[论文解读] Channel Measurement and Path-Loss Characterization for Low-Terahertz Indoor Scenarios

Jia He, Yi Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文在室内环境中对140 GHz和220 GHz频段进行了宽带信道测量，建立了单频带和多频带路径损耗模型以表征大尺度衰落。ABG模型优于CIF模型，相干波束合并技术在非视 Line-of-sight (NLoS) 场景下将路径损耗指数从2.59降低至1.36。

ABSTRACT

TeraHertz (THz) communications are envisioned as a promising technology, owing to its unprecedented multi-GHz bandwidth. In this paper, wideband channel measurement campaigns at 140 GHz and 220 GHz are conducted in indoor scenarios including a meeting room and an office room. Directional antennas are utilized and rotated for resolving the multi-path components (MPCs) in the angular domain. Comparable path loss values are achieved in the 140 and 220 GHz bands. To investigate the large-scale fading characteristics for indoor THz communications, single-band close-in path loss models are developed. To further analyze the dependency on the frequency, two multi-band path loss models are analyzed, i.e., alpha-beta-gamma (ABG) and multi-frequency CI model with a frequency-weighted path loss exponent (CIF), between which the ABG model demonstrates a better fit with the measured data. Moreover, a coherent beam combination that constructively sums the signal amplitudes from various arrival directions can significantly reduce the path loss, in contrast with a non-coherent beam combination.

研究动机与目标

• 表征140 GHz和220 GHz频段在低太赫兹室内信道中的大尺度衰落特性。
• 基于实测数据，开发单频带和多频带路径损耗模型。
• 评估波束合并技术在非视 Line-of-sight (NLoS) 条件下对路径损耗的影响。
• 分析路径损耗的频率依赖性，并识别波导传播等环境因素的影响。

提出的方法

• 使用矢量网络分析仪在140 GHz（13 GHz带宽）和220 GHz（8 GHz带宽）频段进行超宽带信道探测。
• 采用定向喇叭天线并进行受控的角扫描（10°步进），以分辨方位角和俯仰角方向的多径分量。
• 对测量系统进行校准，以消除硬件引起的失真和路径损耗偏差。
• 通过在扫描角度上对平均信道传输函数（CTF）进行处理，推导出全向和最佳方向的路径损耗模型。
• 评估两种多频带路径损耗模型：α-β-γ（ABG）模型和多频带准近点（CIF）模型（采用频率加权指数）。
• 通过将来自多个方向的信号幅度或功率相加，对比相干与非相干波束合并技术对降低路径损耗的效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室内会议室、办公区、走廊及非视 Line-of-sight (NLoS) 场景中，140 GHz与220 GHz频段的路径损耗特性有何差异？
• RQ2 在低太赫兹室内信道中，ABG模型与CIF模型哪一个更符合实测数据？
• RQ3 在非视 Line-of-sight (NLoS) 条件下，相干波束合并相比非相干波束合并在多大程度上降低了路径损耗？
• RQ4 环境因素（如波导效应和墙体反射）对路径损耗指数有何影响？

主要发现

• 在走廊场景中，路径损耗指数（PLE）最低（140 GHz时为1.86），归因于类似波导的传播效应。
• 220 GHz频段的PLE高于140 GHz频段，证实了在室内环境中路径损耗具有正向频率依赖性。
• ABG模型对实测数据的拟合效果更优，R²值范围为0.80至0.91，优于CIF模型（R²值范围为0.52至0.89）。
• 在140 GHz频段的NLoS场景下，相干波束合并将PLE从2.59降低至1.36（当合并五个最强波束时）。
• 非相干波束合并在使用五个波束时导致更高的PLE（2.01），表明信号合并效率较低。
• 随着合并波束数量增加，阴影衰落标准差降低，相干合并下从N=1时的5.72 dB降至N=5时的3.10 dB。