太赫兹信道测量研究与实测结果分析

王立磊,李晨阳

(1.罗德与施瓦茨(中国)科技有限公司,北京 100012;2.北京邮电大学 信息与通信工程学院,北京 100876)

0 引言

从1G～5G的各代通信系统演进过程中,信号的载波频率越来越高,而更高的频率意味着更丰富的频谱资源,同时也意味着更强的衰减和更复杂的信道环境。因此,为了设计下一代通信系统的发射机(TX)与接收机(RX),需要对太赫兹频段的信道进行测量建模。近年来,已经有研究人员对太赫兹频段的信道进行了测量[1-8]。介绍了太赫兹信道的常见测量方法,并基于罗德与施瓦茨公司的仪器设备,使用时域测量的方式对158、300 GHz频段的信道进行了测量,得到了太赫兹频段的信道冲激响应(Channel Impulse Response,CIR)结果并进行了分析。通过对信道测量方法和装置的介绍以及对信道测量结果的分析,为未来太赫兹领域的深入研究打下基础。

1 太赫兹通信与信道测量

1.1 太赫兹通信定义与特性

太赫兹通信由于其频谱资源丰富,可提供大容量、低时延的传输,是6G无线通信空口技术的关键候选方案之一。太赫兹频段是位于0.1～10 THz频率范围内的电磁波频段[9],频率远高于当前5G的毫米波频段。太赫兹通信技术在全息通信、微小尺寸通信等领域都有潜在的应用场景,可以作为现有5G系统空口传输的有效补充。相较于5G系统的毫米波通信,太赫兹通信有以下优点：

① 更丰富的频谱资源。与毫米波通信系统相比,太赫兹频段的频谱资源更充足,能够容纳更多的用户接入,可以满足下一代通信系统的多样化通信场景需求。

② 更强的抗干扰能力。相对于毫米波频段,太赫兹频段波束更窄,其抗干扰能力和抗捕获能力更强。与红外通信相比,太赫兹波束对准相对容易,有利于太赫兹通信的捕获跟踪和定向组网。

③ 全天候通信。太赫兹通信受背景噪声和大气影响较小,能够实现全时空的通信,是未来6G天地一体化网络关键技术之一。

然而,太赫兹通信技术也面临着许多挑战。太赫兹频段由于频率更高,其穿透损耗也更严重,导致相对于毫米波,太赫兹通信的传输距离更近。太赫兹频段的电磁波对建筑物等反射面更加敏感,这些反射会产生极高的反射衰减,进而导致其覆盖范围大大缩短。为了应对这些挑战,传统的解决方案通常是对通信系统的发射机和接收机的算法进行设计,例如更高效的信道编译码、信道估计/均衡算法等,以及增大发射机的发射功率和天线数量,这虽然会一定程度上改善其性能,但也会带来极高的成本提升。更好地设计信道编译码与信道估计技术,需要了解电磁波的无线传播环境。因此,在进行太赫兹频段的通信系统设计时,需要对无线传播环境进行测量与建模,进而更好地设计接收机的信号补偿算法。在这个过程中,信道测量是非常关键的技术之一。

1.2 太赫兹频段信道测量的重要性与技术挑战

通常在制定新的通信标准前,首先了解和表征其所在传输频段的传播特性,然后基于传播特性推导出信道模型,进而对新的通信标准进行仿真研究。物理层的链路级仿真需要考虑导频信号在时频域的分布、发射机的信道编译码算法,接收机的信道估计与信道均衡算法等,这些算法的设计与开发都需要依据信道的传播特性。因此,在设计和开发太赫兹频段的通信系统之前,需要对太赫兹频段电磁波的传播特性及信道环境进行测量与建模。

4G及以前的3GPP信道模型的测量和建立仅限于6 GHz以下频率范围和准静态环境,这种环境下的信道测量相对简单。5G的信道测量扩展到了汽车、高速列车等高动态场景,虽然相对于4G更加复杂与完善,但这种信道模型依旧不能简单扩展到6G所使用的100 GHz以上频段。在这个频段上,电磁波的传播会受到人体、车辆和环境条件(如雨水等)的影响,从而使信道的时变性更强,测量更加困难,因此太赫兹频段的信道测量面临着极大的技术挑战[10-11]。

2 太赫兹信道测量方法

2.1 太赫兹信道的频域测量方法

频域信道测量的主要方法是频域扫描法,其原理是将准静态的无线信道模拟成一个二端口网络,使用矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA)对待测量的频率范围进行等间隔的扫描。对于所有测量频点,使用VNA的内置信号源发送探测信号到空间信道,然后再接收反射的多径信号,通过分析处理接收信号得到信道的复数频率响应,再对其做离散傅里叶反变换就能得到相应的CIR。其中,扫描的带宽决定了CIR的时延分辨率,频率间隔则决定了最长可识别的时延[12-13]。

该方法虽然能够获得CIR,但也有一定的缺点。一方面,为确保实测数据的有效性,测量环境必须在测量期间内保持基本稳定,但频域测量法的测量时间通常比较长,期间可能因为各种原因导致测量环境发生变化,进而带来测量误差。因此频域扫描法无法测量快速时变信道,只能测量准静态信道。另一方面,这种测量方法收发端通过线缆分别与VNA的两个端口相连,因此最远的测量距离受限于同步线缆的长度。在太赫兹频段,线缆的传输损耗比较严重,这也影响了系统的动态范围,因此频域扫描法主要适用于测量室内场景和短距离信道,不适用于测量户外长距离的信道。

2.2 太赫兹信道的时域测量方法

时域信道测量的方法为时域相关法,具体是在发射端发送载频信号和拥有良好自相关特性的调制脉冲信号,如Frank-Zadoff-Chu(FZC)序列,接收端接收到信号后与发送信号做相关运算,即可得到无线信道的CIR。在时域测量中,接收机和发射机可以相互分离,这解决了频域扫描法中存在的线缆对测试的影响问题,因此时域相关法可用于远距离的场景测量,其应用比频域扫描法更广泛。由于不需要逐频点扫描,时域相关法的测试速度相对较快,且效率较高。时域测量的原理如图1所示。考虑到太赫兹频段信道的特性以及本文所测试的场景,选择时域信道测量法进行信道测量。

图1 信道时域测量原理Fig.1 Channel time domain measurement schematic

3 太赫兹信道实测结果与分析

3.1 罗德与施瓦茨公司相关研究基础

在太赫兹信道测量领域,罗德与施瓦茨公司有着丰富的研究经验。罗德与施瓦茨公司在与弗劳恩霍夫HHI和弗劳恩霍夫IAF的合作中开发了一种研究装置,可在275～325 GHz产生和分析信号,带宽为2 GHz。该信号可用于信道测量,也可用于新波形调制或进行传输实验。

如图2所示,在TX侧,使用R&S SMW200A宽带矢量信号发生器在中频产生带宽为2 GHz的数字基带信号。单边带上变频器(包含弗劳恩霍夫IAF太赫兹收发机) 将中频信号提高至所需射频发射频率,由R&S SGS100A作为本地振荡器 (Local Oscillator,LO) 。在RX侧,将天线信号放大并与下变频器和LO混合到中频域。中频信号由R&S FSW信号和频谱分析仪采样并储存同相/正交(I/Q)样本,以便进一步处理。TX和RX与两个基于铷原子的参考时钟和触发单元(同步计)同步,实现相干测量并可进行相位评估和相干平均,以及确定绝对的信号传播时间。装置实物图与测量结果如图3所示。

图2 信道测量TX与RX结构Fig.2 Channel measurement TX and RX structure

图3 信道测量装置实物图与测量结果Fig.3 Channel measuring device physical diagram and measurement results

3.2 太赫兹信道测量系统与参数

最近,罗德与施瓦茨公司慕尼黑总部对亚太赫兹频率(158 GHz和300 GHz)的信道传播特性进行了更为系统的研究。研究频率选择了潜在的6G候选频段。该研究重点在于两种代表性场景：类似于街道峡谷 (城市微蜂窝)的室外场景,以及类似于购物中心或机场的室内场景。室内测量活动分别于 两种代表性场景进行。图4为158 GHz下相关信道探测仪的框图,类似于300 GHz装置 (图2)。测量采用时域信道探测仪,测量时间较短,使测量活动中的许多位置可进行多次测量以减少误差,并完整覆盖360°的空间角度。

图4 信道测量装置结构Fig.4 Channel measuring device structure

发射机处装置包括一个单边带上变频器和放大器。R&S SMW200A矢量信号发生器在14 GHz中频处可提供预先计算好的探测序列。所用探测序列为FZC序列,长度为100 μs,带宽B=2 GHz(相应时间分辨率τ=1/B=0.5 ns)。

RX由R&S FSW43信号和频谱分析仪以及下变频器组成,下变频器由12.24 GHz本地振荡器发生器激励。水平极化的垂直面喇叭天线,天线增益为20 dBi,垂直面 (方位平面) 张角约为15°,可作为接收天线。D频段前端将接收信号下变频至 11.12 GHz中频。信号分析仪以2.5 GHz频率对中频信号进行采样,一次测量涵盖序列周期总数为250。接收天线和下变频器安装于精密旋转台上,可实现不同方位角的角度分辨测量。RX安装于手推车(摄影机移动台车) 上,便于精确移动至不同接收机位置。由于所用天线波束宽度约为15°,因此在接收机方位角域中,无线信道以15°为步长进行采样。

所有仪器都与一个时间基准(弗劳恩霍夫HHI同步计)相连接,以确保发射机和接收机之间的相干采样。除了来自高精度铷原子钟的10 MHz参考信号外,同步计还能在TX和RX上实现同步和相干触发。

测量完成后,将所接收的I/Q时域样本作为原始测量数据从信号分析仪传输到计算机。数据后处理包括重采样和滤波、估计每个序列周期的公共相位漂移和补偿相位漂移、所有序列周期的相干平均,结果为CIR。以奈奎斯特速率进行采样,其幅度对应通信信道(包括天线)增益、延迟对应信号传播时间。

表1总结了时域信道探测仪的基本技术参数。使用理想的复杂相关序列 (FZC) 配置,并在估计和补偿相位噪声引起的漂移后进行额外相干平均,可获得较大处理增益和极宽动态范围。

表1 时域信道探测仪基本参数Tab.1 Basic parameters of time domain channel detector

3.3 太赫兹信道测量场景与结果

该测量在罗德与施瓦茨公司德国慕尼黑总部进行。测量场景为室外街道峡谷,以及室内购物中心。测量场景如图5所示,室外测量在两座灰色阴影建筑物之间进行。街道宽度为15.5m,周围建筑物高度约 为20 m。

图5 测量场景Fig.5 Measurement scene

3.3.1 室外街道峡谷场景

室外场景信道测量场景与测量结果如图6所示,第一个测量场景位于两座研发大楼之间的走廊上,类似于街道峡谷场景(城市微蜂窝)。固定TX放置于走廊尽头的自行车停放架上 (图5左侧紫星位置),高度为1.5 m。此处的景观通向一处更开放空间,有一个小广场和独立树丛。包括测试和测量设备在内的RX安装在高度为 1.5 m的无线平台 (摄影机移动台车) 上,并可移动至离TX不同距离的测量位置,最大距离为170 m。大多数测量于视距(Line of Sight,LoS)可及范围内进行。图6为158 GHz和300 GHz下 30 m距离处对准天线的CIR。延迟为0.1 μs的 第一个峰值代表LoS路径,相当于30 m的距离。多径分量同样可见,且在158 GHz处比在300 GHz处更明显。

图6 室外场景信道测量场景与测量结果Fig.6 Outdoor scene channel measurement scene diagram and measurement results

在158 GHz室外场景中,由不同距离 (10～170 m) 瞬态CIR合并而成的图如图7所示。相关测量结果完整涵盖了两座大楼之间的街道长度,天线始终对准。从该组大规模测量中,可以导出路径损耗指数。延迟较大的多径分量几乎存在于整个测量结果中。

(a) 测试结果

(b) 测试场景

对测量数据集的进一步评估涉及角度信息分析。在每个测量点处,将接收机旋转至24个等距角度位置,从而以15°的分辨率对方位平面的无线信道进行空间扫描。

图8(158 GHz)和图9(300 GHz)为两个频率在同一测量点(30 m,室外)的路径估计结果。角度轴表示循环维度,即图中的第一行和最后一行相同,这也反映在颜色上。为了从噪声中明确区分出信号路径,有必要适当控制噪声阈值。对于图8和图9中的示例,将158 GHz的绝对噪声阈值设置为 -120 dBm,将300 GHz的绝对噪声阈值设置为-118 dBm。

图8 158 GHz下的延迟-角度测量结果Fig.8 Delay-angle measurements at 158 GHz

图9 300 GHz下的延迟-角度测量结果Fig.9 Delay-angle measurements at 300 GHz

基于该路径估计,可对所有路径的总接收功率 (即有效总路径增益) 求和,图中对此亦有所反映。虽然300 GHz信道比158 GHz信道要稀疏得多,但总功率并无太大差异。与158 GHz相比,预计 300 GHz的总功率将减少约6 dB。但实际情况并非如此,因此可以得出结论,由于测量的高灵敏度,在158 GHz可以获取额外的路径,但对总功率贡献不大。均方根 (Root Mean Square,RMS) 延迟扩展和RMS角度扩展等统计参数也可以从这些结果中进行评估。

3.3.2 研发大楼中庭室内购物中心/机场场景

室内测量在如图6(b)和图10所示大楼中的大型开放空间进行。该场景类似于购物中心/机场场景。大厅面积约为52 m×13 m,天花板高度约为 20 m。发射天线配置于大楼入口处电梯前一固定位置,高度为1.5 m。接收机安装于无线平台上(天线高度为1.5 m),并可以移动到覆盖整个楼层区域矩形网格上的不同位置。

图10 研发大楼测试场景Fig.10 R&D building test scene

图11为在具有LoS峰值和多个多径分量特定位置(在直角网格中)的角度分辨估计路径,在158 GHz、40 m距离处进行的室内测量。如预期那样,与室外测量相比,更多来自不同方向的多径分量使得总接收功率更高 (40 m为-71.4 dB,30 m为-75.1 dB)。

图11 158 GHz下研发大楼测量结果Fig.11 Measurements of the R&D building at 158 GHz

图12通过玫瑰图实现可视化的呈现,图中的每块“饼”代表各自角仓的总功率,将所有的“饼”进行处理,便可归一化为总功率。一个角仓内不同路径的单一贡献用点表示。只有一个或两个角仓几乎占尽总功率, 而且在一个仓内,只有少数路径有显著贡献。图中,同样的数据集显示于极坐标图中,每个点对应一个峰值,三角形 (“饼”) 代表各自角仓中的总功率。可以观察到多个多径分量。

图12 研发大楼测量结果玫瑰图Fig.12 R&D building measurement results rose map

4 结论

本文详细介绍了太赫兹频段信道测量的方法,以及基于158 GHz和300 GHz频段对常见通信场景如城市街道峡谷、室内购物中心等进行信道测量的详细过程,并针对时延、功率、信道冲击响应等测试结果进行了详细分析。相关的实验方法和测量结果对于后续的太赫兹相关领域研究工作和频谱分配可以提供很好的参考。

太赫兹技术未来与通感一体化、可重构智能超表面等技术相结合,对其信道建模可能会带来新的挑战。本研究计划重点考虑了这些方向,将继续探索新的信道测量方法,为新技术的信道建模提供参考借鉴。