面向太赫茲通信覆蓋增強的確定性信道建模分析

謝昀航,胡田鈺,李玲香,陳 智

(電子科技大學 通信抗干擾全國重點實驗室,四川 成都 611731)

0 引言

為順應科技發展以及未來社會對通信服務的廣泛需求,全球已開啟了關于6G網絡的研發戰略和規劃。其中,太赫茲通信因其極高速率、超大帶寬、超高感知分辨率等特點,被列為6G關鍵候選技術之一,可支撐如沉浸式通信、通信感知一體化等應用場景。然而,太赫茲通信存在嚴重的路徑損耗且具有不可忽略的分子吸收效應;同時,太赫茲通信的較弱衍射能力和極窄波束還使其具有阻塞敏感性。上述太赫茲信道特點都導致太赫茲通信覆蓋受限。

為解決上述問題,研究者們提出了多種太赫茲通信覆蓋增強的技術。本文將這些技術分為智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)輔助的太赫茲通信覆蓋增強技術、感知輔助的太赫茲通信覆蓋增強技術和其他技術。RIS輔助的太赫茲通信覆蓋增強技術是通過在基站和終端用戶之間部署RIS設備,能夠在視距通信不可達或信號質量較差的太赫茲通信區域按需動態建立視距鏈路,提升覆蓋質量,減少覆蓋盲區[1]。而感知輔助太赫茲通信覆蓋增強技術則是利用發送太赫茲信號與捕獲對應回波來感知通信場景中的各種目標,得到其距離、方位、尺寸等物理信息。進一步,通過對感知信息的分析,太赫茲通信系統能夠進行目標定位、波束切換以及中繼部署,進而實現覆蓋范圍的增強[2]。其他技術,目前可基于超大規模多輸入多輸出(Extremely Large Multiple-Input Multiple-Output,XL-MIMO)或高低頻協作來實現太赫茲通信覆蓋增強。其中,XL-MIMO通過波束形成技術生成高增益的定向波束,進而達到增強波束覆蓋距離的效果[3]。文獻[4]探討了通過太赫茲通信感知一體化的高低頻協作技術來提升太赫茲通信的覆蓋性能。

隨著多種太赫茲通信覆蓋增強技術的提出,有必要開展相應太赫茲無線信道的建模分析,以更好地在實際環境中進行通信系統的個性化設計與部署。無線信道特性將決定對應通信系統的性能極限,同時也是后續通信系統改進、部署、評估的重要依據[5]。因此,通過對面向輔助太赫茲通信覆蓋增強場景的無線信道進行建模與分析,有助于太赫茲通信覆蓋增強性能的進一步提高。

當前信道建模方法涵蓋確定性信道建模、統計性信道建模以及混合信道建模三種方法,確定性信道建?？筛鶕阎h境信息和材料的電磁特性進行更為精確的信道特性建模分析,有助于后續技術或系統決策的部署規劃[6]。因此本文將就面向太赫茲覆蓋增強技術開展相應的確定性信道建模方法討論與信道模型分析,并且將基于確定性信道建模方法給出RIS輔助、感知輔助的太赫茲通信實例。

1 確定性信道建模

確定性信道模型是指可用于精確模擬電磁波在通信環境中傳播的模型,也稱為特定場景傳播仿真模型。因此,確定性信道建模方法不依賴于廣泛的測量結果,而只需要準確的通信場景信息,如材料的介電常數、空間位置等。在已知上述信息的情況下,可以通過求解麥克斯韋方程來精確地計算出電磁波的傳播特性,進而構建出信道模型。因此,確定性方法的仿真結果與實際測量結果有較好的統一性[7]。進一步,射線追蹤 (Ray Tracing,RT) 方法和時域有限差分 (Finite Difference Time Domain,FDTD) 方法是確定性信道建模的兩種主要方法。

1.1 RT方法

RT方法是一種基于幾何光學的技術。在幾何光學的假設中,能量可以被認為是通過無窮小的管道進行傳播的,傳播的能量被稱為射線。如果環境中介質的相對折射率恒定,那么射線會沿直線的傳播方向在三維空間中移動并與接觸面交互。因此,信號的傳播可以通過射線的傳播來建模[7]。通過確定通信場景的幾何模型以及收發端等信息,信號的傳播便能得到精細的刻畫,進而可以對信道特性展開研究,最終構建出合理的信道模型。當前,太赫茲信道的RT方法建模方法備受推崇,因為太赫茲頻段波束窄且具有更強的微粒特性,使信號近似于射線的模擬變得更加準確。

Priebe等人[8]進行了廣泛的室內275～325 GHz的無線信道測量,并使用頻域RT方法對該信道進行了確定性建模,實驗證明了實際測量數據與RT方法結果有較好的一致性,并對RT方法進行了校準。Sheikh等人[9]對0.1～1.0 THz的辦公環境進行光線跟蹤法模擬,并將路徑損耗與國際電信聯盟的大氣衰減模型相結合,獲得更準確的太赫茲信道特性結果。此外,文獻[10]利用RT方法對300 GHz太赫茲頻段的城市里車輛-基礎設施(Vehicle to Infrastructure,V2I)信道進行了仿真,并且針對包括路徑損失、陰影衰落等參數進行了分析與建模,研究發現太赫茲V2I信道具有較強的非平穩性。文獻[11]采用RT方法構建了低太赫茲室內環境下的大規模MIMO場景,分析了MIMO所帶來的通信容量改善和空間非平穩性。

然而,上述方法都只是針對不同通信場景對太赫茲信道展開分析,并沒有在太赫茲通信覆蓋增強技術的范疇下去考慮對應信道。

1.2 FDTD方法

FDTD方法是基于麥克斯韋方程組在確定邊界條件下直接進行數值求解的方法。該方法將仿真區域的空間劃分為一個三維的離散網格,以此使空間和時間離散化。在離散網格上使用麥克斯韋方程的差分形式來更新電場和磁場并模擬電磁波的傳播和相互作用。FDTD方法允許在不同網格點上使用不同的電磁特性來模擬各種材料,這可以通過調整網格點上的電磁參數來實現,如導電率、介電常數等。FDTD方法相較于RT方法具有更高的計算精度,其仿真面積更精細化且可以使用非均勻材料建模[12]。但是由于FDTD方法的算法特性,其局限性也顯而易見。由于要確保離散網格足夠精細以模擬模型中的電磁傳播過程,因此需要比RT方法更多的計算資源來求解所有位置的解析并對所有位置進行實時的數值更新。而在太赫茲頻段,由于頻率的增加以及帶寬的增大,這使得FDTD方法的仿真分辨率增大,其計算量也變得更為龐大。因此,本文討論該方法在太赫茲頻段的信道建模應用及分析。

2 太赫茲通信覆蓋增強技術

2.1 RIS輔助的太赫茲通信覆蓋增強技術

RIS是大量反射元件組成的平面,每個元件都能夠獨立地對入射信號產生可控的振幅、相位變化,通過控制調控器對可重構智能表面進行調整,優化信號的傳播路徑,從而改變收發機之間的無線傳播環境[13]。因此在太赫茲通信場景下,研究人員一方面通過協調RIS上的被動反射元件可以讓發射信號繞開如建筑物、植被等處在收發機之間的障礙物,進而向接收機方向增加由RIS帶來的額外路徑,以此實現太赫茲通信覆蓋。另一方面,RIS 可以對太赫茲信號傳播的方向進行同相位的疊加,從而增大接收信號強度,進而擴大覆蓋范圍[14]。同時,由于RIS自身具有低成本、低能耗、質量輕、易安裝的特點,在太赫茲通信場景下可以將RIS部署在各種物體表面,以此來主動豐富信道散射的條件,構建智能可控的傳輸環境。例如在室內短距離通信場景,RIS可以密集的部署于天花板、墻壁或家具上,以此彌補太赫茲信道的稀疏性,實現通信的增強覆蓋。在室外場景中,由于RIS本身不攜帶任何額外信息對通信環境進行干擾,因此RIS可以部署于立柱、廣告牌、建筑物表面以及車輛外側處,將太赫茲窄波束反射到目標接收端,達到對通信環境進行調控的效果。此外,對于一些空對地場景如在大型體育場或者是野外地區,RIS還可以與無人機結合,將RIS部署在無人機表面。與地面RIS場景相比,由于無人機的高度相對較高,更容易與地面節點建立強大的可視鏈接,從而降低太赫茲信號與地面節點之間的堵塞概率,大大增加地面服務用戶的數量,進而達到增加通信覆蓋范圍的效果[15]。此外,文獻[16]介紹了一種RIS輔助太赫茲通信系統的模型,針對該系統模型進行RIS輔助下太赫茲通信系統的覆蓋性能分析并定義了RIS輔助太赫茲通信系統覆蓋概率的量化表達式。

2.2 感知輔助的太赫茲通信覆蓋增強技術

感知輔助的太赫茲通信覆蓋增強技術是通過感知的方式分析得到當前通信場景中障礙物幾何分布信息、用戶目標對象信息等,并將其應用于太赫茲的波束對準/切換、鏈路優化、中繼部署,進而達到通信覆蓋范圍增強的效果[2]。具體而言,太赫茲感知技術可看作發射探測信號并通過回波進行感知的雷達類技術,而回波信道包含了物體及其周圍環境的后向雷達散射截面(Radar Cross Section,RCS)。因此可以利用感知信道模型著重分析電磁波在散射、反射等傳播機理下的功率、時延、相位、角度以及多普勒效應,以獲取目標從位置、速度、運動方向到材質、形狀等多維度感知信息,構建感知環境。而隨著傳播信道的可確定性和可預測性不斷提升,利用感知到的環境特征輔助太赫茲通信,增強通信覆蓋范圍成為可能。但目前感知輔助的太赫茲通信覆蓋增強技術的研究尚處于起步階段,大都以毫米波頻段進行技術驗證與分析。文獻[17]提出了一種毫米波雷達與通信聯合的系統：首先通過利用毫米波雷達感知的方式構建出室內環境;然后根據環境信息得到準確的從發射端到接收端的到達角和出發角;最后,基于一種反射框架的搭建,成功地對每條路徑的增益進行了建模。根據上述結果,以相當低的估計開銷計算出高精度的信道模型。文獻[18]將毫米波雷達作為一個有用的側信息來源,通過雷達感知得到的信息輔助V2I場景執行波束對準任務,進而幫助通信配置鏈路以提高通信效能。

2.3 其他太赫茲通信覆蓋增強技術

文獻[3]指出,太赫茲XL-MIMO系統支持的3D波束形成技術為太赫茲通信提供更高的傳輸增益和更強的定向性,以提供大容量和干擾較小的多址訪問。這一功能將有助于未來空-地綜合廣域覆蓋網絡中大量空中目標(如無人機)的連接管理。此外,文獻[19]闡述了XL-MIMO 技術帶來的角度/時間分辨率的提高不僅能夠有效改善太赫茲通信服務的精度,還有助于太赫茲信號多徑/非視距傳播的識別與抑制,從而有助于提升復雜環境下太赫茲通信覆蓋的能力。因此,面對廣域復雜的太赫茲通信場景,XL-MIMO可以憑借其強大的增益效果來彌補太赫茲通信覆蓋受限的問題,并降低太赫茲基站運營維護成本。

與太赫茲頻段的高速率、大帶寬不同,雖然低頻段信號數據傳輸速率相對較低,但是其傳播范圍遠、對應技術相對成熟,并且現有基站比較完善。因此,通過將低頻段與太赫茲頻段相結合,可以實現更廣范圍的通信覆蓋,同時保持太赫茲通信的高數據傳輸速率。例如在城市場景中,由于太赫茲頻段易阻塞、穿透損耗強且受大氣影響,出于成本考慮,部署密集型太赫茲基站不現實,而太赫茲通信覆蓋范圍小的問題又比較突出,因此可以在室外采用低頻的宏基站來保證通信覆蓋,人流密集處考慮部署太赫茲頻段的基站進行增容。文獻[20]提出了一種具有無線回程能力的多層次混合異構網絡模型,并對該模型下太赫茲通信網絡的數據傳輸速率以及覆蓋范圍進行了分析討論。

3 建模實例與挑戰

隨著各種面向太赫茲通信覆蓋增強技術的提出及新興設備的應用,確定性信道建模將存在諸多難點。本文將基于RT方法給出面向太赫茲通信覆蓋增強的RIS信道建模實例與感知信道建模實例,并分析其中涉及的關鍵技術與挑戰。

3.1 建模實例

針對面向太赫茲通信覆蓋增強的RIS信道建模,構建了一個300 GHz下16 m×15 m×3 m的小型辦公室,圖1(a)為該場景的二維俯視圖。并將收發端放置在兩臺辦公電腦附近,其中辦公室中心點為坐標(0,0,0)m,發射端(TX)的坐標為(-5.8,-6.4,2.5)m,接收端(RX)的坐標為(7.7,3.7,2.5)m。TX所發射的信號為載波頻率300 GHz、帶寬1 GHz、波束寬度10°、波束方向90°的定向太赫茲波束,而接收端RX使用全向天線進行接收。而由于太赫茲的衍射能力較弱、易受到阻塞,因此本部分仿真只設置了一階反射與一階衍射。在未放置RIS時,可以從圖1(b)的三維RT仿真結果和圖1(d)的二維RT仿真結果看出,此時收發端無法建立有效的太赫茲通信鏈路。因此,本文將RIS部署在紅色墻面如圖1(c)所示,其中心點坐標為(-4.0,6.9,1.5)m,反射系數為0.707,透射系數為0。在對RIS輔助的太赫茲通信場景進行RT仿真后,從圖1(e)中可以明顯看出有兩條太赫茲通信鏈路的建立,其中每條路徑的相關參數可由仿真得到。表1列舉了信道路徑的發射方向、到達方向、接收功率與平均到達時間4個信道路徑參數進行信道路徑的對比,如表1所示?？梢钥闯?相較于原本太赫茲通信空白區域,現如今的該區域附近平均接收功率為-141.442 dBm。因此,通過對上述場景的信道建模,可以有效驗證RIS對于太赫茲通信覆蓋的增強效果。

(a) 二維小型辦公室場景

基于相同小型辦公室場景開展了感知信道的建模與分析。TRx表示發射端與接收端,設置TRX的坐標都為(4.0,3.8,0.5)m,發射信號與RIS實例相同?；赥Rx進行了太赫茲感知信道的仿真,如圖2(a)所示,產生了8條信道路徑。根據信道路徑可以得到信號在傳播過程中的反射與衍射位置,進而感知到障礙物的存在。如圖2(a)～(b)所示,在該實例中信號感知到了沙發、天花板、桌子。通過對8條信道路徑逐一編號并匯總發生反射、衍射的位置信息可得表2。對8條信道路徑進行分析,信道路徑1只在坐標(4.0,-2.3,0.5)m處發生了反射,而在仿真環境的搭建中,沙發的y坐標是-2.3 m,因此可以推斷信道路徑1的信號在沙發附近位置發生的反射的現象;信道路徑2在坐標(4.0,-2.3,0.5)m與(4.0,4.0,0.5)m處分別發生了一次反射與一次衍射,因此可以推斷在該路徑下的信號先在沙發附近處發生了反射,再在接收機附近位置發生了衍射;此外,信道路徑5、6、7、8的衍射位置的z坐標為3.0 m,與已知的小型辦公室的高度一致,因此可知這4條信道路徑在天花板處的發生了衍射的現象;信道路徑3、4的反射位置與衍射位置的y坐標都為-4.0 m,與桌子的位置相近,因此可以推斷經過這兩條路徑的信號在桌子周圍發生了反射與衍射的現象。通過對此類信道建模仿真中的信道路徑分析有助于對后續太赫茲通信場景下感知性能的完善與提升。

表2 感知信道建模實例的信道路徑參數

圖2 基于RT方法的感知信道建模仿真實例Fig.2 Example of sensing channel modeling based on RT

3.2 建模挑戰

3.2.1 RIS輔助建模

RIS輔助的太赫茲通信覆蓋增強其對應確定性信道的建模挑戰主要集中于RIS的設計、單元構造、實測校正及部署等方面。① 當前RT軟件雖然能夠設置RIS的材料屬性、擺放角度以及形狀大小,但是并不包括RIS的不規則形狀設計。② 為了突破RT模擬器中RIS鏡面反射機制從而達到定向反射的效果,現有部分研究在模擬器中構建的RIS大都由若干個RIS單元組成,再根據位置信息調整各單元的方位,實現對接收端的定向反射,但是這些研究忽略了RIS單元的間距問題,致使RIS為緊湊結構,帶來互耦問題,從而對于分析太赫茲通信覆蓋增強的效果有一定誤差。③ 由于RIS的引入使得原有自然不可控的電磁傳播環境變為人為可控的電磁傳播環境,因此可能需要研究者們將實際測試數據與仿真數據進行比對,從而對RT模擬器進行校正,消除RIS自身帶來的影響,以實現更可靠的通信覆蓋性能。④ 在建模中RIS的不同部署模式帶來的差異性也應當重視。例如,在太赫茲頻段的近場或遠場部署模式,單個RIS、多個RIS或泛在RIS 部署模式等,都是當前太赫茲信道建模面臨的難點。

3.2.2 感知輔助建模

感知輔助的太赫茲通信覆蓋增強其對應確定性信道的建模挑戰主要集中于太赫茲通信感知一體化方式和建模復雜度上。太赫茲通信利用極窄波束進行定向的信號傳輸,而太赫茲感知則需要極窄波束進行大范圍、多方向的掃描來得到多維感知信息。因此,如何在這兩種共存的情況下進行信道建模是一大挑戰。隨著研究的深入,太赫茲通信場景的范圍更大、更精細化,以感知的方式得到通信場景中的幾何分布、目標對象等信息會成倍增加,因此對于信道建模仿真的硬件要求和計算復雜度更為苛刻。

3.2.3 XL-MIMO輔助建模

XL-MIMO輔助的太赫茲通信覆蓋增強其對應確定性信道的建模挑戰主要集中于天線陣元部署和遠近場傳播方面?？紤]到天線收發效率,金屬天線的尺寸通常與波長成正比(一般為 1/2或1/4 波長),當頻段為太赫茲時,理論上超大規模天線陣列的天線尺寸可能在極小范圍內放置數量巨大的天線陣元。因此,如何設置合理的天線陣元位置和陣元之間的隔離度以達到理想的天線增益,是RT方法通信場景構建時不可回避的挑戰之一。隨著天線陣元數量的增加,天線陣列的瑞利距離也會增大,收發端之間的距離可能就不再滿足遠場條件。此時,到達天線陣列不同陣元的電磁波將不會像傳統MIMO系統中的近似平行,而會呈現出球面波的特性。雖然已有科研團隊提出了融合球面波和平面波電磁理論建立太赫茲信道模型的方法,但是基于RT方法的太赫茲確定性信道建模研究目前還沒有考慮近場的情況。

3.2.4 低頻輔助建模

低頻輔助的太赫茲通信覆蓋增強其對應確定性信道的建模挑戰主要集中于不同頻段信道的特性帶來的問題。太赫茲信道在某些場景下會表現出時頻空域的非平穩特性,而低頻信道則能較好地表現出時頻空域的一致性。因此,同時對不同頻段的信道進行建模、探究高低頻信道的內在關系是一大技術挑戰[21]。

4 結論

對面向太赫茲通信覆蓋增強的確定性信道建模研究進行了全面的概述與分析。介紹了RT方法、FDTD方法的確定性信道建模方法,并著重探討了基于太赫茲頻段的RT建模方法。闡述了RIS輔助的太赫茲通信覆蓋增強技術、感知輔助的太赫茲通信覆蓋增強技術和其他相關技術輔助的太赫茲通信覆蓋增強技術。針對太赫茲覆蓋增強的相應技術進行了基于RT方法的信道模型實例構建和對應分析,驗證了相應技術對太赫茲通信覆蓋有增強的效果,同時對后續相關建模挑戰進行探討。隨著太赫茲覆蓋增強技術研究的深入與對應信道建模的完善, RT方法的信道模型必將推動太赫茲通信技術的進一步發展,助力6G美好愿景的實現。