面向太赫兹通信覆盖增强的确定性信道建模分析

谢昀航,胡田钰,李玲香,陈 智

(电子科技大学 通信抗干扰全国重点实验室,四川 成都 611731)

0 引言

为顺应科技发展以及未来社会对通信服务的广泛需求,全球已开启了关于6G网络的研发战略和规划。其中,太赫兹通信因其极高速率、超大带宽、超高感知分辨率等特点,被列为6G关键候选技术之一,可支撑如沉浸式通信、通信感知一体化等应用场景。然而,太赫兹通信存在严重的路径损耗且具有不可忽略的分子吸收效应;同时,太赫兹通信的较弱衍射能力和极窄波束还使其具有阻塞敏感性。上述太赫兹信道特点都导致太赫兹通信覆盖受限。

为解决上述问题,研究者们提出了多种太赫兹通信覆盖增强的技术。本文将这些技术分为智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)辅助的太赫兹通信覆盖增强技术、感知辅助的太赫兹通信覆盖增强技术和其他技术。RIS辅助的太赫兹通信覆盖增强技术是通过在基站和终端用户之间部署RIS设备,能够在视距通信不可达或信号质量较差的太赫兹通信区域按需动态建立视距链路,提升覆盖质量,减少覆盖盲区[1]。而感知辅助太赫兹通信覆盖增强技术则是利用发送太赫兹信号与捕获对应回波来感知通信场景中的各种目标,得到其距离、方位、尺寸等物理信息。进一步,通过对感知信息的分析,太赫兹通信系统能够进行目标定位、波束切换以及中继部署,进而实现覆盖范围的增强[2]。其他技术,目前可基于超大规模多输入多输出(Extremely Large Multiple-Input Multiple-Output,XL-MIMO)或高低频协作来实现太赫兹通信覆盖增强。其中,XL-MIMO通过波束形成技术生成高增益的定向波束,进而达到增强波束覆盖距离的效果[3]。文献[4]探讨了通过太赫兹通信感知一体化的高低频协作技术来提升太赫兹通信的覆盖性能。

随着多种太赫兹通信覆盖增强技术的提出,有必要开展相应太赫兹无线信道的建模分析,以更好地在实际环境中进行通信系统的个性化设计与部署。无线信道特性将决定对应通信系统的性能极限,同时也是后续通信系统改进、部署、评估的重要依据[5]。因此,通过对面向辅助太赫兹通信覆盖增强场景的无线信道进行建模与分析,有助于太赫兹通信覆盖增强性能的进一步提高。

当前信道建模方法涵盖确定性信道建模、统计性信道建模以及混合信道建模三种方法,确定性信道建模可根据已知环境信息和材料的电磁特性进行更为精确的信道特性建模分析,有助于后续技术或系统决策的部署规划[6]。因此本文将就面向太赫兹覆盖增强技术开展相应的确定性信道建模方法讨论与信道模型分析,并且将基于确定性信道建模方法给出RIS辅助、感知辅助的太赫兹通信实例。

1 确定性信道建模

确定性信道模型是指可用于精确模拟电磁波在通信环境中传播的模型,也称为特定场景传播仿真模型。因此,确定性信道建模方法不依赖于广泛的测量结果,而只需要准确的通信场景信息,如材料的介电常数、空间位置等。在已知上述信息的情况下,可以通过求解麦克斯韦方程来精确地计算出电磁波的传播特性,进而构建出信道模型。因此,确定性方法的仿真结果与实际测量结果有较好的统一性[7]。进一步,射线追踪 (Ray Tracing,RT) 方法和时域有限差分 (Finite Difference Time Domain,FDTD) 方法是确定性信道建模的两种主要方法。

1.1 RT方法

RT方法是一种基于几何光学的技术。在几何光学的假设中,能量可以被认为是通过无穷小的管道进行传播的,传播的能量被称为射线。如果环境中介质的相对折射率恒定,那么射线会沿直线的传播方向在三维空间中移动并与接触面交互。因此,信号的传播可以通过射线的传播来建模[7]。通过确定通信场景的几何模型以及收发端等信息,信号的传播便能得到精细的刻画,进而可以对信道特性展开研究,最终构建出合理的信道模型。当前,太赫兹信道的RT方法建模方法备受推崇,因为太赫兹频段波束窄且具有更强的微粒特性,使信号近似于射线的模拟变得更加准确。

Priebe等人[8]进行了广泛的室内275～325 GHz的无线信道测量,并使用频域RT方法对该信道进行了确定性建模,实验证明了实际测量数据与RT方法结果有较好的一致性,并对RT方法进行了校准。Sheikh等人[9]对0.1～1.0 THz的办公环境进行光线跟踪法模拟,并将路径损耗与国际电信联盟的大气衰减模型相结合,获得更准确的太赫兹信道特性结果。此外,文献[10]利用RT方法对300 GHz太赫兹频段的城市里车辆-基础设施(Vehicle to Infrastructure,V2I)信道进行了仿真,并且针对包括路径损失、阴影衰落等参数进行了分析与建模,研究发现太赫兹V2I信道具有较强的非平稳性。文献[11]采用RT方法构建了低太赫兹室内环境下的大规模MIMO场景,分析了MIMO所带来的通信容量改善和空间非平稳性。

然而,上述方法都只是针对不同通信场景对太赫兹信道展开分析,并没有在太赫兹通信覆盖增强技术的范畴下去考虑对应信道。

1.2 FDTD方法

FDTD方法是基于麦克斯韦方程组在确定边界条件下直接进行数值求解的方法。该方法将仿真区域的空间划分为一个三维的离散网格,以此使空间和时间离散化。在离散网格上使用麦克斯韦方程的差分形式来更新电场和磁场并模拟电磁波的传播和相互作用。FDTD方法允许在不同网格点上使用不同的电磁特性来模拟各种材料,这可以通过调整网格点上的电磁参数来实现,如导电率、介电常数等。FDTD方法相较于RT方法具有更高的计算精度,其仿真面积更精细化且可以使用非均匀材料建模[12]。但是由于FDTD方法的算法特性,其局限性也显而易见。由于要确保离散网格足够精细以模拟模型中的电磁传播过程,因此需要比RT方法更多的计算资源来求解所有位置的解析并对所有位置进行实时的数值更新。而在太赫兹频段,由于频率的增加以及带宽的增大,这使得FDTD方法的仿真分辨率增大,其计算量也变得更为庞大。因此,本文讨论该方法在太赫兹频段的信道建模应用及分析。

2 太赫兹通信覆盖增强技术

2.1 RIS辅助的太赫兹通信覆盖增强技术

RIS是大量反射元件组成的平面,每个元件都能够独立地对入射信号产生可控的振幅、相位变化,通过控制调控器对可重构智能表面进行调整,优化信号的传播路径,从而改变收发机之间的无线传播环境[13]。因此在太赫兹通信场景下,研究人员一方面通过协调RIS上的被动反射元件可以让发射信号绕开如建筑物、植被等处在收发机之间的障碍物,进而向接收机方向增加由RIS带来的额外路径,以此实现太赫兹通信覆盖。另一方面,RIS 可以对太赫兹信号传播的方向进行同相位的叠加,从而增大接收信号强度,进而扩大覆盖范围[14]。同时,由于RIS自身具有低成本、低能耗、质量轻、易安装的特点,在太赫兹通信场景下可以将RIS部署在各种物体表面,以此来主动丰富信道散射的条件,构建智能可控的传输环境。例如在室内短距离通信场景,RIS可以密集的部署于天花板、墙壁或家具上,以此弥补太赫兹信道的稀疏性,实现通信的增强覆盖。在室外场景中,由于RIS本身不携带任何额外信息对通信环境进行干扰,因此RIS可以部署于立柱、广告牌、建筑物表面以及车辆外侧处,将太赫兹窄波束反射到目标接收端,达到对通信环境进行调控的效果。此外,对于一些空对地场景如在大型体育场或者是野外地区,RIS还可以与无人机结合,将RIS部署在无人机表面。与地面RIS场景相比,由于无人机的高度相对较高,更容易与地面节点建立强大的可视链接,从而降低太赫兹信号与地面节点之间的堵塞概率,大大增加地面服务用户的数量,进而达到增加通信覆盖范围的效果[15]。此外,文献[16]介绍了一种RIS辅助太赫兹通信系统的模型,针对该系统模型进行RIS辅助下太赫兹通信系统的覆盖性能分析并定义了RIS辅助太赫兹通信系统覆盖概率的量化表达式。

2.2 感知辅助的太赫兹通信覆盖增强技术

感知辅助的太赫兹通信覆盖增强技术是通过感知的方式分析得到当前通信场景中障碍物几何分布信息、用户目标对象信息等,并将其应用于太赫兹的波束对准/切换、链路优化、中继部署,进而达到通信覆盖范围增强的效果[2]。具体而言,太赫兹感知技术可看作发射探测信号并通过回波进行感知的雷达类技术,而回波信道包含了物体及其周围环境的后向雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)。因此可以利用感知信道模型着重分析电磁波在散射、反射等传播机理下的功率、时延、相位、角度以及多普勒效应,以获取目标从位置、速度、运动方向到材质、形状等多维度感知信息,构建感知环境。而随着传播信道的可确定性和可预测性不断提升,利用感知到的环境特征辅助太赫兹通信,增强通信覆盖范围成为可能。但目前感知辅助的太赫兹通信覆盖增强技术的研究尚处于起步阶段,大都以毫米波频段进行技术验证与分析。文献[17]提出了一种毫米波雷达与通信联合的系统：首先通过利用毫米波雷达感知的方式构建出室内环境;然后根据环境信息得到准确的从发射端到接收端的到达角和出发角;最后,基于一种反射框架的搭建,成功地对每条路径的增益进行了建模。根据上述结果,以相当低的估计开销计算出高精度的信道模型。文献[18]将毫米波雷达作为一个有用的侧信息来源,通过雷达感知得到的信息辅助V2I场景执行波束对准任务,进而帮助通信配置链路以提高通信效能。

2.3 其他太赫兹通信覆盖增强技术

文献[3]指出,太赫兹XL-MIMO系统支持的3D波束形成技术为太赫兹通信提供更高的传输增益和更强的定向性,以提供大容量和干扰较小的多址访问。这一功能将有助于未来空-地综合广域覆盖网络中大量空中目标(如无人机)的连接管理。此外,文献[19]阐述了XL-MIMO 技术带来的角度/时间分辨率的提高不仅能够有效改善太赫兹通信服务的精度,还有助于太赫兹信号多径/非视距传播的识别与抑制,从而有助于提升复杂环境下太赫兹通信覆盖的能力。因此,面对广域复杂的太赫兹通信场景,XL-MIMO可以凭借其强大的增益效果来弥补太赫兹通信覆盖受限的问题,并降低太赫兹基站运营维护成本。

与太赫兹频段的高速率、大带宽不同,虽然低频段信号数据传输速率相对较低,但是其传播范围远、对应技术相对成熟,并且现有基站比较完善。因此,通过将低频段与太赫兹频段相结合,可以实现更广范围的通信覆盖,同时保持太赫兹通信的高数据传输速率。例如在城市场景中,由于太赫兹频段易阻塞、穿透损耗强且受大气影响,出于成本考虑,部署密集型太赫兹基站不现实,而太赫兹通信覆盖范围小的问题又比较突出,因此可以在室外采用低频的宏基站来保证通信覆盖,人流密集处考虑部署太赫兹频段的基站进行增容。文献[20]提出了一种具有无线回程能力的多层次混合异构网络模型,并对该模型下太赫兹通信网络的数据传输速率以及覆盖范围进行了分析讨论。

3 建模实例与挑战

随着各种面向太赫兹通信覆盖增强技术的提出及新兴设备的应用,确定性信道建模将存在诸多难点。本文将基于RT方法给出面向太赫兹通信覆盖增强的RIS信道建模实例与感知信道建模实例,并分析其中涉及的关键技术与挑战。

3.1 建模实例

针对面向太赫兹通信覆盖增强的RIS信道建模,构建了一个300 GHz下16 m×15 m×3 m的小型办公室,图1(a)为该场景的二维俯视图。并将收发端放置在两台办公电脑附近,其中办公室中心点为坐标(0,0,0)m,发射端(TX)的坐标为(-5.8,-6.4,2.5)m,接收端(RX)的坐标为(7.7,3.7,2.5)m。TX所发射的信号为载波频率300 GHz、带宽1 GHz、波束宽度10°、波束方向90°的定向太赫兹波束,而接收端RX使用全向天线进行接收。而由于太赫兹的衍射能力较弱、易受到阻塞,因此本部分仿真只设置了一阶反射与一阶衍射。在未放置RIS时,可以从图1(b)的三维RT仿真结果和图1(d)的二维RT仿真结果看出,此时收发端无法建立有效的太赫兹通信链路。因此,本文将RIS部署在红色墙面如图1(c)所示,其中心点坐标为(-4.0,6.9,1.5)m,反射系数为0.707,透射系数为0。在对RIS辅助的太赫兹通信场景进行RT仿真后,从图1(e)中可以明显看出有两条太赫兹通信链路的建立,其中每条路径的相关参数可由仿真得到。表1列举了信道路径的发射方向、到达方向、接收功率与平均到达时间4个信道路径参数进行信道路径的对比,如表1所示。可以看出,相较于原本太赫兹通信空白区域,现如今的该区域附近平均接收功率为-141.442 dBm。因此,通过对上述场景的信道建模,可以有效验证RIS对于太赫兹通信覆盖的增强效果。

(a) 二维小型办公室场景

基于相同小型办公室场景开展了感知信道的建模与分析。TRx表示发射端与接收端,设置TRX的坐标都为(4.0,3.8,0.5)m,发射信号与RIS实例相同。基于TRx进行了太赫兹感知信道的仿真,如图2(a)所示,产生了8条信道路径。根据信道路径可以得到信号在传播过程中的反射与衍射位置,进而感知到障碍物的存在。如图2(a)～(b)所示,在该实例中信号感知到了沙发、天花板、桌子。通过对8条信道路径逐一编号并汇总发生反射、衍射的位置信息可得表2。对8条信道路径进行分析,信道路径1只在坐标(4.0,-2.3,0.5)m处发生了反射,而在仿真环境的搭建中,沙发的y坐标是-2.3 m,因此可以推断信道路径1的信号在沙发附近位置发生的反射的现象;信道路径2在坐标(4.0,-2.3,0.5)m与(4.0,4.0,0.5)m处分别发生了一次反射与一次衍射,因此可以推断在该路径下的信号先在沙发附近处发生了反射,再在接收机附近位置发生了衍射;此外,信道路径5、6、7、8的衍射位置的z坐标为3.0 m,与已知的小型办公室的高度一致,因此可知这4条信道路径在天花板处的发生了衍射的现象;信道路径3、4的反射位置与衍射位置的y坐标都为-4.0 m,与桌子的位置相近,因此可以推断经过这两条路径的信号在桌子周围发生了反射与衍射的现象。通过对此类信道建模仿真中的信道路径分析有助于对后续太赫兹通信场景下感知性能的完善与提升。

表2 感知信道建模实例的信道路径参数

图2 基于RT方法的感知信道建模仿真实例Fig.2 Example of sensing channel modeling based on RT

3.2 建模挑战

3.2.1 RIS辅助建模

RIS辅助的太赫兹通信覆盖增强其对应确定性信道的建模挑战主要集中于RIS的设计、单元构造、实测校正及部署等方面。① 当前RT软件虽然能够设置RIS的材料属性、摆放角度以及形状大小,但是并不包括RIS的不规则形状设计。② 为了突破RT模拟器中RIS镜面反射机制从而达到定向反射的效果,现有部分研究在模拟器中构建的RIS大都由若干个RIS单元组成,再根据位置信息调整各单元的方位,实现对接收端的定向反射,但是这些研究忽略了RIS单元的间距问题,致使RIS为紧凑结构,带来互耦问题,从而对于分析太赫兹通信覆盖增强的效果有一定误差。③ 由于RIS的引入使得原有自然不可控的电磁传播环境变为人为可控的电磁传播环境,因此可能需要研究者们将实际测试数据与仿真数据进行比对,从而对RT模拟器进行校正,消除RIS自身带来的影响,以实现更可靠的通信覆盖性能。④ 在建模中RIS的不同部署模式带来的差异性也应当重视。例如,在太赫兹频段的近场或远场部署模式,单个RIS、多个RIS或泛在RIS 部署模式等,都是当前太赫兹信道建模面临的难点。

3.2.2 感知辅助建模

感知辅助的太赫兹通信覆盖增强其对应确定性信道的建模挑战主要集中于太赫兹通信感知一体化方式和建模复杂度上。太赫兹通信利用极窄波束进行定向的信号传输,而太赫兹感知则需要极窄波束进行大范围、多方向的扫描来得到多维感知信息。因此,如何在这两种共存的情况下进行信道建模是一大挑战。随着研究的深入,太赫兹通信场景的范围更大、更精细化,以感知的方式得到通信场景中的几何分布、目标对象等信息会成倍增加,因此对于信道建模仿真的硬件要求和计算复杂度更为苛刻。

3.2.3 XL-MIMO辅助建模

XL-MIMO辅助的太赫兹通信覆盖增强其对应确定性信道的建模挑战主要集中于天线阵元部署和远近场传播方面。考虑到天线收发效率,金属天线的尺寸通常与波长成正比(一般为 1/2或1/4 波长),当频段为太赫兹时,理论上超大规模天线阵列的天线尺寸可能在极小范围内放置数量巨大的天线阵元。因此,如何设置合理的天线阵元位置和阵元之间的隔离度以达到理想的天线增益,是RT方法通信场景构建时不可回避的挑战之一。随着天线阵元数量的增加,天线阵列的瑞利距离也会增大,收发端之间的距离可能就不再满足远场条件。此时,到达天线阵列不同阵元的电磁波将不会像传统MIMO系统中的近似平行,而会呈现出球面波的特性。虽然已有科研团队提出了融合球面波和平面波电磁理论建立太赫兹信道模型的方法,但是基于RT方法的太赫兹确定性信道建模研究目前还没有考虑近场的情况。

3.2.4 低频辅助建模

低频辅助的太赫兹通信覆盖增强其对应确定性信道的建模挑战主要集中于不同频段信道的特性带来的问题。太赫兹信道在某些场景下会表现出时频空域的非平稳特性,而低频信道则能较好地表现出时频空域的一致性。因此,同时对不同频段的信道进行建模、探究高低频信道的内在关系是一大技术挑战[21]。

4 结论

对面向太赫兹通信覆盖增强的确定性信道建模研究进行了全面的概述与分析。介绍了RT方法、FDTD方法的确定性信道建模方法,并着重探讨了基于太赫兹频段的RT建模方法。阐述了RIS辅助的太赫兹通信覆盖增强技术、感知辅助的太赫兹通信覆盖增强技术和其他相关技术辅助的太赫兹通信覆盖增强技术。针对太赫兹覆盖增强的相应技术进行了基于RT方法的信道模型实例构建和对应分析,验证了相应技术对太赫兹通信覆盖有增强的效果,同时对后续相关建模挑战进行探讨。随着太赫兹覆盖增强技术研究的深入与对应信道建模的完善, RT方法的信道模型必将推动太赫兹通信技术的进一步发展,助力6G美好愿景的实现。