[论文解读] Channel Modeling and Performance Analysis of Airplane-Satellite Terahertz Band Communications

Joonas Kokkoniemi, Josep Miquel Jornet+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 27被引用 6

一句话总结

本文提出了一种针对飞机-卫星太赫兹（THz）通信的详细信道模型，考虑了非平面地球几何结构和频率选择性太赫兹传播特性。结果表明，通过高增益天线，机载太赫兹链路的容量可高达120 Gbit/s，从而在远程飞行期间为所有乘客提供类似蜂窝网络的连接体验，尤其在高空卫星链路中表现更优。

ABSTRACT

Wireless connectivity in airplanes is becoming more important, demanded, and common. One of the largest bottlenecks with the in-flight Internet is that the airplane is far away from both the satellites and the ground base stations during most of the flight time. Maintaining a reliable and high-rate wireless connection with the airplane over such a long-range link thus becomes a challenge. Microwave frequencies allow for long link distances but lack the data rate to serve up to several hundreds of potential onboard customers. Higher bands in the millimeter-wave spectrum (30 GHz-300 GHz) have, therefore, been utilized to overcome the bandwidth limitations. Still, the per-user throughput with state-of-the-art millimeter-wave systems is an order of magnitude lower than the one available with terrestrial wireless networks. In this paper, we take a step further and study the channel characteristics for the terahertz band (THz, 0.3 THz-10 THz) in order to map the feasibility of this band for aviation. We first propose a detailed channel model for aerial THz communications taking into account both the non-flat Earth geometry and the main features of the frequency-selective THz channel. We then apply this model to estimate the characteristics of aerial THz links in different conditions. We finally determine the altitudes where the use of airplane-to-satellite THz connection becomes preferable over the airplane-to-ground THz link. Our results reveal that the capacity of the airborne THz link may reach up to 120 Gbit/s, thus enabling cellular-equivalent data rates to the passengers and staff during the entire flight.

研究动机与目标

• 为解决飞机与地面站或卫星站之间长距离、高损耗链路导致的机上宽带连接关键瓶颈问题。
• 研究太赫兹（0.3–10 THz）频段在高容量机载通信中的可行性，以克服微波和毫米波系统存在的局限性。
• 开发一个综合性的信道模型，涵盖非平面地球几何结构、大气吸收以及太赫兹频段的频率选择性特性。
• 对比飞机-卫星（A2S）与飞机-地面（A2G）太赫兹链路的性能，并确定各自的最优飞行高度。
• 在实际硬件与传播条件（包括天线增益和噪声系数）下，确定太赫兹链路的实际容量与信号质量。

提出的方法

• 为太赫兹频段开发了详细的自由空间路径损耗模型，综合考虑了分子吸收、大气衰减以及长距离传播中的几何扩展效应。
• 将非平面地球效应整合到路径损耗模型中，以准确描述高空飞机与卫星或地面站之间的长距离链路。
• 应用频率选择性信道模型，以反映太赫兹波传播的独特特性，包括高路径损耗和大气吸收峰。
• 采用实际系统参数：1 mW发射功率，5 GHz带宽，10 dB噪声系数，飞机与卫星分别使用0.5 m和1 m口径的抛物面天线。
• 基于理论链路预算和调制约束（如10⁻⁶误比特率目标下的16-QAM和BPSK），计算信噪比（SNR）与频谱效率。
• 在不同高度（0–15 km）和频率（0.3–10 THz）下评估性能，比较低轨（LEO）和地球静止轨道（GEO）卫星的A2S链路与A2G链路在不同大气条件下的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同高度和频率下，飞机-卫星太赫兹链路的路径损耗与可实现容量如何？
• RQ2 非平面地球几何结构如何影响长距离机载太赫兹通信中的信号传播？
• RQ3 在路径损耗与信噪比方面，卫星链路（A2S）在何种高度下优于地面链路（A2G）？
• RQ4 由于大气吸收与硬件限制，太赫兹通信在机载场景中的实际极限是什么？
• RQ5 高增益天线能否补偿太赫兹频段的极端路径损耗，从而实现商业机上宽带通信的可行数据速率？

主要发现

• 在500 km高度（LEO）的A2S链路在0.3 THz频率下路径损耗最低可达220 dB，存在一个交叉高度点，此时A2S链路因大气吸收更低而优于A2G链路。
• 在巡航飞行阶段，A2S链路的容量在20至60 Gbps之间，当飞机靠近地面站且链路条件最优时，峰值容量可达120 Gbit/s。
• 在高海拔（10 km以上）时，大气吸收显著降低，路径损耗减少，信噪比（SNR）提升，尤其在0.3–3 THz频段表现更优。
• 信噪比随频率升高而增加，这是由于太赫兹频段大孔径天线带来更高的有效增益，从而支持更高阶调制（如16-QAM）在10⁻⁶误比特率目标下稳定运行。
• 飞机使用0.5 m口径抛物面天线、卫星使用1 m口径抛物面天线，显著提升了有效孔径增益，有效缓解了路径损耗，使信噪比达到可行水平。
• 尽管路径损耗极高，结果证实太赫兹通信在长距离机载-卫星链路中是可行的，尤其在空间场景中，大气衰减最小化，更具优势。