[论文解读] Channel Measurement and Characterization with Modified SAGE Algorithm in an Indoor Corridor at 300 GHz

Yuanbo Li, Yiqin Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2022

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 8

一句话总结

本文提出了一种改进的SAGE算法，用于基于VNA探测器的300 GHz室内走廊测量中提取高分辨率多径分量（MPC）。结果表明，反射箔可将近6 dB改善非视 Line-of-sight（NLoS）信道条件，为增强太赫兹（THz）通信覆盖范围提供了一种低成本替代方案，无需使用智能反射面（IRS）。

ABSTRACT

The much higher frequencies in the Terahertz (THz) band prevent the effective utilization of channel models dedicated for microwave or millimeter-wave frequency bands. In this paper, a measurement campaign is conducted in an indoor corridor scenario at 306-321 GHz with a frequency-domain Vector Network Analyzer (VNA)-based sounder. To realize high-resolution multipath component (MPC) extraction for the direction-scan measurement campaigns in the THz band, a novel modified space-alternating generalized expectation-maximization (SAGE) algorithm is further proposed. Moreover, critical channel characteristics, including the path loss, shadow fading, K-factor, delay spread, angular spreads, cluster parameters, and cross correlations are calculated and analyzed in the LoS case. Besides, two contrasted measurement campaigns in the NLoS case are conducted, with and without additional reflective foils on walls to serve as effective scatterers. Comparison results indicate that the reflective foils are useful to improve the channel conditions in the NLoS case by nearly 6 dB, which is potential to be utilized as alternative of intelligent reflecting surfaces (IRS) to enhance the coverage ability of THz communications.

研究动机与目标

• 为解决太赫兹（THz）频段缺乏准确信道模型的问题，该频段与微波和毫米波频段存在显著差异。
• 通过改进的SAGE算法，实现在太赫兹频段测量中高分辨率多径分量（MPC）的提取。
• 表征视 Line-of-sight（LoS）条件下关键信道参数，如路径损耗、K因子、延迟扩展和角扩展。
• 评估人工反射体（反射箔）对太赫兹频段非视 Line-of-sight（NLoS）信道性能的影响。

提出的方法

• 在306–321 GHz频段的室内走廊环境中，使用基于矢量网络分析仪（VNA）的探测器开展频域测量实验。
• 开发一种改进的空间交替广义期望最大化（SAGE）算法，以提升高频太赫兹频段中多径分量（MPC）的分辨率。
• 将改进的SAGE算法应用于方向扫描测量数据，以提取MPC，实现传播参数的精确估计。
• 开展两组对比的NLoS测量实验：一组在墙面布置反射箔，另一组不布置，以评估其对信道质量的影响。
• 分析关键信道特性，包括路径损耗、阴影衰落、K因子、延迟扩展、角扩展、簇参数及LoS与NLoS场景下的互相关特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过改进的SAGE算法实现在300 GHz频段的高分辨率多径分量（MPC）提取？
• RQ2 在300 GHz频段的室内走廊环境中，LoS条件下的关键统计信道特性（如路径损耗、K因子、延迟扩展）是什么？
• RQ3 在太赫兹频段中，反射箔在多大程度上改善了NLoS信道条件？
• RQ4 反射箔能否作为智能反射面（IRS）的低成本替代方案，用于提升太赫兹通信覆盖范围？

主要发现

• 改进的SAGE算法成功实现了300 GHz频段中多径分量（MPC）的高分辨率提取，显著提升了方向扫描测量中的精度。
• 在LoS条件下，实测路径损耗和延迟扩展特性与自由空间路径损耗模型一致，且角扩展较小，表明信号具有高方向性。
• 在LoS场景中，K因子较高，表明视 Line-of-sight 分量占主导地位，多径功率较低。
• 在NLoS条件下，使用反射箔可使接收信号电平提升近6 dB，显著改善链路预算和覆盖范围。
• 反射箔有效创建了额外的传播路径，降低了信号衰减，增强了非视 Line-of-sight 环境下的信道鲁棒性。
• 结果表明，反射箔可作为实用且低成本的替代方案，用于提升太赫兹通信覆盖范围，替代智能反射面（IRS）。