室內(nèi)場景中140 GHz無線信道測量與傳播特性研究*

宋國超，周偉，徐曉燕，李明豫，江甲沫

（中國信息通信研究院移動(dòng)通信創(chuàng)新中心，北京 100083）

0 引言

預(yù)計(jì)未來6G 需要支持幾十Tbps 的通信速率與毫米級的感知精度，以滿足數(shù)字孿生、多維感知、全息通信、泛在互聯(lián)等應(yīng)用需求[1-2]，實(shí)現(xiàn)將物理世界復(fù)刻為數(shù)字世界，從人連、物連過渡到萬物智聯(lián)的美好愿景。太赫茲頻段擁有豐富的頻譜資源，具有超高速大帶寬的傳輸能力和高精度的感知能力，可以有效緩解當(dāng)前無線系統(tǒng)頻譜稀缺的問題[3-4]。因此，太赫茲通信技術(shù)被認(rèn)為是極具潛力的6G 潛在關(guān)鍵技術(shù)方向之一。然而，面向6G 的太赫茲通信技術(shù)處于起步階段，基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵空口技術(shù)及核心器件有待突破。作為無線關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)，對太赫茲信道傳播特性的研究更是迫在眉睫[5-6]。

最近幾年，國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了大量的太赫茲信道研究工作[7-8]。然而，這些研究工作要么聚焦于較高頻率的太赫茲頻段（如300 GHz）[9-13]，要么測量場景較為單一，缺少例如數(shù)據(jù)中心的室內(nèi)典型場景[14-18]。值得指出的是，由于較高頻率的太赫茲器件不太成熟，6G可能會優(yōu)先發(fā)展低頻率的太赫茲頻段，例如140 GHz。因此，亟需針對太赫茲典型應(yīng)用場景，更加全面地分析對比低頻率太赫茲的信道傳播特性。

本文開展了140 GHz 室內(nèi)典型應(yīng)用場景的信道測量與傳播特性研究。具體地，首先基于VNA（Vector Network Analyzer，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）和擴(kuò)頻模塊搭建了頻域信道測量平臺。然后，基于信道測量平臺，完成了數(shù)據(jù)中心、辦公室、走廊等典型應(yīng)用場景的信道測量，測量點(diǎn)位共有53 個(gè)。最后，分析并對比了幾個(gè)場景中太赫茲的信道傳播特性，包括路徑損耗、陰影衰落、時(shí)延與角度擴(kuò)展等。

1 信道測量平臺搭建與測量場景設(shè)置

本節(jié)主要介紹測量平臺搭建與測量場景設(shè)置。其中，1.1 節(jié)描述太赫茲信道測量平臺的實(shí)現(xiàn)方法，并介紹信道測量平臺的擺放方式；1.2 節(jié)介紹數(shù)據(jù)中心、辦公室、走廊等三個(gè)室內(nèi)測量場景的設(shè)置，包括點(diǎn)位的選取、平臺參數(shù)的配置等。

1.1 基于VNA的頻域信道測量平臺搭建

本文搭建了基于VNA 的頻域太赫茲信道測量平臺。該平臺主要由VNA 和擴(kuò)頻模塊構(gòu)成，其原理框圖如圖1（a）所示。該平臺利用VNA 獲取收發(fā)端之間的CTF（Channel Transfer Function，信道傳輸函數(shù)），并使用擴(kuò)頻模塊將VNA 的測量頻率擴(kuò)展至太赫茲頻段。

圖1 信道測量平臺

為了克服太赫茲信道的高路徑損耗，擴(kuò)頻模塊的收發(fā)端均采用了具有高方向性的高增益喇叭天線。由于喇叭天線的波束方向是定向的，每次只能捕捉到波束指向的多徑信號。為了實(shí)現(xiàn)不同方向上多徑信號采集，將擴(kuò)頻模塊的發(fā)送機(jī)和接收機(jī)分別放在兩個(gè)轉(zhuǎn)臺上，通過改變轉(zhuǎn)臺的俯仰角，來測量收發(fā)天線在不同角度上的CTF，從而獲取得到不同方向的MPC（Multi-path Components，多徑分量）。為了方便改變發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的位置，將信道測量設(shè)備安裝在小推車上，如圖1（b）所示。VNA、用于系統(tǒng)控制的電腦、以及發(fā)射機(jī)安裝在一個(gè)小推車上，而接收機(jī)模塊安裝在另一個(gè)小推車上。為了模擬不同高度的接收機(jī)的使用情況，接收端分別使用了高度為1.4 m和1.8 m 的兩個(gè)小推車。

1.2 信道測量場景與參數(shù)設(shè)置

本文研究了三個(gè)室內(nèi)典型應(yīng)用場景中的太赫茲信道傳播特性，三個(gè)場景為數(shù)據(jù)中心、辦公室、走廊，下面依次介紹每個(gè)場景的測量設(shè)置及點(diǎn)位選取。

（1）測量場景設(shè)置

①數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心的部署環(huán)境如圖2 所示，房間內(nèi)擺放了多個(gè)機(jī)柜式的機(jī)架，相鄰機(jī)架之間的距離為0.8～1.5 m，每個(gè)機(jī)架上安裝了若干個(gè)服務(wù)器。此外，數(shù)據(jù)中心中有兩個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的柱子，柱子之間的距離為8 m。為了模擬真實(shí)的數(shù)據(jù)中心的通信場景，分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)信道測量設(shè)置，具體如下：

圖2 數(shù)據(jù)中心測試環(huán)境和點(diǎn)位設(shè)置

測量設(shè)置1：圖1（a）展示了測量設(shè)置1 中發(fā)送端和接收端的點(diǎn)位設(shè)置。該測量設(shè)置主要研究接入點(diǎn)與調(diào)試人員之間的通信場景。在該場景中，調(diào)試人員手持或者背著一個(gè)接收設(shè)備（接收端）來對服務(wù)器設(shè)備進(jìn)行安裝或者調(diào)試，接收端與接入點(diǎn)（發(fā)送端）之間通過太赫茲鏈路實(shí)現(xiàn)通信。發(fā)送端布置在走廊中間，高度約為2 m，位置是固定不變的。接收端部署在機(jī)架之間的過道里，高度為1.6 m，部署的點(diǎn)位如圖1（a）所示，標(biāo)記為Rx1-18。

測量設(shè)置2：圖1（b）展示了測量設(shè)置2 的發(fā)送端和接收端的點(diǎn)位設(shè)置。該設(shè)置主要用于模擬接入點(diǎn)與機(jī)架之間以及機(jī)架與機(jī)架之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。在該場景中，發(fā)送端高度為2 m，一共有2 個(gè)點(diǎn)位，被標(biāo)記為Tx1和Tx2。接收端高度也為2 m，一共有8 個(gè)點(diǎn)位，被標(biāo)記為Rx19-26。在以上兩個(gè)測量設(shè)置中，實(shí)心圖形的表示視距傳輸，空心表示非視距傳輸。

②走廊

走廊的測量環(huán)境和點(diǎn)位布置如圖3 所示。該場景為一典型的室內(nèi)走廊場景，包含橫豎兩條走廊，長度為28 m，寬度為14 m。發(fā)射機(jī)布置在西南拐角處，接收機(jī)在橫豎兩條走廊上均勻分布，收發(fā)機(jī)之間距離為3～21 m。

圖3 走廊測試環(huán)境和點(diǎn)位設(shè)置

③辦公室

辦公室的測量環(huán)境和點(diǎn)位布置如圖4 所示。該場景為一典型的辦公室，長約55 m，寬約7 m。在辦公室中布置有若干工位，每兩列工位之間的距離約1 m。在所有工位的南側(cè)，有一寬約1 m 的走廊。發(fā)射機(jī)放置在東南角落，高度約3 m，接收機(jī)布置在走廊和工位間隔中，高度為1.6 m，與發(fā)射端之間的距離為3～18 m。

圖4 辦公室測試環(huán)境和點(diǎn)位設(shè)置

（2）測量參數(shù)設(shè)置

三個(gè)場景的測量參數(shù)設(shè)置如表1 所示。具體地，測量頻段范圍為130 GHz 至140 GHz，覆蓋了10 GHz 帶寬，對應(yīng)多徑分量傳播距離的分辨率為3 cm。根據(jù)測量需求，平臺頻域掃描間隔設(shè)置為5 MHz 或2.5 MHz，對應(yīng)的掃描點(diǎn)數(shù)為2 001 與4 001，可測量的最大時(shí)延為200 ns 與400 ns，最大路徑長度為60 m 與120 m。

表1 不同場景信道測量參數(shù)設(shè)置

2 信道測量數(shù)據(jù)處理

本節(jié)介紹信道數(shù)據(jù)處理方法，包括多徑提取和多徑分簇。本文基于一種改進(jìn)的SAGE（Space-Alternating Generalized Expectation Maximization，空間交替廣義期望最大化）算法[19]實(shí)現(xiàn)多精度的多徑參數(shù)提取，并利用DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）算法[20]進(jìn)行多徑分簇。

2.1 多徑參數(shù)提取

多徑參數(shù)提取的第一步是設(shè)備校準(zhǔn)，目的是移除測量平臺中線纜、放大器等硬件對CTF 的影響。具體地，在信道測量之前，將擴(kuò)頻模塊的收發(fā)端通過波導(dǎo)的方式進(jìn)行直連，得到收發(fā)端的校準(zhǔn)參數(shù)，表示為Hc。當(dāng)收發(fā)端在某個(gè)固定位置于掃描角度時(shí)，將包含硬件影響的CTF 標(biāo)記為H，通過除以Hc，得到校準(zhǔn)后的信道響應(yīng)為H/Hc。

在完成信道校準(zhǔn)之后，通過不同掃描角度的CTF 計(jì)算多徑參數(shù)。接下來介紹太赫茲信道參數(shù)模型建立及參數(shù)提取方法。當(dāng)接收端轉(zhuǎn)到第nr個(gè)角度時(shí)，太赫茲信道可以表示為：

其中，αl、τl、Ωr,l分別表示是第l條多徑信號的路徑增益、到達(dá)時(shí)間以及到達(dá)角度，φl,nr表示由天線、反射、散射等因素可能引起的第l條多徑信號的相位變化，fk為載波頻率，L為多徑的總數(shù)目，Wnr[k]表示加性高斯白噪聲，Cr,nr(?) 為接收端天線的輻射模式。Ωr,l定義為：

其中φr,l、θr,l分別為第l條多徑信號到達(dá)接收端天線的俯仰角和水平角。

通過組合接收端所有掃描角度的CTF，可以得到收發(fā)天線之間信道H的簡化形式：

其中，H表示CTF 矩陣，Θl=[τl,Ωr,l,αl,Φl] 包含第l條多徑信號的所有參數(shù)，表示第l條多徑信號。本文利用一種改進(jìn)的SAGE 算法[7]實(shí)現(xiàn)多精度的多徑參數(shù)提取，包括每條路徑的到達(dá)時(shí)延、到達(dá)水平角、到達(dá)俯仰角及信號能量等參數(shù)。

2.2 多徑分簇

對于一個(gè)實(shí)際的信道環(huán)境，由于無線設(shè)備周圍環(huán)境的散射，將會出現(xiàn)一些參數(shù)相似的多徑成分，從而形成多徑簇。

為了研究太赫茲信道多徑分簇特征，本文使用DBSCAN[20]算法來對多徑分量進(jìn)行分簇。為了提升分簇性能，本文使用如下公式計(jì)算多徑分量之間的距離：

其中，ξ表示時(shí)延的權(quán)重因子，在本文設(shè)置為3。

3 測試結(jié)果分析

本節(jié)分析信道測量結(jié)果，包括大尺度衰落、小尺度衰落、分簇結(jié)果等傳播特性。參考3GPP 信道標(biāo)準(zhǔn)TR 38.901 中規(guī)定的信道特性擬合表[21]，對傳播特性的隨機(jī)分布進(jìn)行了擬合與分析。

3.1 路徑損耗和陰影衰落

本文使用CI（Close-In）和FI（Float Interception）模型建模室內(nèi)場景中的路徑損耗。CI 模型中的路徑損耗PLCI可以表示為：

其中，n表示路徑損耗指數(shù)，d表示發(fā)送端與接收端之間的歐氏距離。d0為CI 模型的參考距離，在本文中設(shè)置為1 m。假設(shè)無線信號的頻率以GHz 為單位表示為f，則空間自由損耗模型可表示為。是一個(gè)均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為σCI的高斯隨機(jī)變量，反應(yīng)了陰影衰落的大小。

不同于CI 模型，F(xiàn)I 模型沒有考慮參考距離，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中α表示截距，β為路徑損耗的斜率，為FI 模型的陰影衰落，其服從均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為σFI的高斯分布。

各個(gè)場景的路徑損耗如表2 所示。從表中可以得出如下幾個(gè)結(jié)論：首先，最佳方向路徑損耗指數(shù)nbest大于全向路徑損耗指數(shù)nomni，這是合理的，因?yàn)樽罴逊较蚵窂綋p耗僅僅考慮了信道中的部分多徑分量的能量，而全向路徑傳輸損耗考慮了信道中所有多徑分量的能量，因此nbest大于nomni；此外，對比不同的場景可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心中的路徑損耗指數(shù)最小，走廊次之，辦公室中的路徑損耗指數(shù)最大，這是由于數(shù)據(jù)中心中具有豐富的金屬反射體，例如服務(wù)器機(jī)架，導(dǎo)致最小的路徑損耗，相反，辦公室環(huán)境較為空曠，且物體多為玻璃、混凝土等材質(zhì)，反射和散射損耗較大，多徑分量能量較弱。

表2 信道測量結(jié)果

此外，對于陰影衰落而言，有以下幾點(diǎn)觀察：首先，最佳方向路徑損耗的陰影衰落值μSF,best通常大于全向路徑損耗的陰影衰落值σSF,best。這是因?yàn)樽罴逊较蚵窂綋p耗受到天線失準(zhǔn)損耗的影響，而全向路徑損耗則完全消除了天線效應(yīng)。其次，走廊場景的陰影衰落較小，而辦公室場景的陰影衰落普遍較大。

3.2 多徑傳播特性

K因子：本文中，K因子的定義為信號能量最強(qiáng)的簇與其他所有簇的能量之比。本文采用對數(shù)正態(tài)分布來擬合實(shí)際測量的K因子，正態(tài)分布的參數(shù)如表2 所示。從表中可以看出。辦公室場景的K因子最大，其次是走廊場景，這表明這兩個(gè)場景中的視距傳輸徑占主導(dǎo)地位。相對地，數(shù)據(jù)中心場景中的K因子則較小，這是由于數(shù)據(jù)中心場景中的金屬機(jī)架以產(chǎn)生了較強(qiáng)的反射和散射徑，導(dǎo)致信道中的多徑效應(yīng)明顯，K因子較弱。

角度與時(shí)延擴(kuò)展：本文采用對數(shù)正態(tài)分布來擬合實(shí)際測量的角度與時(shí)延擴(kuò)展，正態(tài)分布的參數(shù)如表2 所示。從表中的結(jié)果可以看出，在所有場景中，均觀察到了很小的時(shí)延擴(kuò)展值，均小于10 ns。此外，時(shí)延擴(kuò)展最小的是數(shù)據(jù)中心的第二個(gè)測試設(shè)置，最小的是辦公室。相比時(shí)延擴(kuò)展，角度擴(kuò)展對場景的依賴性更加明顯。特別地，在數(shù)據(jù)中心場景中觀察到較大的角度擴(kuò)展，這是由于該場景中來自金屬機(jī)架的豐富的多徑分量造成的。相反，在辦公室場景中的水平到達(dá)角度擴(kuò)展較小，這是由于該場景的多徑效應(yīng)較弱。

3.3 分簇結(jié)果

分簇的結(jié)果如表2 所示。就各個(gè)場景中簇的數(shù)量而言，從數(shù)據(jù)中心場景中明顯觀察到非常多的簇，這和之前在K因子、時(shí)延與角度擴(kuò)展中的討論一致，是因?yàn)樵搱鼍爸械慕饘贆C(jī)架作為有效散射體，提供了非常多能量很強(qiáng)的多徑分量，因此更多的簇被觀察到。而對于其他場景，簇的數(shù)量平均在2～3 個(gè)，這顯現(xiàn)出太赫茲頻段的稀疏性。此外，可以觀察到簇內(nèi)的時(shí)延和角度擴(kuò)展都很小，相比3GPP TR 38.901 中聲明的簇內(nèi)角度擴(kuò)展，在太赫茲頻段觀察到的簇在時(shí)間和空間上的色散都明顯更弱。

4 結(jié)束語

本文開展了140 GHz 室內(nèi)場景中信道測量與傳播特性研究。首先基于VNA 和擴(kuò)頻模塊搭建了頻域信道測量平臺。然后，基于信道測量平臺，在數(shù)據(jù)中心、辦公室、走廊等場景中進(jìn)行了大量的信道數(shù)據(jù)采集。最后，分析對比了幾個(gè)場景中太赫茲的信道傳播特性，包括路徑損耗、陰影衰落、時(shí)延與角度擴(kuò)展等。這些信道測量結(jié)果能為6G 太赫茲技術(shù)方案設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)奠定一定的基礎(chǔ)。