太赫茲無線組網(wǎng)：原理、現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

周天航，楊闖，劉子樂，彭木根，于麗

（1.北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876； 2.北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

1 引言

隨著5G移動通信商業(yè)化進(jìn)程加快，世界各國已逐漸開啟下一代移動通信技術(shù)研究，如AI使能6G智簡接入網(wǎng)技術(shù)和意圖驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。在當(dāng)前sub-6 GHz和5G毫米波頻段，這些技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)Gbit/s量級通信速率[2]，無法滿足6G速率需求。未來局域網(wǎng)和個域網(wǎng)速率將達(dá)到幾十Gbit/s；虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）流暢運(yùn)行的最低速率高達(dá)10 Gbit/s；高清視頻和3D視頻傳輸速率分別高達(dá)24 Gbit/s和100 Gbit/s。容量方面，未來6G網(wǎng)絡(luò)將支持萬億量級的設(shè)備連接，與5G相比提高10～1 000倍。為滿足6G通信速率和容量需求，擁有海量帶寬資源的太赫茲（0.1～10 THz）和可見光通信備受關(guān)注，均成為6G關(guān)鍵候選頻譜技術(shù)。目前，太赫茲大功率器件和大規(guī)模陣列等核心通信硬件尚存在缺陷，使得室內(nèi)場景下可見光具備覆蓋范圍更廣的優(yōu)勢。而相比可見光通信，太赫茲可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)覆蓋、穿透云霧和塵埃，且抗干擾能力強(qiáng)。因此太赫茲室內(nèi)多點(diǎn)接入和室外通信技術(shù)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

2013年美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DAPRA）在0.5 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了世界上最高速率太赫茲通信，載波頻率100 GHz，速率200 Gbit/s[3]；2017年中國工程物理研究院實(shí)現(xiàn)世界上最遠(yuǎn)距離太赫茲通信，載波頻率140 GHz，距離21 km，速率5 Gbit/s[4]。但受制于太赫茲射頻器件發(fā)射功率低、大規(guī)模天線陣列增益低，這些研究無法支撐大規(guī)模多輸入多輸出（massive multiple-input multiple-output，Massive MIMO）通信[5]，使得面向太赫茲窄波束定向天線的新型無線組網(wǎng)技術(shù)成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文首先介紹了太赫茲通信的應(yīng)用場景及需求，包括室內(nèi)組網(wǎng)和室外組網(wǎng)；然后面向場景需求，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、媒體接入控制（media access control，MAC）層協(xié)議和鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)等窄波束通信關(guān)鍵技術(shù)角度綜述了太赫茲無線組網(wǎng)的研究現(xiàn)狀；最后分析討論了當(dāng)前太赫茲無線組網(wǎng)面臨的問題與挑戰(zhàn)，描述了未來可能的研究方向。

2 太赫茲無線組網(wǎng)應(yīng)用場景

太赫茲無線組網(wǎng)性能需求見表1，太赫茲無線組網(wǎng)分為室內(nèi)和室外兩種場景。這些場景在覆蓋范圍、數(shù)據(jù)速率、時延、連接性和誤碼率（bit error rate, BER）方面均有差異。這些差異主要取決于6G網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接的深度：6G無線通信網(wǎng)絡(luò)面向全業(yè)務(wù)，針對不同組網(wǎng)場景確定更加開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)通信、感知、計算能力的融合。在此基礎(chǔ)上，萬物連接與交互性能構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的深度連接[6]。

表1 太赫茲無線組網(wǎng)性能需求

2.1 室內(nèi)應(yīng)用場景

室內(nèi)太赫茲無線組網(wǎng)場景可根據(jù)覆蓋范圍大小分為太赫茲無線局域網(wǎng)（terahertz wireless local area network，TLAN）、太赫茲無線個域網(wǎng)（terahertz wireless personal area network，TPAN）和信息淋?。╥nformation shower，IS）3類場景。

TLAN和TPAN場景如圖1所示[11]，覆蓋范圍需求分別為小于50 m和小于20 m，速率達(dá)100 Gbit/s。與傳統(tǒng)低頻WLAN相比，網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)（access point，AP）可使用子陣列天線結(jié)構(gòu)（sub-array antenna structure）同時向不同方向的多用戶發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備（如個人計算機(jī)、手機(jī)終端與智能可穿戴設(shè)備）之間的高速率通信。IS指在小于5 m的覆蓋范圍內(nèi)，滿足一定移動性的前提下實(shí)現(xiàn)短距離Tbit/s量級通信，主要針對文件和視頻流等數(shù)據(jù)的預(yù)提取[7]。

圖1 TLAN和TPAN場景[11]

太赫茲無線組網(wǎng)能夠?yàn)槭覂?nèi)通信提供高速率和移動性保障，顯著提升室內(nèi)高質(zhì)量視頻的傳輸能力，例如高清全息視頻會議、超高分辨率視頻文件下載和VR技術(shù)應(yīng)用等。然而節(jié)點(diǎn)移動性嚴(yán)重制約室內(nèi)太赫茲通信鏈路的可靠性。

2.2 室外應(yīng)用場景

室外太赫茲無線組網(wǎng)場景非常廣泛，包括超密集微小區(qū)、車聯(lián)網(wǎng)、軍事通信和空間通信等。

太赫茲蜂窩網(wǎng)覆蓋場景如圖2所示。太赫茲接入節(jié)點(diǎn)（THz access point，THz-AP）覆蓋密集微小區(qū)，覆蓋范圍達(dá)10～15 m，為諸如運(yùn)動場、演唱會和旅游景點(diǎn)等熱點(diǎn)地區(qū)的移動用戶提供大規(guī)模高清直播、3D全息通信等業(yè)務(wù)。太赫茲定向鏈路可用于微小區(qū)超高速無線回傳，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量?？梢灶A(yù)見，由于太赫茲路徑損耗大、熱點(diǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密集且移動性高，太赫茲超密集微小區(qū)仍需使用大規(guī)模天線陣列或其他新型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持網(wǎng)絡(luò)移動通信。為克服用戶移動和非視距傳輸帶來的問題，未來太赫茲蜂窩網(wǎng)發(fā)展方向有兩個：借助智能天線和反射器，將反射的太赫茲信號指向用戶密度高的地區(qū)；與低頻融合組網(wǎng)，利用宏基站實(shí)現(xiàn)低頻覆蓋、太赫茲定向鏈路實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。

圖2 太赫茲蜂窩網(wǎng)場景

太赫茲車聯(lián)網(wǎng)通信場景如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍需求大于100 m。作為面向6G的分布式網(wǎng)絡(luò)，除高速率和低時延需求外，太赫茲車聯(lián)網(wǎng)還需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信和車輛高速移動管理，亟須通過太赫茲組網(wǎng)提升網(wǎng)絡(luò)性能。車輛在駕駛過程中需處理龐雜的地圖和道路信息，因此太赫茲車聯(lián)網(wǎng)場景的突出特點(diǎn)之一是超短鏈路時延和龐大數(shù)據(jù)傳輸共存。太赫茲車聯(lián)網(wǎng)按業(yè)務(wù)類型可分為車－車（vehicle to vehicle，V2V）場景和車－設(shè)施（vehicle to infrastructure，V2I）場景。在V2V場景中，相鄰車輛之間可通過太赫茲鏈路實(shí)現(xiàn)感知信息共享[12]，車輛利用共享信息建立自身周邊交通情況的衛(wèi)星視圖，顯示盲點(diǎn)區(qū)域的隱藏物體，從而避免與其他車輛和人員的碰撞。在V2I場景中，基礎(chǔ)設(shè)施單元能夠收集有關(guān)車輛和周邊交通的感應(yīng)數(shù)據(jù)，其通信和回傳鏈路性能可通過太赫茲通信得到改善。谷歌自動駕駛汽車以750 Mbit/s的速率生成傳感器數(shù)據(jù)，并且在一次行程中生成約1 TB的數(shù)據(jù)量[13]，傳輸和處理這些數(shù)據(jù)量需要通過太赫茲組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)超高速通信網(wǎng)絡(luò)，以提高通信效率并降低網(wǎng)絡(luò)時延。

圖3 太赫茲車聯(lián)網(wǎng)場景[12]

太赫茲軍事通信場景如圖4所示，覆蓋需求大于100 m，傳輸速率達(dá)10～100 Gbit/s。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）在戰(zhàn)斗和偵察情況下代替人類飛行員進(jìn)行一系列危險動作[14]，組建戰(zhàn)場指揮網(wǎng)絡(luò)。太赫茲高速率和大容量特性將支持無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)將高清無損視頻實(shí)時傳輸至作戰(zhàn)指揮中心，協(xié)助作戰(zhàn)單位更好地分析戰(zhàn)場形勢。此外，在戰(zhàn)場和惡劣環(huán)境中，軍用車輛和飛行器需要傳輸大量保密數(shù)據(jù)，協(xié)助其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備執(zhí)行攻擊或偵察，太赫茲窄波束特性可保證這些數(shù)據(jù)的安全性。

圖4 太赫茲軍事通信場景

空天地一體化組網(wǎng)場景如圖5所示[10]。空天地一體化作為6G“泛在覆蓋”通信網(wǎng)絡(luò)的核心場景，已被業(yè)內(nèi)重點(diǎn)研究[15-16]。太赫茲能夠穿透大氣層、高速飛行器外部包裹的等離子體鞘層，適用于星間高速通信和星地間高速通信。相比毫米波，太赫茲具備更大的帶寬和更快的傳輸速率；相比激光，太赫茲空間鏈路衰減更小。未來太赫茲通信設(shè)備有望實(shí)現(xiàn)小型化、平面化，易于無人機(jī)和衛(wèi)星等攜帶，推動空天地一體化組網(wǎng)通信。

圖5 空天地一體化組網(wǎng)場景[10]

3 太赫茲無線組網(wǎng)研究現(xiàn)狀

太赫茲無線組網(wǎng)主要聚焦3個關(guān)鍵技術(shù)：拓?fù)淇刂啤AC層協(xié)議設(shè)計和鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)。太赫茲組網(wǎng)研究現(xiàn)狀見表2，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可分為集中式和分布式；根據(jù)接入方式，分為隨機(jī)多址接入、固定多址接入、混合多址接入。性能指標(biāo)主要有速率、時延、吞吐量和丟包率等。

表2 太赫茲組網(wǎng)研究現(xiàn)狀

3.1 拓?fù)淇刂?/h3>

3.1.1 集中式拓?fù)?/p>

集中式拓?fù)涞膬?yōu)勢在于AP（如基站）能夠發(fā)揮集中處理優(yōu)勢，高效分配網(wǎng)絡(luò)資源和實(shí)施多用戶調(diào)度，提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能。參考文獻(xiàn)[18]提出了一種使用太赫茲鏈路的集中式拓?fù)?。在該網(wǎng)絡(luò)中，AP使用定向天線進(jìn)行節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)掃描、初始化鏈路訪問和數(shù)據(jù)傳輸；用戶節(jié)點(diǎn)首先采用全向天線與AP建立高效關(guān)聯(lián)，然后切換為定向天線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。接入方面，該文獻(xiàn)討論了一種波束交換接入技術(shù)，能夠在鏈路初始化接入和信息傳輸中周期性地進(jìn)行波束對準(zhǔn)，有效降低全向天線和定向天線切換所造成的時延。此外，該文獻(xiàn)還提出利用本地存儲，提高AP掃描效率，實(shí)現(xiàn)AP與用戶節(jié)點(diǎn)快速建立連接并調(diào)度節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸。然而該網(wǎng)絡(luò)的問題在于天線切換增加了來自相鄰節(jié)點(diǎn)干擾和碰撞的概率，影響節(jié)點(diǎn)間的同步效果。為克服同步問題，參考文獻(xiàn)[8]提出設(shè)置一個微型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（piconet coordinator，PNC）向附近的設(shè)備發(fā)送時間同步信息，集中進(jìn)行調(diào)度和訪問控制。

這些研究表明，集中式太赫茲組網(wǎng)拓?fù)渲饕獑栴}在于AP集中管理和頻繁節(jié)點(diǎn)切換帶來高控制開銷和高時延，亟須提出高效波束管理和節(jié)點(diǎn)接入方案。

3.1.2 分布式拓?fù)?/p>

分布式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有靈活性高、自組織能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是未來太赫茲無線組網(wǎng)的應(yīng)用拓?fù)淠Ｐ椭?。在分布式太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)場景下，網(wǎng)絡(luò)的時變性會造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化，需要相應(yīng)的控制協(xié)議進(jìn)行管理。參考文獻(xiàn)[9]考慮基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN），根據(jù)距離切換通信頻率，為太赫茲無線組網(wǎng)提供了一種新型思路，即微波、毫米波、太赫茲波融合覆蓋和信道接入；參考文獻(xiàn)[19]提出了定向天線與全向天線協(xié)同使用的分布式拓?fù)?，控制信號使?.4 GHz鏈路而數(shù)據(jù)傳輸使用太赫茲通信鏈路。然而，這些多頻段通信方案會增大設(shè)備成本和切換時延。參考文獻(xiàn)[22]提出了一種具有高速率太赫茲通信鏈路的無線網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在10 m的圓形范圍內(nèi)，通過接收端發(fā)起握手協(xié)議，降低網(wǎng)絡(luò)時延和丟包率；參考文獻(xiàn)[21]中針對不同的室內(nèi)接入子網(wǎng)，提出了一種智能安全的頻譜控制策略，節(jié)點(diǎn)通過自適應(yīng)選擇子頻率實(shí)現(xiàn)抗干擾。但這些拓?fù)涿媾R窄波束引起的接入耳聾問題。

這些研究表明，由于缺乏統(tǒng)一調(diào)度，且使用窄波束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，分布式太赫茲網(wǎng)絡(luò)面臨耳聾問題、節(jié)點(diǎn)同步問題，亟須從高效MAC層設(shè)計角度實(shí)現(xiàn)突破。

3.2 MAC層協(xié)議設(shè)計

MAC層通過流量控制和多路復(fù)用，控制物理層硬件和無線傳輸介質(zhì)之間的交互，其協(xié)議設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化是太赫茲無線組網(wǎng)的重要組成部分。鑒于傳統(tǒng)IEEE 802.11協(xié)議無法解決太赫茲窄波束帶來的傳輸問題，適用于太赫茲MAC層的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議一直是研究熱點(diǎn)。2008年，IEEE已開始對太赫茲通信展開標(biāo)準(zhǔn)化研究，并于2014年成立100 GHz無線任務(wù)組（TG100 GHz），提出首個太赫茲波段無線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std.802.15.3d-2017。該標(biāo)準(zhǔn)于2017年被正式批準(zhǔn)使用，頻段覆蓋253～322 GHz，帶寬為IEEE 69 GHz。但與IEEE 802.11和其他WLAN協(xié)議不同，IEEE 802.15.3d僅支持點(diǎn)對點(diǎn)通信，無法滿足太赫茲組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)移動和多址接入的需求。

除了標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議以外，對于太赫茲網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的研究可根據(jù)多址接入機(jī)制分為隨機(jī)多址、固定多址以及混合多址接入。

（1）隨機(jī)多址接入的優(yōu)勢在于控制開銷低。參考文獻(xiàn)[20]基于CSMA考慮了太赫茲信道和定向天線對不同層級之間的跨層影響，研究了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最大吞吐量的中繼距離，但未充分考慮高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度；參考文獻(xiàn)[22]針對太赫茲網(wǎng)絡(luò)提出了一種基于單向握手的載波監(jiān)聽多址接入（carrier sense multiple access，CSMA）方案，使處于傳輸狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)能夠偵聽來自其他節(jié)點(diǎn)的信息，但沒有考慮定向天線波束對準(zhǔn)問題。

（2）固定多址接入主要應(yīng)用頻、時分。參考文獻(xiàn)[21]提出使用頻時分址接入（frequency-time division multiple access，F(xiàn)TDMA）技術(shù)，在不同時隙中頻率被分為若干個子載波，且每個用戶所使用的子載波正交，未忽略太赫茲頻段的路徑損耗和噪聲影響。參考文獻(xiàn)[17]則使用了基于時分多址接入（time division multiple access，TDMA）的多址機(jī)制，并提出了一種用于太赫茲通信鏈路的定向MAC協(xié)議，應(yīng)用脈沖級波束交換和能量控制，但開銷過大。此外，參考文獻(xiàn)[9]還討論了車載通信場景基于TDMA的信道接入方案，該方案使用SDN在毫米波和太赫茲波段之間進(jìn)行切換，從而實(shí)現(xiàn)高寬帶的數(shù)據(jù)傳輸，同樣存在開銷過大的問題。

（3）在混合多址接入中，參考文獻(xiàn)[8]基于IEEE 802.15.3c協(xié)議使用沖突避免的載波偵聽的多址接入（carrier sense multiple access with collision avoid，CSMA/CA）和TDMA的混合接入方案。信息傳輸由多個超幀（Superframe）實(shí)現(xiàn)，每個超幀由信標(biāo)（BP）、信道訪問幀（CAP）、信道時間分配幀（CTAP）組成。CAP時期依據(jù)CSMA/CA進(jìn)行信道接入；CTAP時期則通過TDMA對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行時隙分配。該方案能夠提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量并減小數(shù)據(jù)時延，但仍面臨節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)困難的問題。

3.3 鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)

太赫茲組網(wǎng)場景中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行定向數(shù)據(jù)傳輸前需確知鄰居節(jié)點(diǎn)位置以完成波束成形和對準(zhǔn)。因此高效的網(wǎng)絡(luò)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)是太赫茲通信鏈路建立的前提。截至目前，主流方案有兩種。

（1）sub-6 GHz和太赫茲融合通信[19]

該方案分成兩個階段：首先使用sub-6 GHz全向天線進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播并獲取位置信息；然后通過位置信息利用太赫茲定向天線進(jìn)行波束對準(zhǔn)和數(shù)據(jù)傳輸。然而頻繁切換嚴(yán)重增加設(shè)備成本和控制開銷。

（2）基于窄波束定向天線的節(jié)點(diǎn)掃描和發(fā)現(xiàn)

傳統(tǒng)窮搜式的掃描方案會導(dǎo)致高時延，甚至造成通信中斷。參考文獻(xiàn)[23]利用啟發(fā)式算法，提出了一種適用于毫米波定向波束的快速掃描算法，利用先前的有效鏈路信息對可行扇區(qū)進(jìn)行搜索，并自適應(yīng)地增加扇區(qū)搜索空間來新建通信鏈路。相比窮搜掃描，減小了搜索空間，大幅降低鏈路建立時延。對太赫茲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)具有良好的借鑒意義。參考文獻(xiàn)[24]則針對太赫茲組網(wǎng)提出了一種創(chuàng)新性的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)方式，利用天線發(fā)射的旁瓣信息加速鄰居節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)過程。在矩形室內(nèi)空間測試表明，利用旁瓣信息輔助節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)算法相比無旁瓣信息的發(fā)現(xiàn)方案，節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)速率提高近100倍。然而無論是啟發(fā)式算法還是利用旁瓣信息的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)算法，都依賴于定向天線的高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)施難度極大。

4 問題與挑戰(zhàn)

研究現(xiàn)狀表明，太赫茲傳輸特性是組網(wǎng)問題的根源（太赫茲傳輸特性、組網(wǎng)問題、技術(shù)挑戰(zhàn)關(guān)系如圖6所示）。本節(jié)從太赫茲傳輸特性出發(fā)，討論太赫茲無線組網(wǎng)面臨的問題及其技術(shù)挑戰(zhàn)，進(jìn)一步從各層級協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)策略的角度指出突破太赫茲組網(wǎng)瓶頸的技術(shù)發(fā)展方向。

圖6 太赫茲傳輸特性、組網(wǎng)問題、技術(shù)挑戰(zhàn)關(guān)系

4.1 面臨的問題

（1）鏈路初始化時延高

在太赫茲無線組網(wǎng)場景下，高度定向天線不僅帶來節(jié)點(diǎn)與信道感知問題，同時還給鏈路初始化建立帶來挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)[25]利用TeraSimns-3太赫茲端到端網(wǎng)絡(luò)仿真工具對移動網(wǎng)絡(luò)場景下毫米波鏈路和太赫茲鏈路建立時間進(jìn)行了仿真對比，證明太赫茲定向鏈路建立的高時延性（毫米波/太赫茲鏈路初始化建立時延如圖7所示）。該仿真場景中，毫米波鏈路和太赫茲鏈路使用相同的3GPP NR幀結(jié)構(gòu)和時間等待模型，所設(shè)置的基站每Ts發(fā)送若干同步信號，使移動節(jié)點(diǎn)評估信道質(zhì)量并確定最佳波束。結(jié)果表明，太赫茲鏈路基站每5 ms發(fā)送64個同步信號，鏈路建立時延仍高達(dá)32 s。因此初始化時間長是太赫茲無線組網(wǎng)面臨的主要問題之一。

圖7 毫米波/太赫茲鏈路初始化建立時延[25]

（2）鏈路重傳效果差、丟包率高

太赫茲緩沖隊(duì)列長度有限，在處理速率高達(dá)幾十甚至幾百吉比特每秒的速率時會被快速填滿，造成不可預(yù)測的阻塞，從而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)丟包現(xiàn)象；且窄波束和太赫茲基站的頻繁更新會破壞發(fā)送端和接收端之間的確認(rèn)流，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包傳輸失敗。

（3）定向耳聾，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動性感知差

在太赫茲移動網(wǎng)絡(luò)場景中，節(jié)點(diǎn)需具有環(huán)境感知能力，包括信息感知和位置感知。一方面，節(jié)點(diǎn)需要對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行感知與確認(rèn)。尤其在集中式拓?fù)鋱鼍爸?，基站或AP需感知信道占用情況以實(shí)現(xiàn)資源調(diào)配；另一方面，節(jié)點(diǎn)需要對其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備位置進(jìn)行感知，以實(shí)現(xiàn)波束對準(zhǔn)和數(shù)據(jù)傳輸。因此節(jié)點(diǎn)對信道占用情況感知、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備位置感知是建立通信鏈路的前提。然而，傳統(tǒng)組網(wǎng)方案無法滿足太赫茲組網(wǎng)的感知需求。在傳統(tǒng)低頻蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN場景中，使用（準(zhǔn)）全向天線進(jìn)行信號廣播，且基站發(fā)送的同步信號能夠被覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶同時接收。但在太赫茲組網(wǎng)場景下，窄波束的強(qiáng)方向性將會嚴(yán)重影響設(shè)備與設(shè)備間、設(shè)備與基站間的位置感知、信道偵聽和數(shù)據(jù)接收，從而產(chǎn)生耳聾問題。此外，為了獲得信號傳輸?shù)淖畲笤鲆?，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間需要將收/發(fā)波束進(jìn)行對準(zhǔn)，這會增大鏈路傳輸時延、限制頻譜利用率、損害移動場景下的通信可靠性。

（4）網(wǎng)絡(luò)部署密度大、覆蓋范圍小、能耗大

針對網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，參考文獻(xiàn)[25]構(gòu)造了基于蒙特卡洛仿真的泊松點(diǎn)過程網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)撒點(diǎn)模型，將太赫茲基站和毫米波基站部署密度與覆蓋率的關(guān)系進(jìn)行了對比討論。不同頻段基站密度和覆蓋率關(guān)系如圖8所示，若采用理想的窄波束定向天線（1 024×256MIMO天線，增益54 dB）來增加鏈路預(yù)算和提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋，0.43 THz基站需要部署100個/km2的基站才能達(dá)到95%的覆蓋率，平均小區(qū)半徑為56 m；而1.5 THz基站需部署600個/km2，平均小區(qū)半徑為23 m。相比之下，30 GHz毫米波基站僅需更小增益天線即可實(shí)現(xiàn)更高覆蓋率。因此在太赫茲無線組網(wǎng)場景下，低覆蓋范圍導(dǎo)致高密度部署，將帶來極高的能耗問題。

圖8 不同頻段基站密度和覆蓋率關(guān)系[25]

4.2 技術(shù)發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

針對太赫茲組網(wǎng)所面臨的問題，亟須從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和策略設(shè)計角度展開研究，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量、覆蓋率、時延等性能，從而將太赫茲通信鏈路與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)場景深度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端到端的高效數(shù)據(jù)傳輸。本節(jié)將從協(xié)議設(shè)計角度出發(fā)，闡述太赫茲無線組網(wǎng)面臨的MAC層設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)與傳輸層設(shè)計與其他網(wǎng)絡(luò)策略設(shè)計的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)。

4.2.1 MAC層設(shè)計

根據(jù)前文的論述，傳統(tǒng)的MAC層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無法解決窄波束定向傳輸而導(dǎo)致的諸多問題，亟須提出面向場景的MAC層協(xié)議實(shí)現(xiàn)太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)的有效信道訪問、控制信息交換、高效鏈路建立、高效移動性管理和有效數(shù)據(jù)重傳。太赫茲無線組網(wǎng)MAC層協(xié)議設(shè)計需重點(diǎn)研究如下方面。

（1）幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)幀長度和持續(xù)時間對網(wǎng)絡(luò)性能至關(guān)重要。對于太赫茲無線組網(wǎng)場景，當(dāng)前3GPP NR幀結(jié)構(gòu)存在鏈路建立時間過長問題，需要對幀結(jié)構(gòu)長度進(jìn)行重新設(shè)計以實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)性能。幀結(jié)構(gòu)設(shè)計難點(diǎn)在于平衡鏈路建立時延和數(shù)據(jù)傳輸可靠性：短導(dǎo)頻能在不影響控制開銷的情況下發(fā)送更多的同步信號，使多用戶的跟蹤信號在不同頻率上復(fù)用，進(jìn)而降低鏈路建立的等待時延；但也會降低信道估計性能，使得恢復(fù)數(shù)據(jù)載波的頻率響應(yīng)變得更加困難，從而降低網(wǎng)絡(luò)容量和有效覆蓋。在數(shù)據(jù)幀持續(xù)時間方面，太赫茲相比微波和毫米波網(wǎng)絡(luò)更短，使得相同持續(xù)時間內(nèi)太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)能夠服務(wù)更多用戶。但幀結(jié)構(gòu)性能的實(shí)現(xiàn)必須考慮窄波束快速切換和轉(zhuǎn)向的影響，才具備實(shí)際的應(yīng)用價值。

（2）波束管理協(xié)議設(shè)計

基于太赫茲窄波束的特性，在波束控制和波束管理方面，除了對天線結(jié)構(gòu)予以突破外，還需從MAC層角度考慮高效的波束控制方案。在毫米波領(lǐng)域，已經(jīng)提出了一些優(yōu)于窮搜掃描的波束管理替代方案，這些方案對太赫茲窄波束管理有一定的借鑒意義。但太赫茲組網(wǎng)波束管理方案設(shè)計仍面臨挑戰(zhàn)。首先，波束管理協(xié)議設(shè)計需要考慮鏈路預(yù)算和節(jié)點(diǎn)感知間的平衡，更窄的波束能夠集中功率、提高鏈路預(yù)算、增大覆蓋范圍，但會提升波束掃描和節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)難度。其次，對于多頻段融合的復(fù)雜組網(wǎng)場景，需要提出多階段的波束管理方案，在不同的鏈路需求和組網(wǎng)需求的場景中使用不同寬度的波束來實(shí)現(xiàn)用戶追蹤和信道檢測。最后，太赫茲組網(wǎng)可能需要支持多頻段的MAC層協(xié)議完成不同的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，使用低頻的全向天線進(jìn)行節(jié)點(diǎn)感知；使用太赫茲定向波束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，亟須能夠?qū)崿F(xiàn)全向天線和定向天線之間靈活切換的波束管理協(xié)議。

（3）多址接入技術(shù)

目前對太赫茲組網(wǎng)的多址技術(shù)研究主要集中在以CSMA/CA為代表的隨機(jī)多址方案和以TDMA為代表的固定多址方案上，兩種方案在太赫茲組網(wǎng)場景中各有優(yōu)劣。對于固定多址方案，其優(yōu)勢在于避免沖突能力強(qiáng)、頻譜效率高、可實(shí)現(xiàn)鏈路的自適應(yīng)跟蹤。但需考慮太赫茲通信鏈路高路徑損耗，并且控制平面需適應(yīng)定向天線，固定多址面臨保持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間連通性的挑戰(zhàn)。對于隨機(jī)多址方案，其優(yōu)勢在于系統(tǒng)靈活性高、復(fù)雜度低、并發(fā)數(shù)據(jù)之間的干擾沖突小。但數(shù)據(jù)傳輸過程中需要收/發(fā)端波束對準(zhǔn)，如何設(shè)計鏈路建立前的快速節(jié)點(diǎn)掃描和高精度同步是隨機(jī)多址接入的挑戰(zhàn)。

（4）重傳協(xié)議設(shè)計

根據(jù)前文討論，太赫茲無線組網(wǎng)存在鏈路重傳困難、硬件層面難以突破等問題，需要設(shè)計更加簡潔有效的重傳協(xié)議。除傳統(tǒng)的重傳協(xié)議外，高效的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)能夠簡化重傳過程、降低復(fù)雜度。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)不需要對特定數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳，而是接收端解碼一批數(shù)據(jù)包的隨機(jī)組合。該技術(shù)為太赫茲鏈路重傳提供了發(fā)展方向，但重傳問題依然是MAC層設(shè)計亟須解決的挑戰(zhàn)之一。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)與傳輸層設(shè)計

除MAC層協(xié)議設(shè)計外，網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層設(shè)計是太赫茲無線組網(wǎng)在維護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)層級之間的高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。包括如下方面。

（1）拓?fù)淇刂?/p>

第3.1節(jié)已討論太赫茲無線組網(wǎng)的集中式和分布式拓?fù)?，均需考慮定向鏈路連通性的保持問題。主要存在兩方面挑戰(zhàn)：太赫茲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)波束更新快，天線方向會周期性打開和關(guān)閉。尤其在移動性場景下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)難以保持實(shí)時連接；太赫茲無線組網(wǎng)部署密度大，基于節(jié)能考慮，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或?qū)⒉扇≈芷谛孕菝邫C(jī)制，從而影響網(wǎng)絡(luò)的最佳路由拓?fù)洹?/p>

（2）控制平面設(shè)計

在全面考慮太赫茲路徑損耗、基站和能量消耗成本后，完全獨(dú)立的太赫茲組網(wǎng)在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)，需將太赫茲通信鏈路與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)同融合。這將利用新型太赫茲相控陣列、納米反射材料等網(wǎng)絡(luò)元素改善鏈路預(yù)算、增強(qiáng)太赫茲基站的覆蓋范圍，從而降低基站部署密度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化。這些新型網(wǎng)絡(luò)元素與固定基礎(chǔ)設(shè)施的集成需要設(shè)計專用的控制平面協(xié)議，以管理連接不同反射設(shè)備的用戶間切換并實(shí)現(xiàn)高速移動場景下的用戶追蹤。

（3）用戶平面設(shè)計

在實(shí)現(xiàn)太赫茲組網(wǎng)過程中，除了太赫茲頻段外，還需要融合毫米波和6 GHz以下的低頻頻段。因此網(wǎng)絡(luò)基站和移動性設(shè)備都需要靈活使用最佳性能的頻段以達(dá)到頻譜的最優(yōu)化利用。太赫茲無線組網(wǎng)場景下的用戶平面設(shè)計需考慮到用戶接口間的多連接性這一難點(diǎn)。例如，近距離通信時用戶與太赫茲無線接口連接，實(shí)現(xiàn)高速率傳輸；當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時，用戶及時切換至毫米波鏈路、低頻段通信鏈路等方式。

4.2.3 其他網(wǎng)絡(luò)策略設(shè)計

（1）鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計

多址接入均需以節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和鏈路建立為前提，太赫茲組網(wǎng)中窄波束定向天線和用戶的高移動性給節(jié)點(diǎn)的掃描與定位追蹤、鏈路的建立與保持造成困難。為此，在鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)方面亟須提出高效的天線掃描策略和高度同步機(jī)制。

（2）干擾管理方案設(shè)計

在太赫茲無線組網(wǎng)場景下，大帶寬和高度定向降低了干擾沖突。但在節(jié)點(diǎn)波束交叉且發(fā)生長時間數(shù)據(jù)傳輸情況下依然會發(fā)生嚴(yán)重的干擾問題。此外，超密集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和用戶移動性也加劇了干擾的影響，亟須建立新型干擾模型，能夠捕捉太赫茲頻帶特征，并對干擾源進(jìn)行跟蹤預(yù)測。

5 結(jié)束語

太赫茲無線組網(wǎng)適用于無線局域網(wǎng)/個域網(wǎng)、信息淋浴、熱點(diǎn)蜂窩覆蓋、車聯(lián)網(wǎng)、軍事通信和空間通信等場景，可克服當(dāng)前頻譜資源不足難題，滿足6G高速率和巨容量需求。面向場景的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、MAC層協(xié)議設(shè)計和鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)研究成果已推動了太赫茲通信的發(fā)展。但在硬件設(shè)備制約下，太赫茲無線組網(wǎng)仍面臨鏈路時延高、重傳效率低、定向耳聾、節(jié)點(diǎn)密度過大等挑戰(zhàn)，亟須進(jìn)一步面向場景研究MAC層、網(wǎng)絡(luò)和傳輸層協(xié)議棧，發(fā)展幀結(jié)構(gòu)、波束管理、多址、重傳協(xié)議、節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)策略、干擾管理等技術(shù)。這些研究將決定未來太赫茲無線組網(wǎng)的設(shè)計與部署，為6G網(wǎng)絡(luò)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。