室內(nèi)單載波太赫茲無(wú)線信號(hào)傳播及覆蓋性能分析

彭木根，楊闖，周天航

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，日益增長(zhǎng)的無(wú)線終端容量需求與有限頻譜資源之間的矛盾愈發(fā)嚴(yán)重，業(yè)內(nèi)掀起了新頻譜通信的研究熱潮。太赫茲（0.1～10 THz）以頻譜資源豐富、大帶寬特性，成為6G的候選頻譜之一[1]。為促進(jìn)太赫茲通信的發(fā)展，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC,Federal Communication Commission）于2019 年開(kāi)放了95 GHz～3 THz 頻段用于實(shí)驗(yàn)研究。同年，世界無(wú)線電通信大會(huì)（WRC,World Radio Communication Conferences）在275～450 GHz 頻段內(nèi)批準(zhǔn)了137 GHz 的帶寬資源用于陸地移動(dòng)通信和固定業(yè)務(wù)應(yīng)用[2]。在需求牽引與政策支持下，太赫茲通信成為近年的研究熱點(diǎn)。

相比傳統(tǒng)6 GHz 以下的無(wú)線通信信號(hào)，太赫茲無(wú)線信號(hào)遇到建筑障礙物、降雨等會(huì)產(chǎn)生極高的傳播損耗，這使太赫茲無(wú)線通信更傾向應(yīng)用于室內(nèi)場(chǎng)景。據(jù)預(yù)測(cè)，6G 時(shí)代80%～96%的無(wú)線通信將發(fā)生在室內(nèi)[3]，因此室內(nèi)太赫茲無(wú)線信號(hào)傳播特性成為太赫茲無(wú)線通信的研究重點(diǎn)[4]。

無(wú)線信號(hào)傳播研究主要關(guān)注信道衰落特征和信號(hào)的覆蓋性能[5]。相較于多載波，單載波傳輸具有穩(wěn)定性高、功率需求低等特點(diǎn)，更適合信道特性尚不成熟的太赫茲頻段。目前，單載波通信已用于IEEE 802.15.3d[6]。

為探究室內(nèi)單載波無(wú)線信號(hào)時(shí)空傳播特性，文獻(xiàn)[7]使用基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻率擴(kuò)展器的頻域信道測(cè)量系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)不同距離進(jìn)行太赫茲視距（LoS,line of sight）信號(hào)測(cè)量，頻率覆蓋140～220 GHz，結(jié)果表明視距信號(hào)傳播損耗與對(duì)數(shù)路徑損耗模型相吻合。然而，僅依靠LoS 信號(hào)測(cè)量無(wú)法全面表征太赫茲傳播特性。因此，文獻(xiàn)[8]圍繞視距和非視距（NLoS,non line of sight），基于130～143 GHz 寬帶測(cè)量平臺(tái)產(chǎn)生連續(xù)掃頻的單載波信號(hào)，對(duì)會(huì)議室場(chǎng)景進(jìn)行信道測(cè)量，并利用射線追蹤對(duì)測(cè)量多徑結(jié)果進(jìn)行分簇，分析了均方根時(shí)延擴(kuò)展、角度時(shí)延擴(kuò)展等信道特性，結(jié)果表明多徑反射為室內(nèi)太赫茲信號(hào)傳播提供不可忽略的增益。文獻(xiàn)[9]通過(guò)單載波偽隨機(jī)序列對(duì)310 GHz 大尺度和小尺度衰落特性進(jìn)行了聯(lián)合研究，發(fā)現(xiàn)萊斯K 因子和均方根時(shí)延擴(kuò)展強(qiáng)相關(guān)，但其研究沒(méi)有考慮電磁極化問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]針對(duì)不同極化方式下的太赫茲傳播特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)垂直極化波路徑損耗小于水平極化。

基于傳播特性研究，需要闡明太赫茲通信的覆蓋性能。文獻(xiàn)[11]通過(guò)射線追蹤研究了太赫茲室內(nèi)傳播和覆蓋性能，但局限于單頻點(diǎn)。文獻(xiàn)[12]研究了1～2 THz 的覆蓋性能，探索了視距阻塞、定向天線、分子吸收約束，以及不同距離、緯度、節(jié)點(diǎn)密度等因素的影響，由于未考慮環(huán)境電磁特性與多徑信道時(shí)頻相關(guān)性，不適用于室內(nèi)場(chǎng)景。文獻(xiàn)[13]研究了室內(nèi)場(chǎng)景太赫茲覆蓋性能，分析了室內(nèi)移動(dòng)、墻體阻礙、太赫茲窄波束天線、用戶關(guān)聯(lián)方案等因素的影響。文獻(xiàn)[14]推導(dǎo)出聚集干涉的矩源函數(shù)和平均干涉功率的表達(dá)式，為太赫茲室內(nèi)覆蓋研究提供了理論依據(jù)。然而，上述覆蓋分析均未考慮環(huán)境中障礙物厚度影響。但障礙物厚度大于太赫茲傳播信號(hào)波長(zhǎng)數(shù)倍以上，它對(duì)覆蓋性能的影響不可忽略。此外，針對(duì)寬帶單載波，文獻(xiàn)[6]基于當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)化方案，仿真了太赫茲通信在不同信道帶寬下的覆蓋性能，并指出太赫茲賦能高速率數(shù)據(jù)通信的同時(shí)存在帶寬約束下的傳輸距離受限問(wèn)題，但上述結(jié)論還需在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)一步研究。總之，針對(duì)太赫茲無(wú)線信號(hào)對(duì)障礙物厚度敏感度高和室內(nèi)高頻單載波大帶寬信號(hào)的傳輸及覆蓋性能亟須闡明等問(wèn)題[15]，本文的創(chuàng)新與貢獻(xiàn)主要如下。

1)考慮室內(nèi)障礙物厚度因素，構(gòu)建修正的太赫茲無(wú)線信號(hào)傳播模型，搭建相應(yīng)的射線追蹤平臺(tái)，并基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量與仿真驗(yàn)證。

2)基于上述修正的太赫茲無(wú)線傳播模型，提出室內(nèi)寬帶太赫茲通信傳播及覆蓋仿真分析方法，針對(duì)寬帶單載波進(jìn)行性能仿真，闡明了太赫茲頻段室內(nèi)衰落頻率的相關(guān)性。

3)仿真驗(yàn)證了所提的修正模型及帶寬選擇方法。研究均方根時(shí)延、信道稀疏性、接收信噪比和信道容量等信號(hào)傳播特性，并對(duì)不同帶寬下的覆蓋容量性能進(jìn)行了研究，給出了不同帶寬下的覆蓋率和容量性能，闡明了頻譜效率和載頻關(guān)系。

1 模型與方法

室內(nèi)障礙物反射可為太赫茲通信提供增益[8]。反射系數(shù)成為影響太赫茲無(wú)線信號(hào)室內(nèi)傳播的重要因素。為此，本文首先通過(guò)引入障礙物厚度，修正傳統(tǒng)反射系數(shù)模型；然后在修正模型基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出寬帶室內(nèi)信道傳遞函數(shù)，支撐分析太赫茲單載波室內(nèi)傳播和覆蓋性能。

1.1 室內(nèi)反射系數(shù)修正模型

不失一般性，本文僅考慮電磁波的橫電波（TE,transverse electric）部分，橫磁波（TM,transverse magnetic）部分可通過(guò)類似方式進(jìn)行擴(kuò)展。根據(jù)菲涅爾公式和介質(zhì)穿透衰減模型，考慮障礙物厚度的信號(hào)反射系數(shù)可以推導(dǎo)為

其中，q為材料厚度相關(guān)函數(shù)，為T(mén)E 波菲涅爾反射系數(shù)，解析式分別為

其中，d為障礙物厚度；λ為波長(zhǎng)；θ為入射波角度；η(f)為隨頻率變化的材料相對(duì)復(fù)介電常數(shù)，表示為

其中，η′(f)為材料相對(duì)介電常數(shù)，σ(f)為電導(dǎo)率，

0ε為真空介電常數(shù)，ω=2πf為角頻率。

1.2 室內(nèi)傳播及覆蓋建模

基于幾何光學(xué)的射線追蹤對(duì)太赫茲確定性信道模型進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，已成為研究太赫茲傳播及覆蓋性能的重點(diǎn)技術(shù)。本文將修正的反射系數(shù)導(dǎo)入射線追蹤模型，分析太赫茲室內(nèi)傳播及覆蓋特性。

此外，由于傳統(tǒng)射線追蹤只確定一個(gè)離散頻率作為信道傳輸條件，不支持大帶寬太赫茲通信。文獻(xiàn)[15]提出寬帶射線追蹤技術(shù)，將頻率范圍劃分為若干個(gè)子頻帶以保證每個(gè)窄帶信號(hào)經(jīng)歷平坦衰落。本文基于寬帶射線追蹤原理和修正反射系數(shù)構(gòu)建信道模型，第i條射線信道傳遞函數(shù)表示為

其中，Nf表示頻率采樣點(diǎn)數(shù)，E(f)表示信號(hào)強(qiáng)度，δ表示單位脈沖函數(shù)，i為正整數(shù)。

室內(nèi)多障礙下傳輸信道存在多徑，包括視距和非視距。本文假設(shè)共存在NRays條路徑，則多徑信道傳遞函數(shù)為

其中，g(f,φi,φi)表示天線增益，φi與φi分別表示第i條射線的天線方位角與仰角。對(duì)于LoS 信號(hào)，信道傳遞函數(shù)為

其中，rLoS為視距傳播距離，τLoS=rLoS/c為信號(hào)到達(dá)時(shí)間，c 為光速。

除視距和反射路徑外，還可根據(jù)基爾霍夫理論計(jì)算漫反射情況。但文獻(xiàn)[16]測(cè)量結(jié)果表明，太赫茲漫反射射線能量較低，無(wú)法被有效探測(cè)。此外，太赫茲頻段衍射效應(yīng)不明顯，計(jì)算復(fù)雜度高。因此，漫反射和太赫茲衍射在本文中忽略不計(jì)。

綜上所述，信道傳遞函數(shù)表示為

本文將基于修正的信道傳遞函數(shù)模型計(jì)算室內(nèi)接收信號(hào)信噪比（SNR,signal noise rate），進(jìn)而分析室內(nèi)太赫茲覆蓋與容量性能。覆蓋率定義為接收信噪比大于某一門(mén)限T的概率。根據(jù)香農(nóng)定理，單位區(qū)域面積內(nèi)的平均接收信號(hào)容量定義為

其中，N表示接收點(diǎn)個(gè)數(shù)，SNRk表示第k個(gè)接收點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接收信噪比，PBW(SNR >T)表示通信區(qū)域覆蓋率。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為證明修正反射系數(shù)的必要性，本文基于超外差太赫茲測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行反射系數(shù)測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。信號(hào)上變頻至99 GHz 射頻，并實(shí)測(cè)不同厚度介質(zhì)下反射系數(shù)。太赫茲反射系數(shù)建模與測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖1 所示。結(jié)果表明，實(shí)測(cè)結(jié)果與修正后理論模型趨勢(shì)一致。

圖1 太赫茲反射系數(shù)建模與測(cè)量結(jié)果對(duì)比

表1 測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)

3 仿真驗(yàn)證與分析

為分析室內(nèi)太赫茲信號(hào)傳播及覆蓋特性，本文建立2 種經(jīng)典室內(nèi)通信場(chǎng)景，并基于修正模型進(jìn)行了射線追蹤仿真分析。

3.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

基于寬帶射線追蹤和修正模型，本文首先建立三維室內(nèi)太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)，每條傳輸射線對(duì)應(yīng)一組信道狀態(tài)信息（CSI,channel state information）[17]。由于太赫茲自由空間損耗嚴(yán)重，300 GHz 頻段下米級(jí)光程差將產(chǎn)生大于40 dB 功率損耗。因此超過(guò)兩次的反射路徑忽略不計(jì)。發(fā)射端采用窄波束定向喇叭天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；為觀察網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，接收端采用全向天線。

參考文獻(xiàn)[8]，室內(nèi)太赫茲信道測(cè)量的發(fā)射功率為1 mW，本文模型RF 發(fā)射功率設(shè)置為0（1 mW）。在仿真頻段選擇方面，基于大氣衰減選擇F 頻段（90～140 GHz）與G 頻段（140～220 GHz）傳輸窗口[1]。該窗口是目前的主要測(cè)量頻段[7-8]。此外，單載波太赫茲標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議提供最高69 GHz 帶寬[6]，考慮喇叭天線波導(dǎo)掃頻限制，本文系統(tǒng)帶寬范圍取1～50 GHz。依托實(shí)際測(cè)量方案，100 GHz 天線增益為15.5 dBi，半功率波束寬度為30°[8]；200 GHz 天線增益為21 dBi，半功率波束寬度為13°[7]。系統(tǒng)覆蓋信噪比門(mén)限為-5 dB[14]。系統(tǒng)參數(shù)如表2 所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

基于系統(tǒng)參數(shù)假設(shè)，本文模擬了會(huì)議室、辦公室2 種典型室內(nèi)場(chǎng)景，具體描述如下。

1)會(huì)議室場(chǎng)景模型如圖2 所示。建模為5 m×4 m×3 m 大小的封閉室內(nèi)空間，墻體、天花板和地板厚度約為0.2 m。室內(nèi)空間放置長(zhǎng)2 m、寬1.5 m、高0.6 m的矩形會(huì)議桌，圍繞會(huì)議桌放置若干座椅。此外，會(huì)客茶幾、臨時(shí)儲(chǔ)物柜等要素被考慮在內(nèi)。上述物體將產(chǎn)生豐富的多徑反射輔助太赫茲無(wú)線覆蓋。發(fā)射端（Tx）放置在(4,1.2)坐標(biāo)處，高度為1.4 m，定向天線指向方向?yàn)閤軸負(fù)方向。為觀察室內(nèi)覆蓋情況，接收端（Rx）均勻放置在高度0.7 m 處。設(shè)置典型接收節(jié)點(diǎn)(1.5,1.2,0.7)以分析會(huì)議室場(chǎng)景多徑信道傳播特性。

圖2 會(huì)議室場(chǎng)景模型

2)辦公室場(chǎng)景模型如圖3 所示。建模為10 m×6 m×3 m 大小的封閉室內(nèi)空間，墻體、天花板和地板厚度約為0.2 m。室內(nèi)放置6 個(gè)辦公工位，包括桌椅、格擋等要素。與會(huì)議室場(chǎng)景相類似，發(fā)射端（Tx）放置在(8,2)坐標(biāo)處，高度為1.4 m，定向天線指向方向?yàn)閤軸負(fù)方向。接收端（Rx）均勻放置在高度0.7 m 處。設(shè)置典型接收節(jié)點(diǎn)(4,2,0.7)以分析辦公室場(chǎng)景多徑信道傳播特性。

圖3 辦公室場(chǎng)景模型

3.2 傳播特性分析

對(duì)于太赫茲寬帶通信系統(tǒng)，信號(hào)時(shí)空傳播特性至關(guān)重要，包括視距路徑損耗、多徑反射、均方根時(shí)延、角度擴(kuò)展等[18]。功率時(shí)延角度譜（PDAP,power delay angular profile）記錄不同到達(dá)角和時(shí)延內(nèi)接收端多徑信號(hào)的功率強(qiáng)度，包括LoS 和多徑分量。各譜線代表可分辨的真實(shí)空間傳播路徑，功率時(shí)延角度譜定義為

其中，τ為時(shí)延，θ為到達(dá)角，h(τ,θ)為信道沖擊響應(yīng)。

如圖4 所示，本文分析了F 頻段載波、10 GHz帶寬下2 種室內(nèi)場(chǎng)景主要多徑射線的功率時(shí)延角度譜。Tx 到Rx 的全部多徑軌跡在圖2 和圖3 中給出，接收功率低于自然底噪的路徑忽略不計(jì)。

圖4 室內(nèi)場(chǎng)景典型Rx 功率時(shí)延角度譜

從圖4 可以看出，太赫茲頻段路徑損耗嚴(yán)重，信道呈稀疏性。由于Rx 處于Tx 定向天線主瓣范圍內(nèi)，視距信號(hào)時(shí)延最低、接收功率增益最大，會(huì)議室和辦公室場(chǎng)景分別為-66 dBm 和-67 dBm。相比視距信號(hào)，會(huì)議室場(chǎng)景下，兩組接收功率最強(qiáng)的一次反射信號(hào)衰減不超過(guò)7 dB 和10 dB。辦公室場(chǎng)景桌椅等阻礙因素較多，平均穿透損耗大，反射路徑增益低于會(huì)議室場(chǎng)景，最強(qiáng)一次反射接收功率較視距路徑損耗超過(guò)12 dB。

不同室內(nèi)場(chǎng)景反射射線接收功率的累積密度函數(shù)（CDF,cumulative density function）如圖5 所示。會(huì)議室場(chǎng)景一次反射信號(hào)功率相比辦公室場(chǎng)景增益高10～20 dB；而兩類場(chǎng)景下二次反射信號(hào)功率基本相同。同一場(chǎng)景下，曲線趨勢(shì)一致，且隨反射次數(shù)增加，信號(hào)接收功率降低。相比一次反射，二次反射損耗超過(guò)25～50 dB。這是太赫茲信號(hào)高反射以及高自由空間傳播衰減造成的。

圖5 不同室內(nèi)場(chǎng)景反射射線接收功率的累積密度函數(shù)

由于信號(hào)相位會(huì)因光程差不同產(chǎn)生相位偏移，最終導(dǎo)致和傳統(tǒng)接收頻譜的差異化。為闡明單載波大帶寬傳播特性，圖6 展示了50 GHz 寬帶信號(hào)在兩類傳輸頻段下的接收端頻譜情況，特別地，與已有未考慮障礙物厚度的太赫茲信道模型[19]進(jìn)行反射路徑對(duì)比。

圖6 50 GHz 寬帶信號(hào)在兩類傳輸頻段下的接收端頻譜

首先，理想無(wú)厚度障礙模型由于忽略了不同厚度下，復(fù)介電常數(shù)造成的障礙物吸收損耗，反射、透射信號(hào)功率被大量保留，多徑信號(hào)功率明顯高于修正模型方案。甚至在多徑信號(hào)疊加下，出現(xiàn)部分頻點(diǎn)NLoS 信號(hào)能量超過(guò)視距信號(hào)的情況，與太赫茲信道稀疏性相矛盾。而修正后的反射模型與PDAP 譜信號(hào)功率吻合。

對(duì)于考慮障礙厚度的修正模型。首先，2 種場(chǎng)景下的視距信號(hào)頻譜衰減趨勢(shì)一致，幅度差異主要由空間傳播距離和載波頻段差異造成。此外，視距路徑在太赫茲大帶寬系統(tǒng)中存在頻率相關(guān)性。F 頻段參數(shù)下，90 GHz 頻點(diǎn)與140 GHz 頻點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度差約0.6 dB；G 頻段參數(shù)下，170 GHz 頻點(diǎn)與220 GHz頻點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度差約0.5 dB。同一帶寬下的差異性衰落將造成信號(hào)波形畸變，因此，為補(bǔ)償太赫茲衰落頻率相關(guān)性差異，需依托寬帶LoS 進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量、模型建立與信道估計(jì)。其次，NLoS 信號(hào)功率不容忽視。F 頻段參數(shù)下會(huì)議室場(chǎng)景一次和二次反射信號(hào)強(qiáng)度約為視距信號(hào)的1/2 和1/5；G 頻段由于載波頻率更高，反射造成的額外路徑損耗加劇，一次和二次反射信號(hào)強(qiáng)度為視距信號(hào)的1/3 和1/6。這說(shuō)明太赫茲反射信號(hào)具有一定的增強(qiáng)覆蓋能力，但隨載波頻段頻率增加，視距信號(hào)主導(dǎo)作用愈發(fā)顯著。此外，相比視距路徑信號(hào)，反射信號(hào)功率隨頻率變化情況不明顯，信號(hào)能量在選定帶寬范圍內(nèi)近似均勻分布。這是由于多路反射路徑產(chǎn)生多徑光程差與相位偏移，不同相位信號(hào)疊加造成的。

3.3 覆蓋性能及容量分析

除傳播特性外，覆蓋與容量是衡量通信性能的主要參數(shù)。本文首先分析典型節(jié)點(diǎn)通信性能。F 頻段2 種場(chǎng)景下典型節(jié)點(diǎn)接收信噪比、容量隨帶寬變化如圖7 所示。

圖7 接收信噪比、容量隨帶寬變化

信噪比方面，相同發(fā)射信號(hào)功率下，太赫茲大帶寬引入更多系統(tǒng)噪聲，導(dǎo)致接收信噪比隨系統(tǒng)帶寬增加逐漸下降。此外，由于環(huán)境空間狹小，會(huì)議室場(chǎng)景相較辦公室場(chǎng)景具有更低的自由空間損耗和更高的天線增益，接收信噪比高約1.7 dB。

容量方面，受益于單載波大帶寬優(yōu)勢(shì)，接收信號(hào)容量隨系統(tǒng)帶寬增加而增大。帶寬參數(shù)影響下，10 GHz 帶寬支持超過(guò)25 Gbit/s 的容量需求；環(huán)境參數(shù)影響下，因電磁特性造成的信噪比差異，40 GHz 帶寬下辦公室場(chǎng)景接收容量較會(huì)議室低約30%。本文基于上述分析發(fā)現(xiàn)，隨著系統(tǒng)帶寬增加，容量增長(zhǎng)效果受寬帶噪聲制約而降低，曲線斜率下降，逐漸趨于平緩。為進(jìn)一步釋放大帶寬優(yōu)勢(shì)，需降低接收端解調(diào)所需信噪比，說(shuō)明寬帶約束下的太赫茲通信系統(tǒng)通過(guò)犧牲通信質(zhì)量換取大帶寬傳輸速率。

本文進(jìn)一步將典型接收節(jié)點(diǎn)推廣到全局覆蓋范圍。與低頻覆蓋相比，太赫茲受高頻路徑損耗、反射損耗、電磁極化、窄波束定向天線等因素影響，覆蓋性能受到障礙物厚度、波束寬度和系統(tǒng)帶寬約束。在F 頻段喇叭天線定向覆蓋作用下，不同帶寬的接收信噪比分布如圖8 和圖9 所示。

圖8 帶寬為1 GHz 時(shí)接收信噪比分布

圖9 帶寬為50 GHz 時(shí)接收信噪比分布

帶寬為1 GHz 時(shí)，會(huì)議室、辦公室場(chǎng)景最大接收信噪比為19.8 dB 和18.2 dB；反射信號(hào)作用下，2種場(chǎng)景平均接收信噪比分別提升0.6 dB和0.3 dB。上述差異的原因在于辦公室場(chǎng)景遮擋嚴(yán)重，信號(hào)覆蓋集中在特定辦公區(qū)域。帶寬為50 GHz 時(shí)，依然保持對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋效果，但總體接收信噪比下降嚴(yán)重。會(huì)議室、辦公室場(chǎng)景相比帶寬為1 GHz 時(shí)，平均信噪比分別下降19 dB 和18.9 dB，與典型節(jié)點(diǎn)接收情況保持一致。2 種帶寬參數(shù)設(shè)置下，視距信號(hào)能量占總功率90%以上，進(jìn)一步驗(yàn)證了太赫茲信道稀疏性。

根據(jù)接收信噪比，進(jìn)一步計(jì)算覆蓋和系統(tǒng)平均信號(hào)容量。不同頻段下，室內(nèi)場(chǎng)景覆蓋率與平均容量如圖10 所示。分析可知，太赫茲通信系統(tǒng)存在覆蓋率與容量性能間的帶寬均衡，且與頻段選擇和場(chǎng)景限制密切相關(guān)。

圖10 室內(nèi)場(chǎng)景覆蓋率與平均容量

覆蓋方面。首先，由于大帶寬限制接收信噪比，太赫茲室內(nèi)信號(hào)覆蓋率隨系統(tǒng)帶寬增加而降低。對(duì)于F 頻段，會(huì)議室場(chǎng)景下帶寬高于25 GHz 時(shí)覆蓋率低于35%；辦公室場(chǎng)景由于空間范圍更大、障礙物視距阻塞嚴(yán)重，25 GHz 帶寬下覆蓋率相比會(huì)議室場(chǎng)景低24%。對(duì)于G 頻段，由于半功率波束寬度相較F 頻段下降3 dB，且傳播信號(hào)經(jīng)歷更加嚴(yán)峻的自由空間衰落，2 種室內(nèi)場(chǎng)景下的覆蓋率相較F 頻段均降低30%。其次，和前文分析一致，太赫茲非視距信號(hào)具有增強(qiáng)覆蓋能力，且在低載波、小帶寬情況下覆蓋提升效果更為顯著。對(duì)于F 頻段，1 GHz帶寬下，針對(duì)會(huì)議室、辦公室場(chǎng)景，非視距信號(hào)可將覆蓋率提升28%和22.5%；然而在大帶寬情況下，非視距信號(hào)對(duì)場(chǎng)景覆蓋提升能力下降，特別對(duì)于G 頻段的辦公室場(chǎng)景，超過(guò)40 GHz 帶寬時(shí)非視距信號(hào)無(wú)法提升覆蓋率。原因在于隨帶寬增加，信道稀疏性增強(qiáng)，覆蓋性能逐漸由視距信號(hào)占主導(dǎo)。

系統(tǒng)容量方面。首先，在速率增益和覆蓋受限的共同影響下，容量隨帶寬增加，呈先增后減趨勢(shì)。F 頻段下，會(huì)議室、辦公室場(chǎng)景平均容量隨帶寬增加均出現(xiàn)最高極值，平均容量拐點(diǎn)在12 GHz 帶寬附近。其中會(huì)議室場(chǎng)景容量最高可實(shí)現(xiàn)每平方米4.49 Gbit/s；G 頻段下，受高頻自由空間損耗和窄波束影響，會(huì)議室、辦公室場(chǎng)景最大平均容量降至1.3 Gbit/s和0.12 Gbit/s。特別在辦公室場(chǎng)景下，由于覆蓋受限，系統(tǒng)容量極值下降至5 GHz 帶寬附近。造成上述趨勢(shì)的原因是低帶寬情況下，系統(tǒng)平均容量由帶寬主導(dǎo)，因帶寬增加而提升；隨著帶寬進(jìn)一步增大，覆蓋率縮小，導(dǎo)致平均容量下降。其次，頻譜效率隨太赫茲載頻升高而下降。載頻由F頻段上升至G 頻段，5 GHz 帶寬下，辦公室、會(huì)議室理論譜效分別下降68.6%和78.8%。

綜上所述，太赫茲通信系統(tǒng)帶寬不宜隨意設(shè)定，需根據(jù)具體通信場(chǎng)景和頻段選擇合適的帶寬范圍實(shí)現(xiàn)覆蓋率和容量的折中。為進(jìn)一步發(fā)揮太赫茲大帶寬優(yōu)勢(shì)，保證多用戶接入覆蓋情況下擴(kuò)大可用帶寬范圍，需從傳輸技術(shù)角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)瓶頸突破，如混合波束調(diào)制[20]、基于距離的自適應(yīng)資源分配[21]等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)室內(nèi)多障礙場(chǎng)景，提出一種考慮障礙物厚度的太赫茲信號(hào)傳播修正模型，并基于寬帶射線追蹤技術(shù)，針對(duì)室內(nèi)單載波寬帶太赫茲信號(hào)傳播和覆蓋性能進(jìn)行分析。模型測(cè)量結(jié)果表明，太赫茲頻段下，障礙物厚度造成反射和透射吸收損耗，進(jìn)而影響信號(hào)傳播特性。雙頻段、多帶寬仿真表明，首先，非視距反射可增強(qiáng)覆蓋率，但覆蓋與容量性能間存在帶寬均衡問(wèn)題；其次，太赫茲理論頻譜效率隨載波升高而下降。本文研究具有普適性，可推廣至其他頻段和可精確描述障礙物尺寸及電磁特性的場(chǎng)景，用于評(píng)估太赫茲通信帶寬并輔助節(jié)點(diǎn)部署。