太赫兹频段室内场景空-时域信道特性测量与建模研究

丁子航,唐 盼,张建华,常钊玮,田 磊

(1.北京邮电大学 信息与通信工程学院,北京 100876;2.北京邮电大学 电子工程学院,北京 100876)

0 引言

在过去的几十年里,无线数据流量呈指数级增加。为满足日益增长的数据需求,未来的无线通信系统需要革命性地提升数据传输速度,现有提出的解决方案之一是使用更高的频段。2023年6月22日,在瑞士日内瓦举行的国际电信联盟无线电通信部门5D工作组第44次会议通过了IMT-2030(6G)的建议书草案[1],建议书中提到IMT-2030不仅需要使用低频段、中频段(厘米波)和毫米波频段,还需要使用太赫兹频段。太赫兹频段拥有数十千兆至数百千兆赫兹的连续频谱资源[2],理论上可解决频谱稀缺和容量限制问题。同时,太赫兹波束宽度窄,能以较强的定向能力保证传输信息的安全[3]。因此,太赫兹通信技术被认为是6G的关键候选技术之一[4]。

无线信道是信号从发射机传输到接收机的介质,信道特性决定了无线通信系统的最终性能极限[5]。虽然太赫兹频段为未来高速无线通信的实现提供了可能,但该频段超高的频率和极高的方向性都使得太赫兹信号更容易被传播路径上的障碍物阻挡,有较高的传播损耗[6],未来更可能被广泛应用于办公室等室内短距离通信场景。为了推动太赫兹通信技术在室内场景的应用,有必要研究太赫兹频段室内场景的无线信道特性。

目前,国内外各高校、公司和科研单位已经开展了一系列有关太赫兹室内信道的相关研究[7-17],如Chen等人[7]基于矢量网络分析仪在办公室场景对140 GHz的宽带信道进行测量,对路径损耗、时延扩展、角度扩展以及信道参数之间的相关性进行分析。Abbasi等人[10]基于矢量网络分析仪在办公室场景对140～220 GHz太赫兹频段进行测量,对路径损耗进行分析。Pometcu等人[11]使用矢量网络分析仪在室内实验室、会议室和办公室场景下对126～156 GHz太赫兹频段进行信道测量,对路径损耗、时延扩展进行分析。Tang等人[17]基于宽带信道测量系统在室内短距离场景对220～330 GHz太赫兹频段进行信道测量,对路径损耗进行分析。可以发现,现有关于太赫兹室内信道研究的文献只关注典型室内场景在100～300 GHz某些典型频率处的衰落特性。因此,需要在太赫兹频段进行更广泛频率的信道测量,针对室内场景中尚未研究的频率进行信道测量与特性分析,以全面了解太赫兹信道的衰落特性。

基于上述研究现状,为了研究太赫兹频段室内场景空-时域的信道特性,首先通过太赫兹频段宽带信道测量平台在办公室场景中进行100 GHz频段的信道测量及数据预处理。然后基于实测数据,分析得出视距(Line of Sight, LoS)和非视距(Non Line of Sight, NLoS)室内场景下太赫兹无线信道时延扩展和角度扩展参数,并将两种参数值与3GPP标准进行对比分析。最后通过建立对数距离依赖模型,分析测量距离与两种参数的关系。

1 太赫兹频段室内场景信道测量

1.1 测量平台与参数配置

信道测量及其统计分析是一种基于实验研究电磁学传播和无线电信道特性的技术。本次使用的测量平台基于时域扩频滑动相关原理[18],能够使用低峰均比的信号作为输入信号,有效支持宽带信道测量,从而获得多径信号。图1展示了太赫兹频段信道测量平台的总体架构。

图1 太赫兹频段信道测量平台总体架构Fig.1 General architecture diagram of channel measurement platform in terahertz bands

在发射端(TX)使用矢量信号发生器生成一个伪随机噪声(Pseudo Noise,PN)序列信号作为中频探测信号,将其与倍频后的本振信号通过混频器进行上变频,将中频探测信号调制为太赫兹信号。在接收端(RX)使用相同的本振信号经过倍频后与接收信号通过混频器进行下变频,通过频谱分析仪实时采集时域 I/Q两路数据,将采集到的数据用于后续处理分析。具体的参数配置如表1所示。

表1 信道测量配置参数Tab.1 Channel measurement configuration parameters

1.2 测量场景与规划

太赫兹频段室内信道测量的场景选取某典型办公室场景,办公室的空间三维尺寸为17.51 m(长)×6.78 m(宽)×3.2 m(高),测量实景如图2所示。

图2 太赫兹频段办公室场景信道测量Fig.2 Measurement diagram of office scenario in terahertz bands

在测量过程中,分别测量LoS和NLoS场景,布点如图3所示,其中红色五角星为发射端,绿色圆形为接收端。在LoS场景中,发射端天线对准接收端,接收端天线垂直对准角度选取-15°、0°和 +15°,在每个垂直角度以步长20°水平采集360°,即在每个测量点共采集54组数据。在NLoS场景中,发射端天线垂直角度为0°,水平角度为135°,接收端天线垂直对准角度选取-15°、0°和+15°,在每个垂直角度以步长20°水平采集360°,即在每个测量点共采集54组数据。

(a) LoS场景

(b) NLoS场景

2 太赫兹频段空-时域信道特性分析方法

当信号在传播中遇到障碍物或介质时,会导致信号以多种不同的方式传播,如反射、散射、绕射和透射,由于不同路径的传播距离不同,会引起不同的信道衰减,称为信道的多径效应[19]。多径效应直接影响信号的幅度、相位和时延,从而在空-时域上形成了复杂的信道特性。下面对均方根时延扩展和水平到达角的均方根角度扩展进行分析,研究太赫兹频段室内办公室场景的空-时域信道特性。

2.1 全向功率时延谱与全向功率角度谱的合成

为了便于分析整个空间的信道特性,需要将各位置处所有测量的水平角、垂直角综合考虑,合成各位置处的全向功率时延谱与全向功率角度谱进行后续分析。

在每个测量点,选取不同角度相同时延对应的功率最大值,将此功率作为此时延的谱功率值,再将各个时延合成为一个新的功率时延谱Pfull进行分析。具体计算如下式：

Pfull(τ;d)=

(1)

同理,在每个位置处,将相同水平角不同垂直角的功率时延谱合成为一个水平角度的全向功率时延谱DPASfull,计算如下：

将此全向功率时延谱的功率峰值相加,作为此水平角度的谱功率值,再将各个水平角度合成为一个水平到达角度(Angle-of-Arrival,AoA)的功率角度谱PAS进行分析,计算如下：

(3)

为有效滤除功率时延谱的噪声,需计算噪底功率作为噪声信号电平,噪声信号电平加一个保护阈值,将低于功率阈值线的部分作为噪声去除后,再进行后续的参数计算。同理,也需要为功率角度谱加一个保护阈值进行噪声去除。

2.2 均方根时延扩展

时延参数可以描述多径信号分量能量在时延域的离散程度。通常使用功率时延谱来描述信道时延色散特性,因为不同的多径信号分量到达接收端的时间不同,导致多径信号分量之间存在着相对时延,所以主径信号与多径信号的功率在时延域上表现出不同的峰值。在现有多径信道建模的研究中,均方根(Root Mean Square,RMS)时延扩展是无线信道建模研究中最常用的参数之一。

均方根时延扩展τRMS可由式(4)计算,是功率时延谱二阶矩的平方根。

(4)

式中：L为有效多径数,τl为第n条多径的时延,P(τl)为时延为τl时的功率,τmean为平均附加时延。

(5)

研究时延特征参数的统计分布模型,对于了解信道的传播特性非常有帮助。3GPP TR 38.901模型采用基于随机的统计模型方法进行建模,常用的Log-Normal统计分布模型可以比较贴切地描述实测时延参数的分布,可以将该模型的概率密度函数(Probability Density Function, PDF)表示为：

(6)

式中：μ和σ分别代表对数均值和对数标准差。

2.3 均方根角度扩展

角度统计参数可以描述多径信号分量能量在角度域的离散程度。与均方根时延扩展的定义类似,均方根角度扩展可以看作是功率角度谱二阶中心矩的平方根,计算如下：

(7)

式中：k表示第k条从发射端到接收端的多径信号,exp(jφ)表示角度值对应的e指数相位,角度功率谱的加权平均值μφ可以通过式(8)计算。

(8)

由于喇叭天线的波束宽度有限,所以上述计算获得的结果将是信道实际角度扩展的理论最大值。

3 太赫兹频段空-时域信道特性分析结果

3.1 全向功率时延谱与全向功率角度谱

通过上节的数据处理方法,可以获得各位置处特定水平角、垂直角的功率时延谱和功率角度谱,以及合成后的全向功率时延谱和全向功率角度谱。以NLoS办公室场景第七测量点位、测量距离为 13.95 m处的测量结果为例,进行太赫兹频段室内办公室场景多径信道中功率和时延与角度的关系分析,此位置处合成后的全向功率时延谱和全向功率角度谱如图4和图5所示。

图4 NLoS办公室场景第七测量点位的功率时延谱Fig.4 Power delay spectrum at measurement position 7 in the NLoS office scenario

图5 NLoS办公室场景第七测量点位的功率角度谱Fig.5 Power angle spectrum at measurement position 7 in the NLoS office scenario

从图4中可以清楚地观察到NLoS多径,在时延为28 ns附近的接收功率强度明显大于其他时延处的接收功率,最小差值约21 dB。这是由于喇叭天线所造成的空间滤波效应减少了非反射主径方向的信号分量,所以太赫兹频段NLoS办公室场景中接收端接收到的NLoS主径信号明显。

从图5中可以观察到接收的NLoS多径在各方向都有分布,但方向性明显。其中,在340°附近的接收功率强度明显大于其他方向,最小差值约 12 dB。也是由于喇叭天线的空间滤波效应,使得太赫兹频段NLoS办公室场景中接收端接收到的NLoS信号有较强的方向性。

3.2 均方根时延扩展

图6(a)显示了办公室场景中所测得的均方根时延扩展值的累积概率密度函数及其对应的对数正态拟合结果。按照3GPP的常见数据处理方式,将均方根时延扩展值以对数作为横坐标单位,再将测量结果进行对数正态分布拟合,拟合得到的均值μ和标准差σ参数如表2所示。可以看出,NLoS办公室场景中的时延扩展值大于LoS办公室场景中的时延扩展值,分析其原因是在太赫兹频段LoS办公室场景中以直射径传播为主,主径信号功率较大,能量集中;NLoS场景中以反射径传播为主,能量分布较为离散,且传播路径长、传播路径差异大,导致时延差异大,因此功率时延谱的二阶中心矩会增加。

表2 办公室场景下时延域统计特征参数

(a) 均方根时延扩展值累积概率函数及拟合结果

(b) 均方根时延扩展值与收发端距离的关系及拟合结果

将3GPP TR 38.901标准中室内办公室场景的时延扩展统计特性参数与此次实测进行对比,可以发现本次测量结果比3GPP标准中对应室内办公室场景的时延扩展值约小12 ns。分析原因是由于3GPP标准主要用来表征100 GHz以下频段的信道特性,太赫兹信号波长短、多径少,导致时延扩展值更小。本次测量场景尺寸(17.51 m×6.78 m×3.20 m)比3GPP标准场景尺寸(120 m×50 m×3 m)小,使得接收到的多径传播路径短、时延差异小。

将两场景中各位置处的均方根时延扩展值取平均,可以得到办公室场景中太赫兹频段的均方根时延扩展值与收发端距离的关系。从图6(b)可以看出,在LoS场景中均方根时延扩展值随距离的增加有上升趋势;在NLoS场景中,均方根时延扩展值随距离的增加有下降趋势。分析其原因是在LoS场景中随着距离的增加,接收的信号传播路径差异变大,使得时延差异较大;在NLoS场景中随着距离的增加,测量点位更接近墙角,由于墙面反射的信号更多,使得接收的信号更集中,与实际情况吻合。将此关系建模为时延扩展是距离的对数关系：

y=a×lg(x)+b,

(9)

式中：a为距离依赖因子,b为截距。对两场景中的测量结果进行拟合,得到的距离a和截距b参数如表3所示。

表3 时延扩展对数距离模型参数(置信水平为95%)Tab.3 Parameters of the delay extension log-distance model (with 95% confidence level)

由表3可以看出,在LoS场景中,距离依赖因子的拟合结果为0.49、置信水平为95%时,置信区间的上下限值均为正值,可以认为均方根时延扩展值与距离正相关;在NLoS场景中,距离依赖因子拟合为-0.06,但在置信水平为95%时,置信区间的上限值为正值,所以随着测量样本数的增加,均方根时延扩展值可能与距离正相关。

3.3 均方根水平到达角角度扩展

图7(a)展示了办公室场景中所测得的角度扩展值的累积概率密度函数及其对应的对数正态拟合结果。此角度扩展为合成后的均方根水平到达角的角度扩展。与时延扩展值的数据处理方法类似,拟合得到的均值μ和标准差σ参数如表4所示。

表4 办公室场景下角度域统计特征参数Tab.4 Statistical characteristic parameters of office scenario in angle domain

(a) 均方根角度扩展值累积概率函数及拟合结果

(b) 均方根角度扩展值与收发端距离关系及拟合结果

从表4可以看出,NLoS办公室场景中的角度扩展值大于LoS办公室场景中的角度扩展值,分析其原因是强视距信号分量功率占比较大,使得LoS办公室场景中的角度扩展值降低;NLoS办公室场景中有更多反射的多径信号,使得接收的多径角度分布更离散。

将3GPP TR 38.901标准中室内办公室场景的角度扩展统计特性参数与此次实测进行对比,可以发现本次测量结果比3GPP标准中对应室内办公室场景的角度扩展值小。分析原因是太赫兹信号与毫米波相比,多径信号分量更少,导致入射角度分布更集中,从而角度扩展值更小。

将每个位置的角度扩展值取平均,可得办公室场景的角度扩展值与收发端距离的关系。由图7(b)可以看出在NLoS场景中,角度扩展值随距离地增加有上升趋势,但在LoS场景中无明显对数相关性。分析原因是在NLoS场景中,随着距离的增加,多径信号传播路径差异更明显,使得接收的信号更离散;在LoS场景中,主径信号功率占比较大,且喇叭天线有空间滤波效应,使得本次实测接收波束内的多径在空间域的分布情况基本与距离无关,而与环境的复杂度有关。将NLoS场景中的角度扩展值也建模为距离的对数关系,结果如表5所示,可以看出,在NLoS场景中,距离依赖因子拟合为0.29,但在置信水平为95%时,置信区间的下限值为负值,所以需要更多场景的测量来验证其相关性。

表5 角度扩展对数距离模型参数(置信水平为95%)

4 结束语

本文基于室内办公室场景100 GHz频段的实测数据,进行空-时域信道特性分析与建模研究。分析结果表明,在室内办公室场景的太赫兹信道中,有明显的多径分量,且在NLoS场景中的多径时域色散更明显。此外,由于3GPP标准主要用来表征 100 GHz以下频段的信道特性,且本次测量场景尺寸较小,使得时延扩展参数、角度扩展参数的统计结果均比3GPP标准值低。其中,均方根时延扩展值的测量结果比3GPP标准值约小12 ns。通过探讨两种扩展值与测量距离的关系,发现在LoS场景中,均方根时延扩展值随距离的增加有上升趋势,均方根角度扩展值与距离无明显相关性;在NLoS场景中,均方根时延扩展随距离的增加有下降趋势,均方根角度扩展随距离的增加有上升趋势。将上述关系建模为距离对数模型,发现在置信水平为95%时,LoS场景中的均方根时延扩展值与距离正相关,而其他参数与距离的相关关系还需要更多测量来进一步确定。总之,研究结果可以为未来太赫兹频段室内通信及其系统优化研究提供一定帮助,同时也有望对信道模型的标准化做出一定贡献。