太赫茲信道測(cè)量研究與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

王立磊,李晨陽

(1.羅德與施瓦茨(中國)科技有限公司,北京 100012;2.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,北京 100876)

0 引言

從1G～5G的各代通信系統(tǒng)演進(jìn)過程中,信號(hào)的載波頻率越來越高,而更高的頻率意味著更豐富的頻譜資源,同時(shí)也意味著更強(qiáng)的衰減和更復(fù)雜的信道環(huán)境。因此,為了設(shè)計(jì)下一代通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)(TX)與接收機(jī)(RX),需要對(duì)太赫茲頻段的信道進(jìn)行測(cè)量建模。近年來,已經(jīng)有研究人員對(duì)太赫茲頻段的信道進(jìn)行了測(cè)量[1-8]。介紹了太赫茲信道的常見測(cè)量方法,并基于羅德與施瓦茨公司的儀器設(shè)備,使用時(shí)域測(cè)量的方式對(duì)158、300 GHz頻段的信道進(jìn)行了測(cè)量,得到了太赫茲頻段的信道沖激響應(yīng)(Channel Impulse Response,CIR)結(jié)果并進(jìn)行了分析。通過對(duì)信道測(cè)量方法和裝置的介紹以及對(duì)信道測(cè)量結(jié)果的分析,為未來太赫茲領(lǐng)域的深入研究打下基礎(chǔ)。

1 太赫茲通信與信道測(cè)量

1.1 太赫茲通信定義與特性

太赫茲通信由于其頻譜資源豐富,可提供大容量、低時(shí)延的傳輸,是6G無線通信空口技術(shù)的關(guān)鍵候選方案之一。太赫茲頻段是位于0.1～10 THz頻率范圍內(nèi)的電磁波頻段[9],頻率遠(yuǎn)高于當(dāng)前5G的毫米波頻段。太赫茲通信技術(shù)在全息通信、微小尺寸通信等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用場(chǎng)景,可以作為現(xiàn)有5G系統(tǒng)空口傳輸?shù)挠行аa(bǔ)充。相較于5G系統(tǒng)的毫米波通信,太赫茲通信有以下優(yōu)點(diǎn)：

① 更豐富的頻譜資源。與毫米波通信系統(tǒng)相比,太赫茲頻段的頻譜資源更充足,能夠容納更多的用戶接入,可以滿足下一代通信系統(tǒng)的多樣化通信場(chǎng)景需求。

② 更強(qiáng)的抗干擾能力。相對(duì)于毫米波頻段,太赫茲頻段波束更窄,其抗干擾能力和抗捕獲能力更強(qiáng)。與紅外通信相比,太赫茲波束對(duì)準(zhǔn)相對(duì)容易,有利于太赫茲通信的捕獲跟蹤和定向組網(wǎng)。

③ 全天候通信。太赫茲通信受背景噪聲和大氣影響較小,能夠?qū)崿F(xiàn)全時(shí)空的通信,是未來6G天地一體化網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一。

然而,太赫茲通信技術(shù)也面臨著許多挑戰(zhàn)。太赫茲頻段由于頻率更高,其穿透損耗也更嚴(yán)重,導(dǎo)致相對(duì)于毫米波,太赫茲通信的傳輸距離更近。太赫茲頻段的電磁波對(duì)建筑物等反射面更加敏感,這些反射會(huì)產(chǎn)生極高的反射衰減,進(jìn)而導(dǎo)致其覆蓋范圍大大縮短。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的解決方案通常是對(duì)通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的算法進(jìn)行設(shè)計(jì),例如更高效的信道編譯碼、信道估計(jì)/均衡算法等,以及增大發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率和天線數(shù)量,這雖然會(huì)一定程度上改善其性能,但也會(huì)帶來極高的成本提升。更好地設(shè)計(jì)信道編譯碼與信道估計(jì)技術(shù),需要了解電磁波的無線傳播環(huán)境。因此,在進(jìn)行太赫茲頻段的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)無線傳播環(huán)境進(jìn)行測(cè)量與建模,進(jìn)而更好地設(shè)計(jì)接收機(jī)的信號(hào)補(bǔ)償算法。在這個(gè)過程中,信道測(cè)量是非常關(guān)鍵的技術(shù)之一。

1.2 太赫茲頻段信道測(cè)量的重要性與技術(shù)挑戰(zhàn)

通常在制定新的通信標(biāo)準(zhǔn)前,首先了解和表征其所在傳輸頻段的傳播特性,然后基于傳播特性推導(dǎo)出信道模型,進(jìn)而對(duì)新的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真研究。物理層的鏈路級(jí)仿真需要考慮導(dǎo)頻信號(hào)在時(shí)頻域的分布、發(fā)射機(jī)的信道編譯碼算法,接收機(jī)的信道估計(jì)與信道均衡算法等,這些算法的設(shè)計(jì)與開發(fā)都需要依據(jù)信道的傳播特性。因此,在設(shè)計(jì)和開發(fā)太赫茲頻段的通信系統(tǒng)之前,需要對(duì)太赫茲頻段電磁波的傳播特性及信道環(huán)境進(jìn)行測(cè)量與建模。

4G及以前的3GPP信道模型的測(cè)量和建立僅限于6 GHz以下頻率范圍和準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境,這種環(huán)境下的信道測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單。5G的信道測(cè)量擴(kuò)展到了汽車、高速列車等高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景,雖然相對(duì)于4G更加復(fù)雜與完善,但這種信道模型依舊不能簡(jiǎn)單擴(kuò)展到6G所使用的100 GHz以上頻段。在這個(gè)頻段上,電磁波的傳播會(huì)受到人體、車輛和環(huán)境條件(如雨水等)的影響,從而使信道的時(shí)變性更強(qiáng),測(cè)量更加困難,因此太赫茲頻段的信道測(cè)量面臨著極大的技術(shù)挑戰(zhàn)[10-11]。

2 太赫茲信道測(cè)量方法

2.1 太赫茲信道的頻域測(cè)量方法

頻域信道測(cè)量的主要方法是頻域掃描法,其原理是將準(zhǔn)靜態(tài)的無線信道模擬成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò),使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer,VNA)對(duì)待測(cè)量的頻率范圍進(jìn)行等間隔的掃描。對(duì)于所有測(cè)量頻點(diǎn),使用VNA的內(nèi)置信號(hào)源發(fā)送探測(cè)信號(hào)到空間信道,然后再接收反射的多徑信號(hào),通過分析處理接收信號(hào)得到信道的復(fù)數(shù)頻率響應(yīng),再對(duì)其做離散傅里葉反變換就能得到相應(yīng)的CIR。其中,掃描的帶寬決定了CIR的時(shí)延分辨率,頻率間隔則決定了最長(zhǎng)可識(shí)別的時(shí)延[12-13]。

該方法雖然能夠獲得CIR,但也有一定的缺點(diǎn)。一方面,為確保實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性,測(cè)量環(huán)境必須在測(cè)量期間內(nèi)保持基本穩(wěn)定,但頻域測(cè)量法的測(cè)量時(shí)間通常比較長(zhǎng),期間可能因?yàn)楦鞣N原因?qū)е聹y(cè)量環(huán)境發(fā)生變化,進(jìn)而帶來測(cè)量誤差。因此頻域掃描法無法測(cè)量快速時(shí)變信道,只能測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)信道。另一方面,這種測(cè)量方法收發(fā)端通過線纜分別與VNA的兩個(gè)端口相連,因此最遠(yuǎn)的測(cè)量距離受限于同步線纜的長(zhǎng)度。在太赫茲頻段,線纜的傳輸損耗比較嚴(yán)重,這也影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍,因此頻域掃描法主要適用于測(cè)量室內(nèi)場(chǎng)景和短距離信道,不適用于測(cè)量戶外長(zhǎng)距離的信道。

2.2 太赫茲信道的時(shí)域測(cè)量方法

時(shí)域信道測(cè)量的方法為時(shí)域相關(guān)法,具體是在發(fā)射端發(fā)送載頻信號(hào)和擁有良好自相關(guān)特性的調(diào)制脈沖信號(hào),如Frank-Zadoff-Chu(FZC)序列,接收端接收到信號(hào)后與發(fā)送信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算,即可得到無線信道的CIR。在時(shí)域測(cè)量中,接收機(jī)和發(fā)射機(jī)可以相互分離,這解決了頻域掃描法中存在的線纜對(duì)測(cè)試的影響問題,因此時(shí)域相關(guān)法可用于遠(yuǎn)距離的場(chǎng)景測(cè)量,其應(yīng)用比頻域掃描法更廣泛。由于不需要逐頻點(diǎn)掃描,時(shí)域相關(guān)法的測(cè)試速度相對(duì)較快,且效率較高。時(shí)域測(cè)量的原理如圖1所示?？紤]到太赫茲頻段信道的特性以及本文所測(cè)試的場(chǎng)景,選擇時(shí)域信道測(cè)量法進(jìn)行信道測(cè)量。

圖1 信道時(shí)域測(cè)量原理Fig.1 Channel time domain measurement schematic

3 太赫茲信道實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 羅德與施瓦茨公司相關(guān)研究基礎(chǔ)

在太赫茲信道測(cè)量領(lǐng)域,羅德與施瓦茨公司有著豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。羅德與施瓦茨公司在與弗勞恩霍夫HHI和弗勞恩霍夫IAF的合作中開發(fā)了一種研究裝置,可在275～325 GHz產(chǎn)生和分析信號(hào),帶寬為2 GHz。該信號(hào)可用于信道測(cè)量,也可用于新波形調(diào)制或進(jìn)行傳輸實(shí)驗(yàn)。

如圖2所示,在TX側(cè),使用R&S SMW200A寬帶矢量信號(hào)發(fā)生器在中頻產(chǎn)生帶寬為2 GHz的數(shù)字基帶信號(hào)。單邊帶上變頻器(包含弗勞恩霍夫IAF太赫茲收發(fā)機(jī)) 將中頻信號(hào)提高至所需射頻發(fā)射頻率,由R&S SGS100A作為本地振蕩器 (Local Oscillator,LO) 。在RX側(cè),將天線信號(hào)放大并與下變頻器和LO混合到中頻域。中頻信號(hào)由R&S FSW信號(hào)和頻譜分析儀采樣并儲(chǔ)存同相/正交(I/Q)樣本,以便進(jìn)一步處理。TX和RX與兩個(gè)基于銣原子的參考時(shí)鐘和觸發(fā)單元(同步計(jì))同步,實(shí)現(xiàn)相干測(cè)量并可進(jìn)行相位評(píng)估和相干平均,以及確定絕對(duì)的信號(hào)傳播時(shí)間。裝置實(shí)物圖與測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖2 信道測(cè)量TX與RX結(jié)構(gòu)Fig.2 Channel measurement TX and RX structure

圖3 信道測(cè)量裝置實(shí)物圖與測(cè)量結(jié)果Fig.3 Channel measuring device physical diagram and measurement results

3.2 太赫茲信道測(cè)量系統(tǒng)與參數(shù)

最近,羅德與施瓦茨公司慕尼黑總部對(duì)亞太赫茲頻率(158 GHz和300 GHz)的信道傳播特性進(jìn)行了更為系統(tǒng)的研究。研究頻率選擇了潛在的6G候選頻段。該研究重點(diǎn)在于兩種代表性場(chǎng)景：類似于街道峽谷 (城市微蜂窩)的室外場(chǎng)景,以及類似于購物中心或機(jī)場(chǎng)的室內(nèi)場(chǎng)景。室內(nèi)測(cè)量活動(dòng)分別于 兩種代表性場(chǎng)景進(jìn)行。圖4為158 GHz下相關(guān)信道探測(cè)儀的框圖,類似于300 GHz裝置 (圖2)。測(cè)量采用時(shí)域信道探測(cè)儀,測(cè)量時(shí)間較短,使測(cè)量活動(dòng)中的許多位置可進(jìn)行多次測(cè)量以減少誤差,并完整覆蓋360°的空間角度。

圖4 信道測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Channel measuring device structure

發(fā)射機(jī)處裝置包括一個(gè)單邊帶上變頻器和放大器。R&S SMW200A矢量信號(hào)發(fā)生器在14 GHz中頻處可提供預(yù)先計(jì)算好的探測(cè)序列。所用探測(cè)序列為FZC序列,長(zhǎng)度為100 μs,帶寬B=2 GHz(相應(yīng)時(shí)間分辨率τ=1/B=0.5 ns)。

RX由R&S FSW43信號(hào)和頻譜分析儀以及下變頻器組成,下變頻器由12.24 GHz本地振蕩器發(fā)生器激勵(lì)。水平極化的垂直面喇叭天線,天線增益為20 dBi,垂直面 (方位平面) 張角約為15°,可作為接收天線。D頻段前端將接收信號(hào)下變頻至 11.12 GHz中頻。信號(hào)分析儀以2.5 GHz頻率對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣,一次測(cè)量涵蓋序列周期總數(shù)為250。接收天線和下變頻器安裝于精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)上,可實(shí)現(xiàn)不同方位角的角度分辨測(cè)量。RX安裝于手推車(攝影機(jī)移動(dòng)臺(tái)車) 上,便于精確移動(dòng)至不同接收機(jī)位置。由于所用天線波束寬度約為15°,因此在接收機(jī)方位角域中,無線信道以15°為步長(zhǎng)進(jìn)行采樣。

所有儀器都與一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)(弗勞恩霍夫HHI同步計(jì))相連接,以確保發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相干采樣。除了來自高精度銣原子鐘的10 MHz參考信號(hào)外,同步計(jì)還能在TX和RX上實(shí)現(xiàn)同步和相干觸發(fā)。

測(cè)量完成后,將所接收的I/Q時(shí)域樣本作為原始測(cè)量數(shù)據(jù)從信號(hào)分析儀傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)后處理包括重采樣和濾波、估計(jì)每個(gè)序列周期的公共相位漂移和補(bǔ)償相位漂移、所有序列周期的相干平均,結(jié)果為CIR。以奈奎斯特速率進(jìn)行采樣,其幅度對(duì)應(yīng)通信信道(包括天線)增益、延遲對(duì)應(yīng)信號(hào)傳播時(shí)間。

表1總結(jié)了時(shí)域信道探測(cè)儀的基本技術(shù)參數(shù)。使用理想的復(fù)雜相關(guān)序列 (FZC) 配置,并在估計(jì)和補(bǔ)償相位噪聲引起的漂移后進(jìn)行額外相干平均,可獲得較大處理增益和極寬動(dòng)態(tài)范圍。

表1 時(shí)域信道探測(cè)儀基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of time domain channel detector

3.3 太赫茲信道測(cè)量場(chǎng)景與結(jié)果

該測(cè)量在羅德與施瓦茨公司德國慕尼黑總部進(jìn)行。測(cè)量場(chǎng)景為室外街道峽谷,以及室內(nèi)購物中心。測(cè)量場(chǎng)景如圖5所示,室外測(cè)量在兩座灰色陰影建筑物之間進(jìn)行。街道寬度為15.5m,周圍建筑物高度約 為20 m。

圖5 測(cè)量場(chǎng)景Fig.5 Measurement scene

3.3.1 室外街道峽谷場(chǎng)景

室外場(chǎng)景信道測(cè)量場(chǎng)景與測(cè)量結(jié)果如圖6所示,第一個(gè)測(cè)量場(chǎng)景位于兩座研發(fā)大樓之間的走廊上,類似于街道峽谷場(chǎng)景(城市微蜂窩)。固定TX放置于走廊盡頭的自行車停放架上 (圖5左側(cè)紫星位置),高度為1.5 m。此處的景觀通向一處更開放空間,有一個(gè)小廣場(chǎng)和獨(dú)立樹叢。包括測(cè)試和測(cè)量設(shè)備在內(nèi)的RX安裝在高度為 1.5 m的無線平臺(tái) (攝影機(jī)移動(dòng)臺(tái)車) 上,并可移動(dòng)至離TX不同距離的測(cè)量位置,最大距離為170 m。大多數(shù)測(cè)量于視距(Line of Sight,LoS)可及范圍內(nèi)進(jìn)行。圖6為158 GHz和300 GHz下 30 m距離處對(duì)準(zhǔn)天線的CIR。延遲為0.1 μs的 第一個(gè)峰值代表LoS路徑,相當(dāng)于30 m的距離。多徑分量同樣可見,且在158 GHz處比在300 GHz處更明顯。

圖6 室外場(chǎng)景信道測(cè)量場(chǎng)景與測(cè)量結(jié)果Fig.6 Outdoor scene channel measurement scene diagram and measurement results

在158 GHz室外場(chǎng)景中,由不同距離 (10～170 m) 瞬態(tài)CIR合并而成的圖如圖7所示。相關(guān)測(cè)量結(jié)果完整涵蓋了兩座大樓之間的街道長(zhǎng)度,天線始終對(duì)準(zhǔn)。從該組大規(guī)模測(cè)量中,可以導(dǎo)出路徑損耗指數(shù)。延遲較大的多徑分量幾乎存在于整個(gè)測(cè)量結(jié)果中。

(a) 測(cè)試結(jié)果

(b) 測(cè)試場(chǎng)景

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)集的進(jìn)一步評(píng)估涉及角度信息分析。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處,將接收機(jī)旋轉(zhuǎn)至24個(gè)等距角度位置,從而以15°的分辨率對(duì)方位平面的無線信道進(jìn)行空間掃描。

圖8(158 GHz)和圖9(300 GHz)為兩個(gè)頻率在同一測(cè)量點(diǎn)(30 m,室外)的路徑估計(jì)結(jié)果。角度軸表示循環(huán)維度,即圖中的第一行和最后一行相同,這也反映在顏色上。為了從噪聲中明確區(qū)分出信號(hào)路徑,有必要適當(dāng)控制噪聲閾值。對(duì)于圖8和圖9中的示例,將158 GHz的絕對(duì)噪聲閾值設(shè)置為 -120 dBm,將300 GHz的絕對(duì)噪聲閾值設(shè)置為-118 dBm。

圖8 158 GHz下的延遲-角度測(cè)量結(jié)果Fig.8 Delay-angle measurements at 158 GHz

圖9 300 GHz下的延遲-角度測(cè)量結(jié)果Fig.9 Delay-angle measurements at 300 GHz

基于該路徑估計(jì),可對(duì)所有路徑的總接收功率 (即有效總路徑增益) 求和,圖中對(duì)此亦有所反映。雖然300 GHz信道比158 GHz信道要稀疏得多,但總功率并無太大差異。與158 GHz相比,預(yù)計(jì) 300 GHz的總功率將減少約6 dB。但實(shí)際情況并非如此,因此可以得出結(jié)論,由于測(cè)量的高靈敏度,在158 GHz可以獲取額外的路徑,但對(duì)總功率貢獻(xiàn)不大。均方根 (Root Mean Square,RMS) 延遲擴(kuò)展和RMS角度擴(kuò)展等統(tǒng)計(jì)參數(shù)也可以從這些結(jié)果中進(jìn)行評(píng)估。

3.3.2 研發(fā)大樓中庭室內(nèi)購物中心/機(jī)場(chǎng)場(chǎng)景

室內(nèi)測(cè)量在如圖6(b)和圖10所示大樓中的大型開放空間進(jìn)行。該場(chǎng)景類似于購物中心/機(jī)場(chǎng)場(chǎng)景。大廳面積約為52 m×13 m,天花板高度約為 20 m。發(fā)射天線配置于大樓入口處電梯前一固定位置,高度為1.5 m。接收機(jī)安裝于無線平臺(tái)上(天線高度為1.5 m),并可以移動(dòng)到覆蓋整個(gè)樓層區(qū)域矩形網(wǎng)格上的不同位置。

圖10 研發(fā)大樓測(cè)試場(chǎng)景Fig.10 R&D building test scene

圖11為在具有LoS峰值和多個(gè)多徑分量特定位置(在直角網(wǎng)格中)的角度分辨估計(jì)路徑,在158 GHz、40 m距離處進(jìn)行的室內(nèi)測(cè)量。如預(yù)期那樣,與室外測(cè)量相比,更多來自不同方向的多徑分量使得總接收功率更高 (40 m為-71.4 dB,30 m為-75.1 dB)。

圖11 158 GHz下研發(fā)大樓測(cè)量結(jié)果Fig.11 Measurements of the R&D building at 158 GHz

圖12通過玫瑰圖實(shí)現(xiàn)可視化的呈現(xiàn),圖中的每塊“餅”代表各自角倉的總功率,將所有的“餅”進(jìn)行處理,便可歸一化為總功率。一個(gè)角倉內(nèi)不同路徑的單一貢獻(xiàn)用點(diǎn)表示。只有一個(gè)或兩個(gè)角倉幾乎占盡總功率, 而且在一個(gè)倉內(nèi),只有少數(shù)路徑有顯著貢獻(xiàn)。圖中,同樣的數(shù)據(jù)集顯示于極坐標(biāo)圖中,每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)峰值,三角形 (“餅”) 代表各自角倉中的總功率。可以觀察到多個(gè)多徑分量。

圖12 研發(fā)大樓測(cè)量結(jié)果玫瑰圖Fig.12 R&D building measurement results rose map

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了太赫茲頻段信道測(cè)量的方法,以及基于158 GHz和300 GHz頻段對(duì)常見通信場(chǎng)景如城市街道峽谷、室內(nèi)購物中心等進(jìn)行信道測(cè)量的詳細(xì)過程,并針對(duì)時(shí)延、功率、信道沖擊響應(yīng)等測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量結(jié)果對(duì)于后續(xù)的太赫茲相關(guān)領(lǐng)域研究工作和頻譜分配可以提供很好的參考。

太赫茲技術(shù)未來與通感一體化、可重構(gòu)智能超表面等技術(shù)相結(jié)合,對(duì)其信道建模可能會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)。本研究計(jì)劃重點(diǎn)考慮了這些方向,將繼續(xù)探索新的信道測(cè)量方法,為新技術(shù)的信道建模提供參考借鑒。