室内场景中140 GHz无线信道测量与传播特性研究*

宋国超，周伟，徐晓燕，李明豫，江甲沫

（中国信息通信研究院移动通信创新中心，北京 100083）

0 引言

预计未来6G 需要支持几十Tbps 的通信速率与毫米级的感知精度，以满足数字孪生、多维感知、全息通信、泛在互联等应用需求[1-2]，实现将物理世界复刻为数字世界，从人连、物连过渡到万物智联的美好愿景。太赫兹频段拥有丰富的频谱资源，具有超高速大带宽的传输能力和高精度的感知能力，可以有效缓解当前无线系统频谱稀缺的问题[3-4]。因此，太赫兹通信技术被认为是极具潜力的6G 潜在关键技术方向之一。然而，面向6G 的太赫兹通信技术处于起步阶段，基础理论、关键空口技术及核心器件有待突破。作为无线关键技术研发的基础，对太赫兹信道传播特性的研究更是迫在眉睫[5-6]。

最近几年，国内外一些研究机构已经开展了大量的太赫兹信道研究工作[7-8]。然而，这些研究工作要么聚焦于较高频率的太赫兹频段（如300 GHz）[9-13]，要么测量场景较为单一，缺少例如数据中心的室内典型场景[14-18]。值得指出的是，由于较高频率的太赫兹器件不太成熟，6G可能会优先发展低频率的太赫兹频段，例如140 GHz。因此，亟需针对太赫兹典型应用场景，更加全面地分析对比低频率太赫兹的信道传播特性。

本文开展了140 GHz 室内典型应用场景的信道测量与传播特性研究。具体地，首先基于VNA（Vector Network Analyzer，矢量网络分析仪）和扩频模块搭建了频域信道测量平台。然后，基于信道测量平台，完成了数据中心、办公室、走廊等典型应用场景的信道测量，测量点位共有53 个。最后，分析并对比了几个场景中太赫兹的信道传播特性，包括路径损耗、阴影衰落、时延与角度扩展等。

1 信道测量平台搭建与测量场景设置

本节主要介绍测量平台搭建与测量场景设置。其中，1.1 节描述太赫兹信道测量平台的实现方法，并介绍信道测量平台的摆放方式；1.2 节介绍数据中心、办公室、走廊等三个室内测量场景的设置，包括点位的选取、平台参数的配置等。

1.1 基于VNA的频域信道测量平台搭建

本文搭建了基于VNA 的频域太赫兹信道测量平台。该平台主要由VNA 和扩频模块构成，其原理框图如图1（a）所示。该平台利用VNA 获取收发端之间的CTF（Channel Transfer Function，信道传输函数），并使用扩频模块将VNA 的测量频率扩展至太赫兹频段。

图1 信道测量平台

为了克服太赫兹信道的高路径损耗，扩频模块的收发端均采用了具有高方向性的高增益喇叭天线。由于喇叭天线的波束方向是定向的，每次只能捕捉到波束指向的多径信号。为了实现不同方向上多径信号采集，将扩频模块的发送机和接收机分别放在两个转台上，通过改变转台的俯仰角，来测量收发天线在不同角度上的CTF，从而获取得到不同方向的MPC（Multi-path Components，多径分量）。为了方便改变发射机和接收机的位置，将信道测量设备安装在小推车上，如图1（b）所示。VNA、用于系统控制的电脑、以及发射机安装在一个小推车上，而接收机模块安装在另一个小推车上。为了模拟不同高度的接收机的使用情况，接收端分别使用了高度为1.4 m和1.8 m 的两个小推车。

1.2 信道测量场景与参数设置

本文研究了三个室内典型应用场景中的太赫兹信道传播特性，三个场景为数据中心、办公室、走廊，下面依次介绍每个场景的测量设置及点位选取。

（1）测量场景设置

①数据中心

数据中心的部署环境如图2 所示，房间内摆放了多个机柜式的机架，相邻机架之间的距离为0.8～1.5 m，每个机架上安装了若干个服务器。此外，数据中心中有两个混凝土结构的柱子，柱子之间的距离为8 m。为了模拟真实的数据中心的通信场景，分别设计了两个信道测量设置，具体如下：

图2 数据中心测试环境和点位设置

测量设置1：图1（a）展示了测量设置1 中发送端和接收端的点位设置。该测量设置主要研究接入点与调试人员之间的通信场景。在该场景中，调试人员手持或者背着一个接收设备（接收端）来对服务器设备进行安装或者调试，接收端与接入点（发送端）之间通过太赫兹链路实现通信。发送端布置在走廊中间，高度约为2 m，位置是固定不变的。接收端部署在机架之间的过道里，高度为1.6 m，部署的点位如图1（a）所示，标记为Rx1-18。

测量设置2：图1（b）展示了测量设置2 的发送端和接收端的点位设置。该设置主要用于模拟接入点与机架之间以及机架与机架之间的无线数据传输。在该场景中，发送端高度为2 m，一共有2 个点位，被标记为Tx1和Tx2。接收端高度也为2 m，一共有8 个点位，被标记为Rx19-26。在以上两个测量设置中，实心图形的表示视距传输，空心表示非视距传输。

②走廊

走廊的测量环境和点位布置如图3 所示。该场景为一典型的室内走廊场景，包含横竖两条走廊，长度为28 m，宽度为14 m。发射机布置在西南拐角处，接收机在横竖两条走廊上均匀分布，收发机之间距离为3～21 m。

图3 走廊测试环境和点位设置

③办公室

办公室的测量环境和点位布置如图4 所示。该场景为一典型的办公室，长约55 m，宽约7 m。在办公室中布置有若干工位，每两列工位之间的距离约1 m。在所有工位的南侧，有一宽约1 m 的走廊。发射机放置在东南角落，高度约3 m，接收机布置在走廊和工位间隔中，高度为1.6 m，与发射端之间的距离为3～18 m。

图4 办公室测试环境和点位设置

（2）测量参数设置

三个场景的测量参数设置如表1 所示。具体地，测量频段范围为130 GHz 至140 GHz，覆盖了10 GHz 带宽，对应多径分量传播距离的分辨率为3 cm。根据测量需求，平台频域扫描间隔设置为5 MHz 或2.5 MHz，对应的扫描点数为2 001 与4 001，可测量的最大时延为200 ns 与400 ns，最大路径长度为60 m 与120 m。

表1 不同场景信道测量参数设置

2 信道测量数据处理

本节介绍信道数据处理方法，包括多径提取和多径分簇。本文基于一种改进的SAGE（Space-Alternating Generalized Expectation Maximization，空间交替广义期望最大化）算法[19]实现多精度的多径参数提取，并利用DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）算法[20]进行多径分簇。

2.1 多径参数提取

多径参数提取的第一步是设备校准，目的是移除测量平台中线缆、放大器等硬件对CTF 的影响。具体地，在信道测量之前，将扩频模块的收发端通过波导的方式进行直连，得到收发端的校准参数，表示为Hc。当收发端在某个固定位置于扫描角度时，将包含硬件影响的CTF 标记为H，通过除以Hc，得到校准后的信道响应为H/Hc。

在完成信道校准之后，通过不同扫描角度的CTF 计算多径参数。接下来介绍太赫兹信道参数模型建立及参数提取方法。当接收端转到第nr个角度时，太赫兹信道可以表示为：

其中，αl、τl、Ωr,l分别表示是第l条多径信号的路径增益、到达时间以及到达角度，φl,nr表示由天线、反射、散射等因素可能引起的第l条多径信号的相位变化，fk为载波频率，L为多径的总数目，Wnr[k]表示加性高斯白噪声，Cr,nr(⋅) 为接收端天线的辐射模式。Ωr,l定义为：

其中φr,l、θr,l分别为第l条多径信号到达接收端天线的俯仰角和水平角。

通过组合接收端所有扫描角度的CTF，可以得到收发天线之间信道H的简化形式：

其中，H表示CTF 矩阵，Θl=[τl,Ωr,l,αl,Φl] 包含第l条多径信号的所有参数，表示第l条多径信号。本文利用一种改进的SAGE 算法[7]实现多精度的多径参数提取，包括每条路径的到达时延、到达水平角、到达俯仰角及信号能量等参数。

2.2 多径分簇

对于一个实际的信道环境，由于无线设备周围环境的散射，将会出现一些参数相似的多径成分，从而形成多径簇。

为了研究太赫兹信道多径分簇特征，本文使用DBSCAN[20]算法来对多径分量进行分簇。为了提升分簇性能，本文使用如下公式计算多径分量之间的距离：

其中，ξ表示时延的权重因子，在本文设置为3。

3 测试结果分析

本节分析信道测量结果，包括大尺度衰落、小尺度衰落、分簇结果等传播特性。参考3GPP 信道标准TR 38.901 中规定的信道特性拟合表[21]，对传播特性的随机分布进行了拟合与分析。

3.1 路径损耗和阴影衰落

本文使用CI（Close-In）和FI（Float Interception）模型建模室内场景中的路径损耗。CI 模型中的路径损耗PLCI可以表示为：

其中，n表示路径损耗指数，d表示发送端与接收端之间的欧氏距离。d0为CI 模型的参考距离，在本文中设置为1 m。假设无线信号的频率以GHz 为单位表示为f，则空间自由损耗模型可表示为。是一个均值为0、标准差为σCI的高斯随机变量，反应了阴影衰落的大小。

不同于CI 模型，FI 模型没有考虑参考距离，其数学表达式为：

其中α表示截距，β为路径损耗的斜率，为FI 模型的阴影衰落，其服从均值为0、标准差为σFI的高斯分布。

各个场景的路径损耗如表2 所示。从表中可以得出如下几个结论：首先，最佳方向路径损耗指数nbest大于全向路径损耗指数nomni，这是合理的，因为最佳方向路径损耗仅仅考虑了信道中的部分多径分量的能量，而全向路径传输损耗考虑了信道中所有多径分量的能量，因此nbest大于nomni；此外，对比不同的场景可以发现，数据中心中的路径损耗指数最小，走廊次之，办公室中的路径损耗指数最大，这是由于数据中心中具有丰富的金属反射体，例如服务器机架，导致最小的路径损耗，相反，办公室环境较为空旷，且物体多为玻璃、混凝土等材质，反射和散射损耗较大，多径分量能量较弱。

表2 信道测量结果

此外，对于阴影衰落而言，有以下几点观察：首先，最佳方向路径损耗的阴影衰落值μSF,best通常大于全向路径损耗的阴影衰落值σSF,best。这是因为最佳方向路径损耗受到天线失准损耗的影响，而全向路径损耗则完全消除了天线效应。其次，走廊场景的阴影衰落较小，而办公室场景的阴影衰落普遍较大。

3.2 多径传播特性

K因子：本文中，K因子的定义为信号能量最强的簇与其他所有簇的能量之比。本文采用对数正态分布来拟合实际测量的K因子，正态分布的参数如表2 所示。从表中可以看出。办公室场景的K因子最大，其次是走廊场景，这表明这两个场景中的视距传输径占主导地位。相对地，数据中心场景中的K因子则较小，这是由于数据中心场景中的金属机架以产生了较强的反射和散射径，导致信道中的多径效应明显，K因子较弱。

角度与时延扩展：本文采用对数正态分布来拟合实际测量的角度与时延扩展，正态分布的参数如表2 所示。从表中的结果可以看出，在所有场景中，均观察到了很小的时延扩展值，均小于10 ns。此外，时延扩展最小的是数据中心的第二个测试设置，最小的是办公室。相比时延扩展，角度扩展对场景的依赖性更加明显。特别地，在数据中心场景中观察到较大的角度扩展，这是由于该场景中来自金属机架的丰富的多径分量造成的。相反，在办公室场景中的水平到达角度扩展较小，这是由于该场景的多径效应较弱。

3.3 分簇结果

分簇的结果如表2 所示。就各个场景中簇的数量而言，从数据中心场景中明显观察到非常多的簇，这和之前在K因子、时延与角度扩展中的讨论一致，是因为该场景中的金属机架作为有效散射体，提供了非常多能量很强的多径分量，因此更多的簇被观察到。而对于其他场景，簇的数量平均在2～3 个，这显现出太赫兹频段的稀疏性。此外，可以观察到簇内的时延和角度扩展都很小，相比3GPP TR 38.901 中声明的簇内角度扩展，在太赫兹频段观察到的簇在时间和空间上的色散都明显更弱。

4 结束语

本文开展了140 GHz 室内场景中信道测量与传播特性研究。首先基于VNA 和扩频模块搭建了频域信道测量平台。然后，基于信道测量平台，在数据中心、办公室、走廊等场景中进行了大量的信道数据采集。最后，分析对比了几个场景中太赫兹的信道传播特性，包括路径损耗、阴影衰落、时延与角度扩展等。这些信道测量结果能为6G 太赫兹技术方案设计与标准化的推进奠定一定的基础。