫茲通信定義與特性

太赫茲通信由于其頻譜資源豐富,可提供大容量、低時延的傳輸,是6G無線通信空口技術的關鍵候選方案之一。太赫茲頻段是位于0.1～10 THz頻率范圍內的電磁波頻段[9],頻率遠高于當前5G的毫米波頻段。太赫茲通信技術在全息通信、微小尺寸通信等領域都有潛在的應用場景,可以作為現有5G系統空口傳輸的有效補充。相較于5G系統的毫米波通信,太赫茲通信有以下優點：

① 更豐富的頻譜資源。與毫米波通信系統相比,太赫茲頻段的頻譜資源更充足,能夠容納更多的用戶接入,可以滿足下一代通信系統的多樣化通信場景需求。

② 更強的抗干擾能力。相對于毫米波頻段,太赫茲頻段波束更窄,其抗干擾能力和抗捕獲能力更強。與紅外通信相比,太赫茲波束對準相對容易,有利于太赫茲通信的捕獲跟蹤和定向組網。

③ 全天候通信。太赫茲通信受背景噪聲和大氣影響較小,能夠實現全時空的通信,是未來6G天地一體化網絡關鍵技術之一。

然而,太赫茲通信技術也面臨著許多挑戰。太赫茲頻段由于頻率更高,其穿透損耗也更嚴重,導致相對于毫米波,太赫茲通信的傳輸距離更近。太赫茲頻段的電磁波對建筑物等反射面更加敏感,這些反射會產生極高的反射衰減,進而導致其覆蓋范圍大大縮短。為了應對這些挑戰,傳統的解決方案通常是對通信系統的發射機和接收機的算法進行設計,例如更高效的信道編譯碼、信道估計/均衡算法等,以及增大發射機的發射功率和天線數量,這雖然會一定程度上改善其性能,但也會帶來極高的成本提升。更好地設計信道編譯碼與信道估計技術,需要了解電磁波的無線傳播環境。因此,在進行太赫茲頻段的通信系統設計時,需要對無線傳播環境進行測量與建模,進而更好地設計接收機的信號補償算法。在這個過程中,信道測量是非常關鍵的技術之一。

1.2 太赫茲頻段信道測量的重要性與技術挑戰

通常在制定新的通信標準前,首先了解和表征其所在傳輸頻段的傳播特性,然后基于傳播特性推導出信道模型,進而對新的通信標準進行仿真研究。物理層的鏈路級仿真需要考慮導頻信號在時頻域的分布、發射機的信道編譯碼算法,接收機的信道估計與信道均衡算法等,這些算法的設計與開發都需要依據信道的傳播特性。因此,在設計和開發太赫茲頻段的通信系統之前,需要對太赫茲頻段電磁波的傳播特性及信道環境進行測量與建模。

4G及以前的3GPP信道模型的測量和建立僅限于6 GHz以下頻率范圍和準靜態環境,這種環境下的信道測量相對簡單。5G的信道測量擴展到了汽車、高速列車等高動態場景,雖然相對于4G更加復雜與完善,但這種信道模型依舊不能簡單擴展到6G所使用的100 GHz以上頻段。在這個頻段上,電磁波的傳播會受到人體、車輛和環境條件(如雨水等)的影響,從而使信道的時變性更強,測量更加困難,因此太赫茲頻段的信道測量面臨著極大的技術挑戰[10-11]。

2 太赫茲信道測量方法

2.1 太赫茲信道的頻域測量方法

頻域信道測量的主要方法是頻域掃描法,其原理是將準靜態的無線信道模擬成一個二端口網絡,使用矢量網絡分析儀(Vector Network Analyzer,VNA)對待測量的頻率范圍進行等間隔的掃描。對于所有測量頻點,使用VNA的內置信號源發送探測信號到空間信道,然后再接收反射的多徑信號,通過分析處理接收信號得到信道的復數頻率響應,再對其做離散傅里葉反變換就能得到相應的CIR。其中,掃描的帶寬決定了CIR的時延分辨率,頻率間隔則決定了最長可識別的時延[12-13]。

該方法雖然能夠獲得CIR,但也有一定的缺點。一方面,為確保實測數據的有效性,測量環境必須在測量期間內保持基本穩定,但頻域測量法的測量時間通常比較長,期間可能因為各種原因導致測量環境發生變化,進而帶來測量誤差。因此頻域掃描法無法測量快速時變信道,只能測量準靜態信道。另一方面,這種測量方法收發端通過線纜分別與VNA的兩個端口相連,因此最遠的測量距離受限于同步線纜的長度。在太赫茲頻段,線纜的傳輸損耗比較嚴重,這也影響了系統的動態范圍,因此頻域掃描法主要適用于測量室內場景和短距離信道,不適用于測量戶外長距離的信道。

2.2 太赫茲信道的時域測量方法

時域信道測量的方法為時域相關法,具體是在發射端發送載頻信號和擁有良好自相關特性的調制脈沖信號,如Frank-Zadoff-Chu(FZC)序列,接收端接收到信號后與發送信號做相關運算,即可得到無線信道的CIR。在時域測量中,接收機和發射機可以相互分離,這解決了頻域掃描法中存在的線纜對測試的影響問題,因此時域相關法可用于遠距離的場景測量,其應用比頻域掃描法更廣泛。由于不需要逐頻點掃描,時域相關法的測試速度相對較快,且效率較高。時域測量的原理如圖1所示?？紤]到太赫茲頻段信道的特性以及本文所測試的場景,選擇時域信道測量法進行信道測量。

圖1 信道時域測量原理Fig.1 Channel time domain measurement schematic

3 太赫茲信道實測結果與分析

3.1 羅德與施瓦茨公司相關研究基礎

在太赫茲信道測量領域,羅德與施瓦茨公司有著豐富的研究經驗。羅德與施瓦茨公司在與弗勞恩霍夫HHI和弗勞恩霍夫IAF的合作中開發了一種研究裝置,可在275～325 GHz產生和分析信號,帶寬為2 GHz。該信號可用于信道測量,也可用于新波形調制或進行傳輸實驗。

如圖2所示,在TX側,使用R&S SMW200A寬帶矢量信號發生器在中頻產生帶寬為2 GHz的數字基帶信號。單邊帶上變頻器(包含弗勞恩霍夫IAF太赫茲收發機) 將中頻信號提高至所需射頻發射頻率,由R&S SGS100A作為本地振蕩器 (Local Oscillator,LO) 。在RX側,將天線信號放大并與下變頻器和LO混合到中頻域。中頻信號由R&S FSW信號和頻譜分析儀采樣并儲存同相/正交(I/Q)樣本,以便進一步處理。TX和RX與兩個基于銣原子的參考時鐘和觸發單元(同步計)同步,實現相干測量并可進行相位評估和相干平均,以及確定絕對的信號傳播時間。裝置實物圖與測量結果如圖3所示。

圖2 信道測量TX與RX結構Fig.2 Channel measurement TX and RX structure

圖3 信道測量裝置實物圖與測量結果Fig.3 Channel measuring device physical diagram and measurement results

3.2 太赫茲信道測量系統與參數

最近,羅德與施瓦茨公司慕尼黑總部對亞太赫茲頻率(158 GHz和300 GHz)的信道傳播特性進行了更為系統的研究。研究頻率選擇了潛在的6G候選頻段。該研究重點在于兩種代表性場景：類似于街道峽谷 (城市微蜂窩)的室外場景,以及類似于購物中心或機場的室內場景。室內測量活動分別于 兩種代表性場景進行。圖4為158 GHz下相關信道探測儀的框圖,類似于300 GHz裝置 (圖2)。測量采用時域信道探測儀,測量時間較短,使測量活動中的許多位置可進行多次測量以減少誤差,并完整覆蓋360°的空間角度。

圖4 信道測量裝置結構Fig.4 Channel measuring device structure

發射機處裝置包括一個單邊帶上變頻器和放大器。R&S SMW200A矢量信號發生器在14 GHz中頻處可提供預先計算好的探測序列。所用探測序列為FZC序列,長度為100 μs,帶寬B=2 GHz(相應時間分辨率τ=1/B=0.5 ns)。

RX由R&S FSW43信號和頻譜分析儀以及下變頻器組成,下變頻器由12.24 GHz本地振蕩器發生器激勵。水平極化的垂直面喇叭天線,天線增益為20 dBi,垂直面 (方位平面) 張角約為15°,可作為接收天線。D頻段前端將接收信號下變頻至 11.12 GHz中頻。信號分析儀以2.5 GHz頻率對中頻信號進行采樣,一次測量涵蓋序列周期總數為250。接收天線和下變頻器安裝于精密旋轉臺上,可實現不同方位角的角度分辨測量。RX安裝于手推車(攝影機移動臺車) 上,便于精確移動至不同接收機位置。由于所用天線波束寬度約為15°,因此在接收機方位角域中,無線信道以15°為步長進行采樣。

所有儀器都與一個時間基準(弗勞恩霍夫HHI同步計)相連接,以確保發射機和接收機之間的相干采樣。除了來自高精度銣原子鐘的10 MHz參考信號外,同步計還能在TX和RX上實現同步和相干觸發。

測量完成后,將所接收的I/Q時域樣本作為原始測量數據從信號分析儀傳輸到計算機。數據后處理包括重采樣和濾波、估計每個序列周期的公共相位漂移和補償相位漂移、所有序列周期的相干平均,結果為CIR。以奈奎斯特速率進行采樣,其幅度對應通信信道(包括天線)增益、延遲對應信號傳播時間。

表1總結了時域信道探測儀的基本技術參數。使用理想的復雜相關序列 (FZC) 配置,并在估計和補償相位噪聲引起的漂移后進行額外相干平均,可獲得較大處理增益和極寬動態范圍。

表1 時域信道探測儀基本參數Tab.1 Basic parameters of time domain channel detector

3.3 太赫茲信道測量場景與結果

該測量在羅德與施瓦茨公司德國慕尼黑總部進行。測量場景為室外街道峽谷,以及室內購物中心。測量場景如圖5所示,室外測量在兩座灰色陰影建筑物之間進行。街道寬度為15.5m,周圍建筑物高度約 為20 m。

圖5 測量場景Fig.5 Measurement scene

3.3.1 室外街道峽谷場景

室外場景信道測量場景與測量結果如圖6所示,第一個測量場景位于兩座研發大樓之間的走廊上,類似于街道峽谷場景(城市微蜂窩)。固定TX放置于走廊盡頭的自行車停放架上 (圖5左側紫星位置),高度為1.5 m。此處的景觀通向一處更開放空間,有一個小廣場和獨立樹叢。包括測試和測量設備在內的RX安裝在高度為 1.5 m的無線平臺 (攝影機移動臺車) 上,并可移動至離TX不同距離的測量位置,最大距離為170 m。大多數測量于視距(Line of Sight,LoS)可及范圍內進行。圖6為158 GHz和300 GHz下 30 m距離處對準天線的CIR。延遲為0.1 μs的 第一個峰值代表LoS路徑,相當于30 m的距離。多徑分量同樣可見,且在158 GHz處比在300 GHz處更明顯。

圖6 室外場景信道測量場景與測量結果Fig.6 Outdoor scene channel measurement scene diagram and measurement results

在158 GHz室外場景中,由不同距離 (10～170 m) 瞬態CIR合并而成的圖如圖7所示。相關測量結果完整涵蓋了兩座大樓之間的街道長度,天線始終對準。從該組大規模測量中,可以導出路徑損耗指數。延遲較大的多徑分量幾乎存在于整個測量結果中。

(a) 測試結果

(b) 測試場景

對測量數據集的進一步評估涉及角度信息分析。在每個測量點處,將接收機旋轉至24個等距角度位置,從而以15°的分辨率對方位平面的無線信道進行空間掃描。

圖8(158 GHz)和圖9(300 GHz)為兩個頻率在同一測量點(30 m,室外)的路徑估計結果。角度軸表示循環維度,即圖中的第一行和最后一行相同,這也反映在顏色上。為了從噪聲中明確區分出信號路徑,有必要適當控制噪聲閾值。對于圖8和圖9中的示例,將158 GHz的絕對噪聲閾值設置為 -120 dBm,將300 GHz的絕對噪聲閾值設置為-118 dBm。

圖8 158 GHz下的延遲-角度測量結果Fig.8 Delay-angle measurements at 158 GHz

圖9 300 GHz下的延遲-角度測量結果Fig.9 Delay-angle measurements at 300 GHz

基于該路徑估計,可對所有路徑的總接收功率 (即有效總路徑增益) 求和,圖中對此亦有所反映。雖然300 GHz信道比158 GHz信道要稀疏得多,但總功率并無太大差異。與158 GHz相比,預計 300 GHz的總功率將減少約6 dB。但實際情況并非如此,因此可以得出結論,由于測量的高靈敏度,在158 GHz可以獲取額外的路徑,但對總功率貢獻不大。均方根 (Root Mean Square,RMS) 延遲擴展和RMS角度擴展等統計參數也可以從這些結果中進行評估。

3.3.2 研發大樓中庭室內購物中心/機場場景

室內測量在如圖6(b)和圖10所示大樓中的大型開放空間進行。該場景類似于購物中心/機場場景。大廳面積約為52 m×13 m,天花板高度約為 20 m。發射天線配置于大樓入口處電梯前一固定位置,高度為1.5 m。接收機安裝于無線平臺上(天線高度為1.5 m),并可以移動到覆蓋整個樓層區域矩形網格上的不同位置。

圖10 研發大樓測試場景Fig.10 R&D building test scene

圖11為在具有LoS峰值和多個多徑分量特定位置(在直角網格中)的角度分辨估計路徑,在158 GHz、40 m距離處進行的室內測量。如預期那樣,與室外測量相比,更多來自不同方向的多徑分量使得總接收功率更高 (40 m為-71.4 dB,30 m為-75.1 dB)。

圖11 158 GHz下研發大樓測量結果Fig.11 Measurements of the R&D building at 158 GHz

圖12通過玫瑰圖實現可視化的呈現,圖中的每塊“餅”代表各自角倉的總功率,將所有的“餅”進行處理,便可歸一化為總功率。一個角倉內不同路徑的單一貢獻用點表示。只有一個或兩個角倉幾乎占盡總功率, 而且在一個倉內,只有少數路徑有顯著貢獻。圖中,同樣的數據集顯示于極坐標圖中,每個點對應一個峰值,三角形 (“餅”) 代表各自角倉中的總功率?？梢杂^察到多個多徑分量。

圖12 研發大樓測量結果玫瑰圖Fig.12 R&D building measurement results rose map

4 結論

本文詳細介紹了太赫茲頻段信道測量的方法,以及基于158 GHz和300 GHz頻段對常見通信場景如城市街道峽谷、室內購物中心等進行信道測量的詳細過程,并針對時延、功率、信道沖擊響應等測試結果進行了詳細分析。相關的實驗方法和測量結果對于后續的太赫茲相關領域研究工作和頻譜分配可以提供很好的參考。

太赫茲技術未來與通感一體化、可重構智能超表面等技術相結合,對其信道建?？赡軙硇碌奶魬?。本研究計劃重點考慮了這些方向,將繼續探索新的信道測量方法,為新技術的信道建模提供參考借鑒。