在亞太赫茲和毫米波頻段下人體阻擋的實驗評估

核心概念

本研究通過實驗量測並建立模型，分析了人體阻擋對亞太赫茲和毫米波頻段無線通訊的影響，發現隨著頻率增加和距離縮短，人體阻擋造成的訊號衰減會顯著增加。

摘要

研究背景

• 第五代 (5G) 和未來第六代 (6G) 無線系統考慮使用毫米波 (mmWave)、亞太赫茲 (sub-THz) 和太赫茲 (THz) 頻段，以滿足嚴格的規格要求。
• 與低頻系統相比，亞太赫茲和太赫茲頻段的電磁波繞射效應較弱，散射效應更為顯著，導致鏡面反射分量較弱。
• 由於上述特性以及太赫茲區域天線尺寸減小，通訊必須依賴視線 (LoS) 傳播，而人體容易阻擋 LoS 訊號。

研究方法

• 本研究在 75 GHz 至 215 GHz 頻段內進行人體阻擋 LoS 訊號的實驗，探討頻率、天線間距離、阻擋者方向和人體差異對阻擋效應的影響。
• 測量在室內實驗室進行，發射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 距離為 1、1.75 和 2.5 公尺，高度為 1 公尺。
• 兩名受試者以 45 公分/秒的速度橫穿 Tx-Rx 鏈路的中點，模擬人體阻擋。
• 使用標準增益喇叭天線 (SGHs) 和向量網路分析儀 (VNA) 進行測量。
• 透過移除快速衰落效應，計算出阻擋增益 (BG) 參數，並使用修改後的經典路徑損耗模型對其進行建模。

研究結果

• 阻擋增益隨著頻率增加而降低，從 75 GHz 的 -43.0 dB 降低到 215 GHz 的 -59.7 dB。
• 阻擋增益隨著天線間距離增加而增加，從 1 公尺的 -59.5 dB 增加到 2.5 公尺的 -41.2 dB。
• 不同受試者和阻擋者方向也會影響阻擋增益。
• 修改後的經典路徑損耗模型（如浮動截距模型、近距離模型、Alpha-beta-gamma 模型和具有頻率相關項的近距離模型）能夠準確描述阻擋增益。
• 與基於幾何形狀的 3GPP 模型相比，修改後的經典路徑損耗模型具有更高的準確性和更低的複雜度。

研究結論

• 人體阻擋對亞太赫茲和毫米波頻段無線通訊的影響顯著，尤其是在高頻和短距離的情況下。
• 修改後的經典路徑損耗模型可以有效地描述阻擋增益，為未來 D2D、BAN 和 PAN 通訊系統的開發提供參考。

统计

阻擋增益在 75 GHz 時為 -43.0 dB，在 215 GHz 時為 -59.7 dB。
天線間距離從 1 公尺增加到 2.5 公尺時，阻擋增益增加 18.3 dB。
不同受試者造成的阻擋增益差異為 7.2 dB。
正面阻擋和側面阻擋的阻擋增益差異為 4.6 dB。
頻率損耗指數約為 30 dB/decade。
距離增益因子約為 12 dB/m。

引用

"These new frequencies open up challenging scenarios where communications shall rely on a major contribution such as the line-of-sight (LoS) component."
"Since the radius of the first Fresnel zone is proportional to the wavelength, the human body can easily block the LoS."
"Quantify the blockage effects in the sub-THz and THz bands is fundamental on the development of personal area network (PAN) and body area network (BAN) systems in future cellular generations."

从中提取的关键见解

Experimental Assessment of Human Blockage at sub-THz and mmWave Frequency Bands

by Juan... 在 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13191.pdf

更深入的查询

未來如何利用波束成形或其他技術來減輕人體阻擋對亞太赫茲和毫米波頻段無線通訊的影響？

亞太赫茲和毫米波頻段由於其波長短，更容易被人體阻擋，導致訊號衰減。為了減輕這種影響，未來可以利用以下技術：

波束成形 (Beamforming): 波束成形技術可以將無線電波集中在一個狹窄的波束中，直接指向接收器。這種技術可以繞過人體阻擋物，提高訊號強度和可靠性。未來可以發展更先進的波束成形技術，例如動態波束成形，根據人體移動即時調整波束方向，進一步降低阻擋影響。
多輸入多輸出 (MIMO): MIMO 技術使用多個發送和接收天線來建立多個空間通道，提高資料傳輸速率和可靠性。在亞太赫茲和毫米波頻段，可以使用大規模 MIMO 技術，部署大量天線來形成更窄的波束，提高繞射能力，降低人體阻擋的影響。
中繼技術 (Relaying): 在發送器和接收器之間部署中繼站，可以有效擴展無線通訊覆蓋範圍，並繞過人體阻擋物。未來可以發展智慧中繼技術，根據通道狀況動態選擇最佳中繼路徑，提高訊號傳輸效率。
反射和散射 (Reflection and Scattering): 利用牆壁、天花板等環境表面反射和散射無線電波，可以繞過人體阻擋物，將訊號傳輸到接收器。未來可以結合通道狀態資訊和環境資訊，開發更精確的反射和散射模型，優化訊號傳輸路徑。
除了上述技術，未來還可以結合人工智慧 (AI) 技術，開發更智慧的無線通訊系統，預測和適應人體阻擋等通道變化，提高通訊品質。

如果將實驗場景移至室外環境，人體阻擋效應是否會有所不同？

將實驗場景移至室外環境，人體阻擋效應會與室內環境有所不同，主要體現在以下幾個方面：

阻擋物種類和密度: 室外環境阻擋物種類更多，除了人體，還有樹木、建築物、車輛等。阻擋物密度也可能比室內環境更高，尤其在人群密集的區域。
移動性: 室外環境人體和阻擋物移動性更高，移動速度和方向也更難預測，這會導致訊號衰減更加複雜和難以預測。
多路徑傳播: 室外環境建築物等阻擋物會造成更嚴重的多路徑傳播，導致訊號衰落和干擾。
天氣影響: 室外環境天氣因素，例如雨、雪、霧等，會對亞太赫茲和毫米波頻段訊號造成衰減，進一步影響人體阻擋效應。
總體而言，室外環境人體阻擋效應更加複雜，需要考慮更多因素。未來需要進行更多室外實驗，建立更精確的通道模型，才能更好地評估和減輕人體阻擋對亞太赫茲和毫米波頻段無線通訊的影響。

人體阻擋效應的研究成果如何應用於其他領域，例如醫學影像或安全檢查？

人體阻擋效應的研究成果不僅對無線通訊領域有重要意義，還可以應用於其他領域，例如：

醫學影像 (Medical Imaging): 亞太赫茲和毫米波可以穿透人體組織，但會被人體組織中的水分和其他物質吸收和散射。通過分析人體阻擋效應，可以更準確地重建人體內部結構，提高醫學影像的解析度和準確性。例如，可以利用亞太赫茲波成像技術檢測皮膚癌、乳腺癌等疾病。
安全檢查 (Security Screening): 亞太赫茲波可以穿透衣物和其他非金屬材料，但會被人體和隱藏的危險物品阻擋。通過分析人體阻擋效應，可以更有效地識別隱藏的武器、爆炸物等危險物品，提高安全檢查的效率和準確性。例如，可以使用亞太赫茲波安檢儀在機場、車站等場所進行安全檢查。
非接觸式感測 (Non-contact Sensing): 亞太赫茲波可以感測人體的呼吸、心跳等生理訊號，以及人體的動作和姿態。通過分析人體阻擋效應，可以開發更靈敏、更可靠的非接觸式感測技術，應用於醫療保健、運動監測、人機交互等領域。
總之，人體阻擋效應的研究成果具有廣泛的應用前景。隨著亞太赫茲和毫米波技術的發展，相信未來會有更多創新應用湧現。