1.5 THz無(wú)線(xiàn)技術(shù)

1.5.1 調(diào)制

釋放高效的THz波形和調(diào)制方案是釋放THz波段真正能量的關(guān)鍵一步。一方面，特定的波形設(shè)計(jì)可以減輕THz源和接收器的限制。另一方面，自適應(yīng)調(diào)制方案可以充分利用可用頻譜。調(diào)制方案是低復(fù)雜度和高速率物理層配置之間的折中方案。一般來(lái)說(shuō)，在較低頻率下使用的調(diào)制方案可用于THz波段，但是不能達(dá)到這些頻段所要求的性能。由于峰值的間隔隨傳輸距離而變化，傳輸窗口會(huì)發(fā)生顯著變化。考慮到傳播特性的限制，THz系統(tǒng)的物理層需要新的調(diào)制方案。

在短距離通信中，由于較高頻率的、基于載波的系統(tǒng)傾向于每個(gè)信道使用較大的頻譜帶寬，因此需要非常低復(fù)雜度與簡(jiǎn)單的調(diào)制方案。脈沖幅度調(diào)制、開(kāi)關(guān)鍵控和位置調(diào)制的THz脈沖非常短，可以利用光子和等離子體波設(shè)備產(chǎn)生和檢測(cè)。Jornet等人提出了一種脈沖調(diào)制，該方案考慮了10 mm～10 m的路徑長(zhǎng)度，用于THz波段的短程通信，采用異步脈沖作為開(kāi)關(guān)調(diào)制，在時(shí)間上進(jìn)行擴(kuò)展。

在長(zhǎng)距離時(shí)，可在THz頻譜窗口中動(dòng)態(tài)感知傳輸波形，需要距離自適應(yīng)多寬帶脈沖調(diào)制，在納米網(wǎng)絡(luò)中需要設(shè)計(jì)低功耗和緊湊的調(diào)制器。Chong H等人給出的調(diào)制方案能夠根據(jù)距離共享帶寬。在這種調(diào)制中，發(fā)射機(jī)通過(guò)考慮距離來(lái)選擇可用的窗口，然后將它們分成子窗口。之后，每個(gè)載波信號(hào)被分配給子窗口，并通過(guò)多進(jìn)制正交幅度調(diào)制進(jìn)行調(diào)制。雖然調(diào)制提供了幾個(gè)Tbps的數(shù)據(jù)速率，但控制單元復(fù)雜性很高。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，Boulogeorgos等人提出的算法可以作為降低復(fù)雜度的一種解決方案。該算法首先確定可用的傳輸帶寬，然后選擇子載波的數(shù)量和帶寬，使子載波帶寬小于相干帶寬。

THz頻段的可用帶寬非常大，會(huì)影響THz通信的安全性。因此，可以探索擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，還可以利用由于大氣衰減產(chǎn)生的獨(dú)特的THz吸收峰，防止信號(hào)傳輸遭到惡意竊聽(tīng)。

THz系統(tǒng)，尤其是納米網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)關(guān)鍵限制是能量消耗。納米器件有限的能量容量限制了用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間使用電池。為此，Vavouris等人提出了一種基于時(shí)間擴(kuò)展開(kāi)關(guān)鍵控和脈沖位置調(diào)制的新調(diào)制方案。該系統(tǒng)一個(gè)接一個(gè)地發(fā)送比特，調(diào)制以由靜默和非常短的脈沖定義的序列發(fā)送比特，從這方面來(lái)說(shuō)，它與PPM有相似之處，但符號(hào)持續(xù)時(shí)間不是常數(shù)。雖然每個(gè)比特的平均傳輸時(shí)間隨著調(diào)制順序增加而增加，但是每個(gè)比特的能量保持不變，并且數(shù)據(jù)速率通常很低。

根據(jù)Khalid等人的分析，相比多進(jìn)制頻移鍵控，多進(jìn)制QAM更適合在毫微微蜂窩系統(tǒng)中使用。Khalid指出，在長(zhǎng)達(dá)10 m的距離上，M-QAM顯示出了更好的能效，因此該方案在能量和數(shù)據(jù)速率之間會(huì)有權(quán)衡。Zarepour等人給出的另一個(gè)比較表明，與OOK和PPM相比，二進(jìn)制相移鍵控具有更高的性能和更好的能效，但是采用BPSK需要的硬件復(fù)雜度高。

分子吸收導(dǎo)致在大的通信距離上出現(xiàn)頻帶分裂和頻譜收縮，需要距離自適應(yīng)解決方案，特別是天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)和優(yōu)化資源分配標(biāo)準(zhǔn)，以應(yīng)對(duì)頻譜收縮。在THz波調(diào)制中，單載波調(diào)制比正交頻分復(fù)用更受青睞，正交頻分復(fù)用在THz波段實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜。但是在一些室內(nèi)THz場(chǎng)景中，仍然會(huì)存在一些多徑分量，因此會(huì)出現(xiàn)頻率選擇性信道。由于THz多徑分量，頻率選擇性也可能出現(xiàn)在接收機(jī)端，仍然需要多載波調(diào)制。

1.5.2 編碼

在使用較低頻率的系統(tǒng)中，信道編碼旨在最大化數(shù)據(jù)速率，以保持恒定的能耗。由于THz頻段的特性，THz系統(tǒng)的編碼需要考慮解碼功耗和發(fā)射功率。編碼和解碼過(guò)程應(yīng)具有較低的復(fù)雜度以適應(yīng)納米設(shè)備的計(jì)算能力。THz頻段在一秒內(nèi)能夠傳輸萬(wàn)億位，解碼時(shí)間也將成為信道編碼的關(guān)鍵參數(shù)之一。為了避免長(zhǎng)時(shí)間解碼，編碼可以用于防止錯(cuò)誤而不是校正。目前已有的研究表明，可以通過(guò)調(diào)整碼字的平均漢明權(quán)重來(lái)減輕干擾。

在THz隨機(jī)模型中，信道差錯(cuò)受噪聲、多徑衰落和干擾帶來(lái)的差錯(cuò)影響，需要嚴(yán)格描述信道差錯(cuò)的性質(zhì)。6G的3種主要候選編碼方案是Turbo碼、LDPC碼和極化碼。雖然Turbo碼和LDPC碼都在數(shù)據(jù)流圖上執(zhí)行，但Turbo解碼和極化解碼本質(zhì)上是串行的，而LDPC解碼本質(zhì)上是并行的。因?yàn)椴⑿刑卣鳎琇DPC解碼器提供了更高的吞吐量，而極化碼和Turbo碼在碼率和塊大小方面提供了更好的靈活性。

Turbo碼目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)超越100 Gbps的工作速率，并且希望可以實(shí)現(xiàn)Tbps的工作速率。A Sural等人使用極坐標(biāo)碼實(shí)現(xiàn)Tbps傳輸，其中低延遲多數(shù)邏輯和低復(fù)雜度連續(xù)抵消被結(jié)合用于解碼，以及對(duì)數(shù)似然比的自適應(yīng)量化方案。該方案在7 nm技術(shù)中實(shí)現(xiàn)了Tbps速率，僅占用10 mm2的芯片面積和0.37 W的功耗。

在THz系統(tǒng)中設(shè)計(jì)傳輸?shù)木幋a方案時(shí)，需要考慮THz信道的特征與需求，設(shè)計(jì)更適合THz系統(tǒng)的編碼方案，考慮編解碼功耗、復(fù)雜度與解碼時(shí)間等性能指標(biāo)。在聯(lián)合調(diào)制、編碼、檢測(cè)算法和架構(gòu)中，也需要針對(duì)THz系統(tǒng)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.5.3 多天線(xiàn)

在THz通信系統(tǒng)中，雖有較寬的帶寬，但也產(chǎn)生了較大的路徑損耗，而采用數(shù)千個(gè)天線(xiàn)的超大規(guī)模MIMO技術(shù)被認(rèn)為是補(bǔ)償路徑損耗的解決方案之一。因?yàn)楦咻d波頻率下的天線(xiàn)尺寸更小，因此可以有更高的集成度。預(yù)計(jì)超過(guò)10000個(gè)天線(xiàn)可以被嵌入到單個(gè)THz基站中，以同時(shí)提供數(shù)百個(gè)超窄波束，從而克服高傳播損耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)極高的流量容量和連通性。在設(shè)計(jì)中，需要高效的波束形成和波束控制技術(shù)，以及低復(fù)雜度的預(yù)編碼和組合算法以提高THz-MIMO的性能。在6G時(shí)代，工作在毫米波頻率及以下的全數(shù)字陣列技術(shù)將很成熟，并能夠?qū)崿F(xiàn)接近最佳的波束形成性能，但是在sub-THz和THz頻率下的這項(xiàng)技術(shù)還并不成熟。THz領(lǐng)域混合波束與毫米波領(lǐng)域非常相似，但THz波段更為復(fù)雜，并且具有較高的功耗。

1.THz頻率下MIMO信道建模

與微波頻率不同，多徑傳播在THz波段非常弱，因?yàn)槌藳](méi)有衍射，大多數(shù)表面的粗糙度與波長(zhǎng)相當(dāng)，這將會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的散射和反射損失。在微波頻率，NLoS路徑會(huì)增加空間復(fù)用率，LoS會(huì)阻礙空間復(fù)用，因此在THz頻率下空間復(fù)用利用率較低。

在描述固有的信道特征時(shí)，連接第m個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和第n個(gè)接收天線(xiàn)的信道的幅度和相位由相應(yīng)的距離Dmn決定。在合理的條件下，陣列孔徑相對(duì)于它們的距離很小，因此所有距離都可以認(rèn)為近似，這些響應(yīng)的幅度也被認(rèn)為是相同的。相反，信道響應(yīng)的相位不能被認(rèn)為是均勻的，因?yàn)榧词刮⑿〉木嚯x變化也可能引起明顯的相位差。因此，LoS信道表示采用矩陣形式，該矩陣包含每個(gè)發(fā)射接收天線(xiàn)對(duì)的響應(yīng)相位。雖然平面波陣面近似完全適用于微波頻率，但是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)很小，傳輸距離很短，所以陣列上的波曲率不再可以忽略不計(jì)，平面波陣列也將不再適用于THz頻段。這種曲率產(chǎn)生了更豐富的相位變化模式，賦予了LoS信道矩陣高秩。陣列上的波曲率效應(yīng)在THz波段變得非常明顯，因此可以通過(guò)仔細(xì)排列每個(gè)陣列中的天線(xiàn)來(lái)設(shè)計(jì)信道矩陣。信道矩陣將不是由多徑傳播的不確定性決定的，而是由純粹的幾何形狀決定的。

在對(duì)THz-MIMO信道建模時(shí)，需要考慮單個(gè)納米天線(xiàn)的性能、不同天線(xiàn)之間的相互耦合響應(yīng)及它們的動(dòng)態(tài)控制，還需要考慮THz頻率下傳播、分子吸收、反射和散射的影響。C.Han等人設(shè)計(jì)THz-MIMO信道模型時(shí)考慮了THz波段的LoS與NLoS特性，并考慮了子陣列之間的耦合效應(yīng)。利用光線(xiàn)跟蹤技術(shù)設(shè)計(jì)了THz-MIMO信道模型，該模型考慮了THz波段的傳播、納米天線(xiàn)陣列因子和相鄰納米天線(xiàn)之間的相互耦合。第（mt，nt）個(gè)發(fā)射子陣列和第（mr，nr）個(gè)接收子陣列之間的頻率響應(yīng)表示為：

其中，是路徑增益，at和ar分別為發(fā)射和接收天線(xiàn)的操縱子陣列，Gr和Gt分別是發(fā)射和接收天線(xiàn)的增益，?t和?r是方位角，θt和θr是仰角。其中，路徑增益取決于該路徑是LoS路徑，還是反射路徑，可以表示為：

其中，LoS路徑的損耗表示為：

LoS路徑的到達(dá)時(shí)間為τLoS=。κ（f）是頻率選擇性的，表示部分波能被轉(zhuǎn)換成傳播介質(zhì)中分子的內(nèi)部動(dòng)能所導(dǎo)致的衰減。反射波束的路徑增益αRe f由式（1-23）給出：

其中，R為反射系數(shù)，r1表示發(fā)射器和反射器之間的距離，r2表示反射器和接收器之間的距離，τRef=τLoS+（r1+r2-d）/c是反射波束的到達(dá)時(shí)間。

子陣列操縱矢量因相互耦合效應(yīng)而失真，并受到子陣列中天線(xiàn)元件相移的影響。發(fā)射和接收的子陣列導(dǎo)向矢量表示為：

其中，分別表示石墨烯基納米天線(xiàn)陣列在發(fā)射和接收時(shí)的互耦矩陣。Nsa=Q×Q是每個(gè)子陣列中的天線(xiàn)數(shù)量。a0代表均勻平面陣列中的理想子陣列操縱矢量。

2.混合波束形成

雖然THz通信具有準(zhǔn)光學(xué)特性，但它們保留了幾個(gè)微波特性，因此仍然可以使用UM-MIMO天線(xiàn)陣列處理技術(shù)來(lái)支持有效的波束形成。在THz-MIMO中，需要對(duì)超大規(guī)模天線(xiàn)陣列進(jìn)行分組與控制，以實(shí)現(xiàn)頻譜效率、能量效率和距離增強(qiáng)之間的性能權(quán)衡。波束形成架構(gòu)包括模擬、數(shù)字和混合架構(gòu)，利用波束形成可以將高度定向的輻射導(dǎo)向最強(qiáng)的傳播路徑。另外，通過(guò)結(jié)合多個(gè)數(shù)據(jù)流、多個(gè)射頻鏈和高稀疏性THz信道的空間自由度，UM-MIMO可以結(jié)合波束形成實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用以增強(qiáng)容量。

在波束形成架構(gòu)中，混合波束架構(gòu)在良好的頻譜效率、硬件復(fù)雜度和能效之間有較好的平衡。在混合波束形成中，信號(hào)處理通過(guò)移相器網(wǎng)絡(luò)解耦為數(shù)字基帶和射頻部分。根據(jù)射頻鏈和天線(xiàn)之間的連接關(guān)系，混合波束可進(jìn)一步分為全連接結(jié)構(gòu)與子陣列結(jié)構(gòu)。對(duì)于全連接結(jié)構(gòu)，射頻鏈通過(guò)單獨(dú)的移相器連接所有天線(xiàn)；對(duì)于子陣列結(jié)構(gòu)，射頻鏈唯一地驅(qū)動(dòng)一個(gè)不相交的天線(xiàn)子集，每一個(gè)天線(xiàn)都連接到一個(gè)專(zhuān)用的移相器。對(duì)于全連接結(jié)構(gòu)，不同射頻鏈可以共享天線(xiàn)。子陣列結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)天線(xiàn)只能被一個(gè)特定的射頻鏈訪(fǎng)問(wèn)。子陣列結(jié)構(gòu)又包括固定自適應(yīng)子陣列和動(dòng)態(tài)子陣列，因此混合架構(gòu)可分為全連接、固定自適應(yīng)子陣列和動(dòng)態(tài)自適應(yīng)子陣列，如圖1.7所示。

由于THz功率限制，全連接配置中功率消耗組合器和移相器的數(shù)量多，功率消耗較大。模擬波束形成是利用每個(gè)SA中的大量天線(xiàn)組來(lái)實(shí)現(xiàn)空間能量聚焦。由于THz移相器可以進(jìn)行數(shù)字控制，因此，射頻鏈可以使用波束控制碼本，通過(guò)波束掃描來(lái)確保特定用戶(hù)接收到的信號(hào)功率最大。

SA進(jìn)行數(shù)字預(yù)編碼可以用來(lái)對(duì)抗多用戶(hù)干擾。預(yù)編碼問(wèn)題可以被公式化為優(yōu)化問(wèn)題，該優(yōu)化問(wèn)題在功率約束下最小化接收信號(hào)和發(fā)送符號(hào)之間的均方誤差。在一些THz場(chǎng)景中，使用簡(jiǎn)單的基帶迫零預(yù)編碼即可實(shí)現(xiàn)較好的優(yōu)化效果。但在高度相關(guān)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)THz鏈路中，使用非線(xiàn)性預(yù)編碼技術(shù)有較好的效果。相比來(lái)說(shuō)，DAoSA配置的能效優(yōu)于全連接配置。

如何找到最佳的子載波分配以提高頻譜效率，是THz-MIMO波束形成中面臨的重要問(wèn)題。在全連接架構(gòu)中，建立動(dòng)態(tài)全連接需要徹底搜索射頻鏈和SA之間的所有可能，具有一定的復(fù)雜性、較大的功耗，以及較高的靈活性。可以在DAoSA架構(gòu)中插入開(kāi)關(guān)，以調(diào)整SA和射頻鏈之間的連接情況。為了實(shí)現(xiàn)靈活性與頻譜效率之間的折中，有研究者提出了接近最優(yōu)和低復(fù)雜度的THz混合預(yù)編碼算法，將設(shè)計(jì)問(wèn)題分為兩個(gè)子問(wèn)題，即混合DAoSA預(yù)編碼問(wèn)題和開(kāi)關(guān)選擇問(wèn)題。

隨著THz石墨烯電路的發(fā)展，THz波束形成也支持石墨烯THz電路。有研究者提出了一種基于石墨烯的密集天線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)元件由THz等離子體源、直接信號(hào)調(diào)制器和納米天線(xiàn)組成。針對(duì)這種結(jié)構(gòu)，研究者提出了單個(gè)陣列域集成陣列的新型動(dòng)態(tài)波束形成方案，其中全相位和振幅權(quán)重控制可以通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)調(diào)制器和天線(xiàn)組的費(fèi)米能量實(shí)現(xiàn)。費(fèi)米能量調(diào)諧的碼本設(shè)計(jì)方案可以獲得精確的波束形成和波束控制。陣列的功率密度隨陣列尺寸的增大而非線(xiàn)性增大。可控THz頻率相關(guān)相移器可通過(guò)低損耗傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)，傳輸鏈路的長(zhǎng)度決定信號(hào)傳播時(shí)間，并決定了相移。石墨烯和液晶已被提議用于磁控或壓控THz移相器。

未來(lái)的THz網(wǎng)絡(luò)還需要考慮其他波束形成因素。在無(wú)小區(qū)大規(guī)模MIMO場(chǎng)景中，分布式接入點(diǎn)在移動(dòng)場(chǎng)景下向用戶(hù)提供超過(guò)100 GHz的帶寬，需要解決嚴(yán)重阻塞場(chǎng)景下的THz通信問(wèn)題。有研究者解決了在毫米波和THz波段的UM-MIMO場(chǎng)景下移動(dòng)性和阻塞問(wèn)題，提出波束同步來(lái)減輕信道多普勒和延遲色散，預(yù)編碼波束域功率分配被簡(jiǎn)化為網(wǎng)絡(luò)和速率最大化問(wèn)題。

3.UM-MIMO中的寬帶波束跟蹤

要實(shí)現(xiàn)預(yù)編碼，準(zhǔn)確的信道信息至關(guān)重要。信道信息可以通過(guò)信道估計(jì)來(lái)獲得。然而，由于信道信息的大尺寸，傳統(tǒng)的信道估計(jì)方案將在THz大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中導(dǎo)致不可接受的信道估計(jì)開(kāi)銷(xiāo)，而波束訓(xùn)練方案可以避免這種開(kāi)銷(xiāo)。波束訓(xùn)練方案通過(guò)在基站和用戶(hù)之間使用定向波束進(jìn)行訓(xùn)練來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)用戶(hù)準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)，基于波束選擇的預(yù)編碼方法能夠?qū)崿F(xiàn)接近最優(yōu)的可實(shí)現(xiàn)總和。移動(dòng)用戶(hù)的最佳波束由于波束寬度窄而變化很快，因此必須頻繁地執(zhí)行波束訓(xùn)練過(guò)程，而這將導(dǎo)致較高的波束訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo)。通過(guò)設(shè)計(jì)有效的波束跟蹤方案，可以減少移動(dòng)用戶(hù)的波束訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo)。

現(xiàn)有的波束跟蹤方案可以分為兩類(lèi)：第一類(lèi)主要依賴(lài)于用戶(hù)移動(dòng)模型；第二類(lèi)是基于碼本的波束跟蹤。

對(duì)于第一類(lèi)波束跟蹤方案，關(guān)鍵問(wèn)題是如何對(duì)用戶(hù)進(jìn)行移動(dòng)性建模。具體來(lái)說(shuō)，假設(shè)用戶(hù)移動(dòng)過(guò)程滿(mǎn)足一階高斯馬爾可夫模型，可以使用一種擴(kuò)展卡爾曼濾波方法來(lái)跟蹤最佳波束。為了提高波束跟蹤精度，可將用戶(hù)移動(dòng)過(guò)程進(jìn)一步公式化為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并采用改進(jìn)的無(wú)跡卡爾曼濾波器來(lái)更精確地跟蹤信道角度。但這類(lèi)波束跟蹤方案高度依賴(lài)于作為先驗(yàn)的用戶(hù)移動(dòng)模型，而在THz大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，用戶(hù)移動(dòng)模型不一定準(zhǔn)確，并且不容易獲得。

第二類(lèi)波束跟蹤方案為基于碼本的波束訓(xùn)練算法設(shè)計(jì)，碼本中的每個(gè)碼字確定一個(gè)定向波束。例如，通過(guò)單側(cè)窮盡訓(xùn)練過(guò)程可在包含潛在波束的波束碼本中搜索最佳波束。可以使用分級(jí)碼本減輕大碼本尺寸引起的波束訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo)，分級(jí)碼本由具有不同角度覆蓋的不同波束碼字組成。基于碼本的波束跟蹤方案已經(jīng)在毫米波UM-MIMO系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

在寬帶THz大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，由于混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)不能減輕嚴(yán)重的波束分裂效應(yīng)，這些方案將遭受?chē)?yán)重的性能退化。高效的寬帶波束跟蹤方案對(duì)于寬帶THz UM-MIMO系統(tǒng)至關(guān)重要。寬帶THz UM-MIMO的寬帶波束跟蹤問(wèn)題需要更好的解決方案。