6G无线系统中室内和室外环境下的亚太赫兹（Sub-THz）及太赫兹（THz）频段信道测量与特性分析

《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology》：Sub-THz and THz Channel Measurements and Characteristic Analysis in Indoor and Outdoor Environments for 6G Wireless Systems

本研究在300 GHz频段开展室内外环境信道测量，采用Durham大学定制 chirp 信道分析仪分析多径特性（包括功率时延谱、时延标准差、K因子、相干带宽及路径损耗），并比较不同频段和场景下信道参数差异，为6G通信系统设计提供实测依据。

　　

摘要：

由于具有较宽的可用带宽，亚太赫兹（subterahertz）和太赫兹（terahertz，THz）频段被认为是6G无线系统的理想频段。然而，这些频段中的无线信道在不同场景下的特性尚未通过相同的信道探测设备进行彻底研究。在本文中，我们使用杜伦大学定制设计的啁啾信道探测设备，在室内外环境中对大约300 GHz频段进行了测量。我们展示了信道特性的测量结果，包括功率延迟分布、均方根延迟、K因子、相干带宽和路径损耗，以评估未来THz频段无线网络的设计。

引言

在新兴的6G通信系统中，亚太赫兹（sub-THz）和太赫兹（THz）频段预计将发挥重要作用[1]。0.1–10 THz频段的研究持续受到关注，因为它具有多种优势，如超宽的带宽、多天线集成、高数据传输速率以及与现有标准频段的共存潜力[2]。由于300 GHz频段的输出功率有限，大多数传播信道测量集中在较低的THz频段（例如0.1–0.2 THz），以实现更远的测量距离。只有少数研究报道了0.2 THz以上频段的测量结果，例如201–209 GHz[3]、210–220 GHz[4]、300–308 GHz[5][6]、306–321 GHz[7][8]和356–371 GHz[8]。Abbasi等人[3]使用四端口矢量网络分析仪比较了140–150 GHz和180–190 GHz与210–220 GHz频段的特性，发现在0.5–4.5米的视距（LoS）场景下多径分量（MPCs）的数量可以忽略不计。Chen等人[4]对201–209 GHz频段的室内路径损耗（PL）和小尺度信道特性进行了全面分析，展示了同一THz频段内不同环境下的信道特性差异。这些发现强调了在THz频段内进行多种场景测量的必要性。世界无线电通信大会-23[10]的决议721强调了研究275–325 GHz频段潜在新服务分配的必要性，这提高了人们对这些频段的服务需求和共享可行性的兴趣。已经研究了多种具体场景，包括铁路中心[5]、飞机客舱[6]和工业工厂[11]。Guan等人[5]在铁路测试中心进行了全面的信道测量，以评估不同天线布局和天气条件下的THz通信性能和信道容量。他们的结果为设计基于THz的智能铁路移动系统提供了基础。同样，在飞机客舱进行的300 GHz测量识别出了显著的路径损耗模型，表明低THz频段（0.1–1 THz）是设计机载娱乐系统的有前景的解决方案。他们的研究解决了复杂的多径环境和用户设备之间的干扰等问题[6]。最近的研究主要集中在一般的室内外环境中，包括办公室[4]、走廊[11]、会议室[12]、工业工作区[14]和室外街道峡谷场景[8][13]。在[8]中，研究了大学校园L形街道上的两个THz频段，观察到的簇数量较少，角度/延迟扩散也较小。基于定向天线的不同方位角和仰角，Li等人[11]在包含玻璃墙、木墙、混凝土墙和金属柱的多结构走廊中进行了到达角测量。在[13]中，分别在140 GHz和220 GHz频段进行了室外街道峡谷测量。他们关于线性接收器轨迹上簇形成和消失的研究促进了亚太赫兹频段信道空间一致性的研究。在[14]中，即使在时变和时不变场景下，也进行了300 GHz信道测量，并且测量了机器人的存在。他们的评估结果证明了THz通信在静态和动态场景中的可行性，为现代工业环境中的THz通信奠定了基础。然而，大多数研究关注的是较宽的频率范围（例如8 GHz、10 GHz和15 GHz[3][4][5][6][7][8]），而忽略了频率段之间的差异及其对信道参数估计的影响。为了解决这些问题，本文在36 GHz带宽范围内进行了信道测量，以研究系统频率响应的影响，并提出了相应的信道模型。本文的主要贡献和创新点总结如下：

1)

使用相同的信道探测设备，在不同场景下进行了亚太赫兹和太赫兹信道测量。具体来说，室内外测量均使用了1 × 1喇叭天线，在36 GHz带宽内进行，并以296 GHz和302 GHz为中心分析了2 GHz带宽的测量结果。

2)

详细研究了信道特性，包括功率延迟分布（PDP）、均方根延迟（rms DS）、K因子（KF）和路径损耗（PL）。

3)

比较了不同频率段和场景下的亚太赫兹和太赫兹信道特性，然后研究了这些参数的频率依赖性。