[论文解读] THz Band Channel Measurements and Statistical Modeling for Urban Microcellular Environments

Naveed A. Abbasi, Jorge Gomez‐Ponce+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 6

一句话总结

本论文首次在145–146 GHz频段对城市微蜂窝环境进行了广泛带宽、双向信道测量，发射机高度为11.5 m，分析了路径损耗、阴影衰落、时延扩展、角扩展及多径分量分布。研究为视 Line-of-Sight (LoS) 和非视 Line-of-Sight (NLoS) 条件下提供了统计拟合模型，为6G太赫兹系统设计与仿真提供了基础框架，覆盖20–85 m距离范围。

ABSTRACT

The THz band (0.1-10 THz) has attracted considerable attention for next-generation wireless communications, due to the large amount of available bandwidth that may be key to meet the rapidly increasing data rate requirements. Before deploying a system in this band, a detailed wireless channel analysis is required as the basis for proper design and testing of system implementations. One of the most important deployment scenarios of this band is the outdoor microcellular environment, where the Transmitter (Tx) and the Receiver (Rx) have a significant height difference (typically $ \ge 10$ m). In this paper, we present double-directional (i.e., directionally resolved at both link ends) channel measurements in such a microcellular scenario encompassing street canyons and an open square. Measurements are done for a 1 GHz bandwidth between 145-146 GHz and an antenna beamwidth of 13 degree; distances between Tx and Rx are up to 85 m and the Tx is at a height of 11.5 m from the ground. The measurements are analyzed to estimate path loss, shadowing, delay spread, angular spread, and multipath component (MPC) power distribution. These results allow the development of more realistic and detailed THz channel models and system performance assessment.

研究动机与目标

• 为解决室外城市微蜂窝环境中高架发射机的完整太赫兹信道测量缺乏的问题。
• 在真实城市条件下，表征关键信道参数——路径损耗、阴影衰落、时延扩展、角扩展及多径分量功率分布。
• 在145–146 GHz频段内，为视 Line-of-Sight (LoS) 和非视 Line-of-Sight (NLoS) 传播建立统计验证的模型。
• 通过基于真实测量数据的、现实可信的信道模型，为未来6G系统设计与性能评估提供支持。

提出的方法

• 在真实城市环境中，针对26对Tx-Rx位置，使用1 GHz带宽在145–146 GHz频段进行双向信道探测。
• 采用波束宽度为13°的定向喇叭天线，实现在发射端和接收端的方向分辨测量。
• 采集近110,000个方向性信道冲激响应，以支持关键信道参数的统计分析。
• 应用线性回归，对全向接收和最大功率波束模式下的距离相关路径损耗进行建模。
• 对测量参数拟合统计分布（如阴影衰落使用对数正态分布，多径使用瑞利/Ricean分布），并计算置信区间。
• 采用优化最小二乘法（OLS）和最大似然估计（MLE）以优化模型参数，提升拟合精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在城市微蜂窝环境中，当发射机高度≥11.5 m时，太赫兹频段的路径损耗如何随距离变化？
• RQ2 在145–146 GHz频段下，LoS与NLoS场景中阴影衰落和多径分量功率的统计分布特性如何？
• RQ3 在城市街道峡谷和开阔广场中，角扩展和时延扩展如何随传播距离和链路状态（LoS vs. NLoS）变化？
• RQ4 全向接收与最大功率波束测量在太赫兹信道的统计特性上有多大差异？
• RQ5 标准统计模型（如对数正态阴影衰落、瑞利/Ricean衰落）在本场景中对实测太赫兹信道数据的拟合程度如何？

主要发现

• LoS条件下，路径损耗遵循距离相关模型，全向接收的斜率为1.93 dB/十倍频程，最大功率波束方向的斜率为1.88 dB/十倍频程。
• NLoS条件下，最大功率波束接收的路径损耗斜率更陡，达2.57 dB/十倍频程，表明遮挡导致路径损耗更高，且波束成形增益降低。
• 阴影衰落标准差：LoS时发射端为0.08 dB，接收端为0.18 dB；NLoS时分别增至0.18 dB（发射端）和0.19 dB（接收端），表明非视 Line-of-Sight 链路的波动性更高。
• 时延扩展在LoS中显著低于NLoS：全向接收时στ_omni = 4.25 dB，最大功率波束方向στ_max-dir = 1.95 dB；NLoS中分别为στ_omni = 4.66 dB 和 στ_max-dir = 4.33 dB，表明NLoS中多径聚集导致更大波动。
• 多径分量（MPC）功率分布显示存在显著的LoS分量，最大功率波束LoS的K因子为14.72，NLoS为10.57，表明LoS中主导镜面路径，而NLoS中环境更弥散。
• 统计模型参数（包括路径损耗和阴影衰落）已通过置信区间拟合，适用于20 m至85 m距离范围，基于26个测量位置和约110,000个信道冲激响应。