太赫茲頻段室內場景空-時域信道特性測量與建模研究

丁子航,唐 盼,張建華,常釗瑋,田 磊

(1.北京郵電大學 信息與通信工程學院,北京 100876;2.北京郵電大學 電子工程學院,北京 100876)

0 引言

在過去的幾十年里,無線數據流量呈指數級增加。為滿足日益增長的數據需求,未來的無線通信系統需要革命性地提升數據傳輸速度,現有提出的解決方案之一是使用更高的頻段。2023年6月22日,在瑞士日內瓦舉行的國際電信聯盟無線電通信部門5D工作組第44次會議通過了IMT-2030(6G)的建議書草案[1],建議書中提到IMT-2030不僅需要使用低頻段、中頻段(厘米波)和毫米波頻段,還需要使用太赫茲頻段。太赫茲頻段擁有數十千兆至數百千兆赫茲的連續頻譜資源[2],理論上可解決頻譜稀缺和容量限制問題。同時,太赫茲波束寬度窄,能以較強的定向能力保證傳輸信息的安全[3]。因此,太赫茲通信技術被認為是6G的關鍵候選技術之一[4]。

無線信道是信號從發射機傳輸到接收機的介質,信道特性決定了無線通信系統的最終性能極限[5]。雖然太赫茲頻段為未來高速無線通信的實現提供了可能,但該頻段超高的頻率和極高的方向性都使得太赫茲信號更容易被傳播路徑上的障礙物阻擋,有較高的傳播損耗[6],未來更可能被廣泛應用于辦公室等室內短距離通信場景。為了推動太赫茲通信技術在室內場景的應用,有必要研究太赫茲頻段室內場景的無線信道特性。

目前,國內外各高校、公司和科研單位已經開展了一系列有關太赫茲室內信道的相關研究[7-17],如Chen等人[7]基于矢量網絡分析儀在辦公室場景對140 GHz的寬帶信道進行測量,對路徑損耗、時延擴展、角度擴展以及信道參數之間的相關性進行分析。Abbasi等人[10]基于矢量網絡分析儀在辦公室場景對140～220 GHz太赫茲頻段進行測量,對路徑損耗進行分析。Pometcu等人[11]使用矢量網絡分析儀在室內實驗室、會議室和辦公室場景下對126～156 GHz太赫茲頻段進行信道測量,對路徑損耗、時延擴展進行分析。Tang等人[17]基于寬帶信道測量系統在室內短距離場景對220～330 GHz太赫茲頻段進行信道測量,對路徑損耗進行分析?？梢园l現,現有關于太赫茲室內信道研究的文獻只關注典型室內場景在100～300 GHz某些典型頻率處的衰落特性。因此,需要在太赫茲頻段進行更廣泛頻率的信道測量,針對室內場景中尚未研究的頻率進行信道測量與特性分析,以全面了解太赫茲信道的衰落特性。

基于上述研究現狀,為了研究太赫茲頻段室內場景空-時域的信道特性,首先通過太赫茲頻段寬帶信道測量平臺在辦公室場景中進行100 GHz頻段的信道測量及數據預處理。然后基于實測數據,分析得出視距(Line of Sight, LoS)和非視距(Non Line of Sight, NLoS)室內場景下太赫茲無線信道時延擴展和角度擴展參數,并將兩種參數值與3GPP標準進行對比分析。最后通過建立對數距離依賴模型,分析測量距離與兩種參數的關系。

1 太赫茲頻段室內場景信道測量

1.1 測量平臺與參數配置

信道測量及其統計分析是一種基于實驗研究電磁學傳播和無線電信道特性的技術。本次使用的測量平臺基于時域擴頻滑動相關原理[18],能夠使用低峰均比的信號作為輸入信號,有效支持寬帶信道測量,從而獲得多徑信號。圖1展示了太赫茲頻段信道測量平臺的總體架構。

圖1 太赫茲頻段信道測量平臺總體架構Fig.1 General architecture diagram of channel measurement platform in terahertz bands

在發射端(TX)使用矢量信號發生器生成一個偽隨機噪聲(Pseudo Noise,PN)序列信號作為中頻探測信號,將其與倍頻后的本振信號通過混頻器進行上變頻,將中頻探測信號調制為太赫茲信號。在接收端(RX)使用相同的本振信號經過倍頻后與接收信號通過混頻器進行下變頻,通過頻譜分析儀實時采集時域 I/Q兩路數據,將采集到的數據用于后續處理分析。具體的參數配置如表1所示。

表1 信道測量配置參數Tab.1 Channel measurement configuration parameters

1.2 測量場景與規劃

太赫茲頻段室內信道測量的場景選取某典型辦公室場景,辦公室的空間三維尺寸為17.51 m(長)×6.78 m(寬)×3.2 m(高),測量實景如圖2所示。

圖2 太赫茲頻段辦公室場景信道測量Fig.2 Measurement diagram of office scenario in terahertz bands

在測量過程中,分別測量LoS和NLoS場景,布點如圖3所示,其中紅色五角星為發射端,綠色圓形為接收端。在LoS場景中,發射端天線對準接收端,接收端天線垂直對準角度選取-15°、0°和 +15°,在每個垂直角度以步長20°水平采集360°,即在每個測量點共采集54組數據。在NLoS場景中,發射端天線垂直角度為0°,水平角度為135°,接收端天線垂直對準角度選取-15°、0°和+15°,在每個垂直角度以步長20°水平采集360°,即在每個測量點共采集54組數據。

(a) LoS場景

(b) NLoS場景

2 太赫茲頻段空-時域信道特性分析方法

當信號在傳播中遇到障礙物或介質時,會導致信號以多種不同的方式傳播,如反射、散射、繞射和透射,由于不同路徑的傳播距離不同,會引起不同的信道衰減,稱為信道的多徑效應[19]。多徑效應直接影響信號的幅度、相位和時延,從而在空-時域上形成了復雜的信道特性。下面對均方根時延擴展和水平到達角的均方根角度擴展進行分析,研究太赫茲頻段室內辦公室場景的空-時域信道特性。

2.1 全向功率時延譜與全向功率角度譜的合成

為了便于分析整個空間的信道特性,需要將各位置處所有測量的水平角、垂直角綜合考慮,合成各位置處的全向功率時延譜與全向功率角度譜進行后續分析。

在每個測量點,選取不同角度相同時延對應的功率最大值,將此功率作為此時延的譜功率值,再將各個時延合成為一個新的功率時延譜Pfull進行分析。具體計算如下式：

Pfull(τ;d)=

(1)

同理,在每個位置處,將相同水平角不同垂直角的功率時延譜合成為一個水平角度的全向功率時延譜DPASfull,計算如下：

將此全向功率時延譜的功率峰值相加,作為此水平角度的譜功率值,再將各個水平角度合成為一個水平到達角度(Angle-of-Arrival,AoA)的功率角度譜PAS進行分析,計算如下：

(3)

為有效濾除功率時延譜的噪聲,需計算噪底功率作為噪聲信號電平,噪聲信號電平加一個保護閾值,將低于功率閾值線的部分作為噪聲去除后,再進行后續的參數計算。同理,也需要為功率角度譜加一個保護閾值進行噪聲去除。

2.2 均方根時延擴展

時延參數可以描述多徑信號分量能量在時延域的離散程度。通常使用功率時延譜來描述信道時延色散特性,因為不同的多徑信號分量到達接收端的時間不同,導致多徑信號分量之間存在著相對時延,所以主徑信號與多徑信號的功率在時延域上表現出不同的峰值。在現有多徑信道建模的研究中,均方根(Root Mean Square,RMS)時延擴展是無線信道建模研究中最常用的參數之一。

均方根時延擴展τRMS可由式(4)計算,是功率時延譜二階矩的平方根。

(4)

式中：L為有效多徑數,τl為第n條多徑的時延,P(τl)為時延為τl時的功率,τmean為平均附加時延。

(5)

研究時延特征參數的統計分布模型,對于了解信道的傳播特性非常有幫助。3GPP TR 38.901模型采用基于隨機的統計模型方法進行建模,常用的Log-Normal統計分布模型可以比較貼切地描述實測時延參數的分布,可以將該模型的概率密度函數(Probability Density Function, PDF)表示為：

(6)

式中：μ和σ分別代表對數均值和對數標準差。

2.3 均方根角度擴展

角度統計參數可以描述多徑信號分量能量在角度域的離散程度。與均方根時延擴展的定義類似,均方根角度擴展可以看作是功率角度譜二階中心矩的平方根,計算如下：

(7)

式中：k表示第k條從發射端到接收端的多徑信號,exp(jφ)表示角度值對應的e指數相位,角度功率譜的加權平均值μφ可以通過式(8)計算。

(8)

由于喇叭天線的波束寬度有限,所以上述計算獲得的結果將是信道實際角度擴展的理論最大值。

3 太赫茲頻段空-時域信道特性分析結果

3.1 全向功率時延譜與全向功率角度譜

通過上節的數據處理方法,可以獲得各位置處特定水平角、垂直角的功率時延譜和功率角度譜,以及合成后的全向功率時延譜和全向功率角度譜。以NLoS辦公室場景第七測量點位、測量距離為 13.95 m處的測量結果為例,進行太赫茲頻段室內辦公室場景多徑信道中功率和時延與角度的關系分析,此位置處合成后的全向功率時延譜和全向功率角度譜如圖4和圖5所示。

圖4 NLoS辦公室場景第七測量點位的功率時延譜Fig.4 Power delay spectrum at measurement position 7 in the NLoS office scenario

圖5 NLoS辦公室場景第七測量點位的功率角度譜Fig.5 Power angle spectrum at measurement position 7 in the NLoS office scenario

從圖4中可以清楚地觀察到NLoS多徑,在時延為28 ns附近的接收功率強度明顯大于其他時延處的接收功率,最小差值約21 dB。這是由于喇叭天線所造成的空間濾波效應減少了非反射主徑方向的信號分量,所以太赫茲頻段NLoS辦公室場景中接收端接收到的NLoS主徑信號明顯。

從圖5中可以觀察到接收的NLoS多徑在各方向都有分布,但方向性明顯。其中,在340°附近的接收功率強度明顯大于其他方向,最小差值約 12 dB。也是由于喇叭天線的空間濾波效應,使得太赫茲頻段NLoS辦公室場景中接收端接收到的NLoS信號有較強的方向性。

3.2 均方根時延擴展

圖6(a)顯示了辦公室場景中所測得的均方根時延擴展值的累積概率密度函數及其對應的對數正態擬合結果。按照3GPP的常見數據處理方式,將均方根時延擴展值以對數作為橫坐標單位,再將測量結果進行對數正態分布擬合,擬合得到的均值μ和標準差σ參數如表2所示?？梢钥闯?NLoS辦公室場景中的時延擴展值大于LoS辦公室場景中的時延擴展值,分析其原因是在太赫茲頻段LoS辦公室場景中以直射徑傳播為主,主徑信號功率較大,能量集中;NLoS場景中以反射徑傳播為主,能量分布較為離散,且傳播路徑長、傳播路徑差異大,導致時延差異大,因此功率時延譜的二階中心矩會增加。

表2 辦公室場景下時延域統計特征參數

(a) 均方根時延擴展值累積概率函數及擬合結果

(b) 均方根時延擴展值與收發端距離的關系及擬合結果

將3GPP TR 38.901標準中室內辦公室場景的時延擴展統計特性參數與此次實測進行對比,可以發現本次測量結果比3GPP標準中對應室內辦公室場景的時延擴展值約小12 ns。分析原因是由于3GPP標準主要用來表征100 GHz以下頻段的信道特性,太赫茲信號波長短、多徑少,導致時延擴展值更小。本次測量場景尺寸(17.51 m×6.78 m×3.20 m)比3GPP標準場景尺寸(120 m×50 m×3 m)小,使得接收到的多徑傳播路徑短、時延差異小。

將兩場景中各位置處的均方根時延擴展值取平均,可以得到辦公室場景中太赫茲頻段的均方根時延擴展值與收發端距離的關系。從圖6(b)可以看出,在LoS場景中均方根時延擴展值隨距離的增加有上升趨勢;在NLoS場景中,均方根時延擴展值隨距離的增加有下降趨勢。分析其原因是在LoS場景中隨著距離的增加,接收的信號傳播路徑差異變大,使得時延差異較大;在NLoS場景中隨著距離的增加,測量點位更接近墻角,由于墻面反射的信號更多,使得接收的信號更集中,與實際情況吻合。將此關系建模為時延擴展是距離的對數關系：

y=a×lg(x)+b,

(9)

式中：a為距離依賴因子,b為截距。對兩場景中的測量結果進行擬合,得到的距離a和截距b參數如表3所示。

表3 時延擴展對數距離模型參數(置信水平為95%)Tab.3 Parameters of the delay extension log-distance model (with 95% confidence level)

由表3可以看出,在LoS場景中,距離依賴因子的擬合結果為0.49、置信水平為95%時,置信區間的上下限值均為正值,可以認為均方根時延擴展值與距離正相關;在NLoS場景中,距離依賴因子擬合為-0.06,但在置信水平為95%時,置信區間的上限值為正值,所以隨著測量樣本數的增加,均方根時延擴展值可能與距離正相關。

3.3 均方根水平到達角角度擴展

圖7(a)展示了辦公室場景中所測得的角度擴展值的累積概率密度函數及其對應的對數正態擬合結果。此角度擴展為合成后的均方根水平到達角的角度擴展。與時延擴展值的數據處理方法類似,擬合得到的均值μ和標準差σ參數如表4所示。

表4 辦公室場景下角度域統計特征參數Tab.4 Statistical characteristic parameters of office scenario in angle domain

(a) 均方根角度擴展值累積概率函數及擬合結果

(b) 均方根角度擴展值與收發端距離關系及擬合結果

從表4可以看出,NLoS辦公室場景中的角度擴展值大于LoS辦公室場景中的角度擴展值,分析其原因是強視距信號分量功率占比較大,使得LoS辦公室場景中的角度擴展值降低;NLoS辦公室場景中有更多反射的多徑信號,使得接收的多徑角度分布更離散。

將3GPP TR 38.901標準中室內辦公室場景的角度擴展統計特性參數與此次實測進行對比,可以發現本次測量結果比3GPP標準中對應室內辦公室場景的角度擴展值小。分析原因是太赫茲信號與毫米波相比,多徑信號分量更少,導致入射角度分布更集中,從而角度擴展值更小。

將每個位置的角度擴展值取平均,可得辦公室場景的角度擴展值與收發端距離的關系。由圖7(b)可以看出在NLoS場景中,角度擴展值隨距離地增加有上升趨勢,但在LoS場景中無明顯對數相關性。分析原因是在NLoS場景中,隨著距離的增加,多徑信號傳播路徑差異更明顯,使得接收的信號更離散;在LoS場景中,主徑信號功率占比較大,且喇叭天線有空間濾波效應,使得本次實測接收波束內的多徑在空間域的分布情況基本與距離無關,而與環境的復雜度有關。將NLoS場景中的角度擴展值也建模為距離的對數關系,結果如表5所示,可以看出,在NLoS場景中,距離依賴因子擬合為0.29,但在置信水平為95%時,置信區間的下限值為負值,所以需要更多場景的測量來驗證其相關性。

表5 角度擴展對數距離模型參數(置信水平為95%)

4 結束語

本文基于室內辦公室場景100 GHz頻段的實測數據,進行空-時域信道特性分析與建模研究。分析結果表明,在室內辦公室場景的太赫茲信道中,有明顯的多徑分量,且在NLoS場景中的多徑時域色散更明顯。此外,由于3GPP標準主要用來表征 100 GHz以下頻段的信道特性,且本次測量場景尺寸較小,使得時延擴展參數、角度擴展參數的統計結果均比3GPP標準值低。其中,均方根時延擴展值的測量結果比3GPP標準值約小12 ns。通過探討兩種擴展值與測量距離的關系,發現在LoS場景中,均方根時延擴展值隨距離的增加有上升趨勢,均方根角度擴展值與距離無明顯相關性;在NLoS場景中,均方根時延擴展隨距離的增加有下降趨勢,均方根角度擴展隨距離的增加有上升趨勢。將上述關系建模為距離對數模型,發現在置信水平為95%時,LoS場景中的均方根時延擴展值與距離正相關,而其他參數與距離的相關關系還需要更多測量來進一步確定?？傊?研究結果可以為未來太赫茲頻段室內通信及其系統優化研究提供一定幫助,同時也有望對信道模型的標準化做出一定貢獻。