感知輔助的太赫茲無線通信技術(shù)

胡田鈺，李玲香，陳 智，李少謙（電子科技大學(xué)，四川 成都 611731）

0 引言

隨著智能移動(dòng)設(shè)備的不斷普及以及新興移動(dòng)寬帶應(yīng)用的快速發(fā)展，激增的流量需求與緊缺的頻譜資源間的矛盾也變得愈發(fā)尖銳。據(jù)國際電信聯(lián)盟的ITU-R M.2370-0報(bào)告估計(jì)，全球移動(dòng)用戶數(shù)量在2030年將達(dá)到171億，而2020年至2030年全球國際移動(dòng)通信流量將增長10～100倍［1］。這對于僅能實(shí)現(xiàn)Gbit/s 的5G 毫米波數(shù)據(jù)傳輸而言，幾乎將是極限。此時(shí)，具備海量頻譜資源的太赫茲（THz）頻段（0.1～10 THz）躍入了研究人員的視線。不僅國際電信聯(lián)盟于2019 年11月標(biāo)識了275～450 GHz 的新增THz 頻段，而且國內(nèi)IMT-2030（6G）推進(jìn)組太赫茲通信任務(wù)組也于2021 年9 月發(fā)布了相應(yīng)研究報(bào)告［2］。因此，THz 無線通信技術(shù)被設(shè)想為實(shí)現(xiàn)下一代通信系統(tǒng)即6G 的關(guān)鍵技術(shù)之一［3-4］。

THz通信具備超大帶寬、超高速率、極窄波束等特點(diǎn)，能以極強(qiáng)的方向性和安全性來實(shí)現(xiàn)Tbit/s 的高速數(shù)據(jù)傳輸。因此，THz 無線通信技術(shù)可以用于如沉浸式全息通信、熱點(diǎn)區(qū)域通信覆蓋、車聯(lián)網(wǎng)傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞捗芗蛻?yīng)用場景［5-6］。另一方面，得益于遠(yuǎn)小于厘米波幾個(gè)數(shù)量級的太赫茲波長，THz 器件可以實(shí)現(xiàn)小型化和便攜性。同時(shí)，這也使得THz 信號具備極高的感知精度和分辨率，且不易受霧、塵或湍流等環(huán)境影響。因此，THz 無線通信技術(shù)還可用于由可穿戴或植入式太赫茲設(shè)備構(gòu)成的納米健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)［7］，或支持姿態(tài)識別、高精度定位等感知業(yè)務(wù)［8］。

然而，THz通信存在嚴(yán)重的路徑損耗，并且衍射能力較弱（即對阻塞敏感），以至于THz 通信信道十分稀疏，覆蓋范圍有限。另外，THz通信還存在著不可忽略的分子吸收現(xiàn)象（尤其是水蒸氣吸收），由此產(chǎn)生的額外信號衰減將THz 頻段分隔為若干傳輸窗，并且傳輸窗的帶寬和位置變得與傳播距離密切相關(guān)，圖1 展示了100 GHz～1 THz 頻段的路徑損耗［9-10］。此外，THz 通信所使用的極窄定向波束也會進(jìn)一步加大波束訓(xùn)練和對準(zhǔn)的開銷，并導(dǎo)致定向組網(wǎng)時(shí)難以發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)，即產(chǎn)生“耳聾效應(yīng)”。

圖1 不同距離下路徑損耗隨頻率的變化情況

由于THz 通信存在上述不足之處，能提供物理環(huán)境信息和電磁頻譜信息的感知技術(shù)引發(fā)了THz通信研究人員的極大興趣。也就是說，如果THz 通信系統(tǒng)能感知（進(jìn)而估計(jì)）獲取到當(dāng)前環(huán)境障礙物分布、用戶移動(dòng)性和頻譜使用情況等信息，則能將其應(yīng)用于波束快速對準(zhǔn)和跟蹤、通信覆蓋范圍增強(qiáng)、距離自適應(yīng)調(diào)制和智能定向組網(wǎng)等蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)場景，進(jìn)而改善上述不足。

1 面向太赫茲通信輔助的感知技術(shù)

1.1 頻譜態(tài)勢感知

文獻(xiàn)［11］指出，頻譜態(tài)勢是指電磁環(huán)境的當(dāng)前狀態(tài)、綜合形勢和發(fā)展趨勢。因此，頻譜態(tài)勢感知旨在通過專用頻譜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端構(gòu)成的群智感知網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測獲取目標(biāo)頻段、目標(biāo)區(qū)域的頻譜忙閑情況、頻譜輻射功率、頻譜調(diào)制方式以及頻譜接入?yún)f(xié)議等電磁頻譜信息，以生成整體、動(dòng)態(tài)、關(guān)聯(lián)、可視的實(shí)時(shí)廣域頻譜態(tài)勢，進(jìn)而更好地認(rèn)知電磁頻譜空間和支撐無線通信技術(shù)［11］。例如，美國國防部高級研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）便開展了反映輻射功率的頻譜態(tài)勢項(xiàng)目［12］，如圖2 所示。

圖2 關(guān)于頻譜輻射功率的頻譜態(tài)勢示意圖

頻譜態(tài)勢感知可以被認(rèn)為是被動(dòng)式分布式感知（即目標(biāo)區(qū)域的若干感知節(jié)點(diǎn)僅被動(dòng)接收對應(yīng)電磁信號），且可以用于構(gòu)建關(guān)注頻譜特性的數(shù)字孿生世界。需要說明的是，所獲取的實(shí)時(shí)廣域頻譜態(tài)勢不僅能反映sub-6 GHz、毫米波乃至THz 頻段的電磁頻譜信息，還能從其輻射功率分布上推斷出具有一定精度的物理環(huán)境信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、障礙物位置/高度推斷等應(yīng)用。

對于頻譜態(tài)勢感知得到的實(shí)時(shí)廣域頻譜態(tài)勢，運(yùn)營商不僅可以根據(jù)其中反映的熱點(diǎn)區(qū)域流量使用情況來合理部署THz 基站，而且基站還可以根據(jù)頻譜輻射功率來實(shí)現(xiàn)sub-6 GHz 控制信令傳輸/備用傳輸時(shí)的THz 通信。進(jìn)一步地，還可以根據(jù)物理環(huán)境信息來輔助進(jìn)行波束訓(xùn)練與跟蹤，以及針對THz 信道傳輸窗特性來實(shí)現(xiàn)更為有效的距離自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。

1.2 射頻感知

射頻感知旨在利用主動(dòng)發(fā)送的射頻信號（如sub-6 GHz、毫米波和THz 信號）和捕獲的對應(yīng)反射、折射、衍射、散射信號來感知物理環(huán)境中的各種目標(biāo)［13］。進(jìn)一步地，以信號傳播模型和海量感知數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的方式來估計(jì)目標(biāo)的距離、方位、尺寸、速度、水汽密度等物理量，進(jìn)而構(gòu)建實(shí)時(shí)環(huán)境地圖。例如，射線追蹤軟件wireless insite 可以基于信號傳播模型對射頻感知過程進(jìn)行模擬［14］，如圖3所示。

圖3 基于射線追蹤的射頻感知示意圖

因此，射頻感知可以被認(rèn)為是主動(dòng)式感知，且可以被用于構(gòu)建關(guān)注環(huán)境特性的數(shù)字孿生世界。進(jìn)一步地，射頻感知既可以通過類似于單基地雷達(dá)的方式進(jìn)行集中式環(huán)境感知，也可以利用海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在若干頻段進(jìn)行分布式環(huán)境感知，進(jìn)而得到不同分辨率不同覆蓋范圍的多維環(huán)境地圖。

對于射頻感知得到的實(shí)時(shí)環(huán)境地圖，THz 通信系統(tǒng)不僅可以避免若干用戶移動(dòng)過程中反復(fù)的信道估計(jì)，還可以通過遠(yuǎn)比頻譜態(tài)勢分辨率更高的物理環(huán)境信息來提升THz 波束跟蹤精度。進(jìn)一步地，通過對移動(dòng)用戶姿態(tài)/障礙物軌跡的估計(jì)，THz 通信系統(tǒng)也可以對波束切換/小區(qū)切換進(jìn)行主動(dòng)決策以防止THz 鏈路中斷。此外，依據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境地圖反映出的水汽密度信息、介電常數(shù)信息，還可以有效分析THz信道傳輸特性和估計(jì)誤差。

1.3 太赫茲通信感知一體化

通信感知一體化是指通過空口及協(xié)議聯(lián)合設(shè)計(jì)、時(shí)頻空資源復(fù)用、硬件設(shè)備共享等手段，實(shí)現(xiàn)通信與感知功能統(tǒng)一設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體性能和業(yè)務(wù)能力的提升［2］。而本文所關(guān)注的THz 通感一體化則旨在以一體化的高精度感知信息輔助高速率數(shù)據(jù)傳輸［15］。圖4 給出了不同頻段通信感知融合情況。從圖4 可以看出，相比于其他頻段，THz 通感一體化還可以基于THz 器件便攜性的優(yōu)勢來更好地滿足6G 個(gè)性化通信需求。

圖4 不同頻段通信感知融合對比

因此，THz 通感一體化可以被認(rèn)為是關(guān)注一體化特性的主動(dòng)交互式感知，即感知者通過與感知目標(biāo)的信息交互來對接收到的THz 信號進(jìn)行處理和感知［15］；并且同樣可以通過集中式或分布式實(shí)現(xiàn)，如THz 定向組網(wǎng)。同時(shí)，相位MIMO 雷達(dá)和波束成形通信技術(shù)硬件結(jié)構(gòu)的相似性也使THz通感一體化更易實(shí)現(xiàn)［16］。

THz 通感一體化帶來的高精度小范圍宏觀/微觀物理環(huán)境信息，能避免上述2 種感知技術(shù)輔助THz 通信時(shí)空口交互帶來的額外處理和傳輸，例如通過更低能耗更低時(shí)延的姿態(tài)識別/目標(biāo)定位等感知信息來實(shí)現(xiàn)波束切換與角度跟蹤，有利于實(shí)現(xiàn)綠色通信。此外，還可以在無線納米通信場景下實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人或納米傳感器間的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸。

2 感知輔助的太赫茲無線通信應(yīng)用場景

THz無線通信系統(tǒng)可以利用上述感知技術(shù)獲取的電磁頻譜信息和物理環(huán)境信息來構(gòu)建具備各自感知特性的數(shù)字孿生世界，進(jìn)而在感知輔助的THz 無線通信技術(shù)的支撐下，服務(wù)于智慧生活、產(chǎn)業(yè)升級、社會治理等方面應(yīng)用。因此，本文依照THz 通信面向的不同用戶群體，將感知輔助的THz 無線通信應(yīng)用場景分為面向THz 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的場景和面向消費(fèi)者/行業(yè)/社會的場景，并給出對應(yīng)用例。

2.1 面向太赫茲蜂窩網(wǎng)絡(luò)的場景

本小節(jié)具體討論了THz 基站參數(shù)配置、智能資源管理和無線自組網(wǎng)這3 個(gè)場景用例。首先，針對THz基站參數(shù)配置用例，可以依據(jù)目標(biāo)狀態(tài)/障礙物分布調(diào)整THz 波束搜索范圍，避免基站頻繁發(fā)送極窄訓(xùn)練波束而造成的過大時(shí)頻資源開銷和過高傳輸中斷概率；也可以依據(jù)水汽密度、介電常數(shù)等信息調(diào)整THz 信號調(diào)制、編碼方式，盡量避免分子吸收對THz 通信的影響。

針對智能資源管理用例，可以通過深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)和元學(xué)習(xí)技術(shù)，依據(jù)頻譜、用戶和環(huán)境的實(shí)時(shí)屬性、狀態(tài)，快速實(shí)現(xiàn)不同配置下THz 和sub-6 GHz 頻譜資源、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源、時(shí)域空域碼域資源的管理、調(diào)度及決策，一方面可以提升資源利用效率，另一方面也可以（通過波束切換/小區(qū)切換/sub-6 GHz 輔助）增強(qiáng)THz通信覆蓋范圍以及傳輸可靠性。

最后，針對無線自組網(wǎng)用例，THz通信系統(tǒng)可以依據(jù)智能設(shè)備、智能機(jī)器人、網(wǎng)聯(lián)車等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的高精度定位信息，一方面避免節(jié)點(diǎn)間的碰撞和加快節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)THz 波束的快速對準(zhǔn)和跟蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靈活高效的多址接入、切換、路由等，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2 面向消費(fèi)者/行業(yè)/社會的場景

本小節(jié)具體討論數(shù)據(jù)亭下載、智慧交通、智能工廠這3個(gè)場景用例。首先，針對數(shù)據(jù)亭下載場景，鑒于數(shù)據(jù)亭分布在如機(jī)場、車站等熱點(diǎn)區(qū)域，且同時(shí)為1個(gè)用戶或者多個(gè)用戶在THz頻段提供短時(shí)超高速率數(shù)據(jù)下載服務(wù)［2］，該場景面臨著用戶姿態(tài)改變后的波束跟蹤及對準(zhǔn)問題，以及用戶數(shù)過多造成的通信覆蓋增強(qiáng)問題。此時(shí)則可引入物理環(huán)境感知信息來輔助解決上述問題，如基于姿態(tài)識別結(jié)果進(jìn)行波束對準(zhǔn)。

針對智慧交通場景，鑒于網(wǎng)聯(lián)車之間需要基于THz 通信來實(shí)現(xiàn)海量傳感數(shù)據(jù)傳輸，該場景不僅面臨著波束跟蹤及對準(zhǔn)問題，還面臨著雨霧天氣下信道質(zhì)量惡劣問題。此時(shí)則可同時(shí)引入電磁頻譜信息和物理環(huán)境信息來輔助解決上述問題，如在路邊合理部署智能反射面進(jìn)行THz信號中繼和增強(qiáng)［17］。

針對智能工廠場景，鑒于智能設(shè)備、智能機(jī)器人需要基于THz通信來實(shí)現(xiàn)高安全性的機(jī)密控制數(shù)據(jù)傳輸，該場景面臨著THz 頻段的干擾管理問題和大量THz用戶智能組網(wǎng)問題。此時(shí)則可引入電磁頻譜信息和THz 通感一體化下的物理環(huán)境信息，以分布式高能效的輔助方式來解決上述問題。

3 關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

盡管研究人員已對sub-6 GHz 和毫米波頻段的感知輔助通信技術(shù)進(jìn)行了充分研究，但鑒于THz 頻段的獨(dú)特性，基于頻譜態(tài)勢感知、射頻感知和THz通感一體化的THz無線通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)仍存在著諸多難點(diǎn)。因此，接下來本文將從空口技術(shù)、組網(wǎng)設(shè)計(jì)與硬件架構(gòu)3方面來分析感知輔助的THz無線通信關(guān)鍵技術(shù)及對應(yīng)挑戰(zhàn)。

3.1 空口技術(shù)

首先，針對頻譜態(tài)勢感知和射頻感知輔助下的THz波形設(shè)計(jì)技術(shù)的研究挑戰(zhàn)在于如何將感知到的通信距離、水汽密度、THz頻段忙閑情況等信息綜合且有偏好地應(yīng)用于不同通信場景的調(diào)制解調(diào)中，以避免THz 信道的分子吸收特性、距離及頻率選擇特性的影響。例如，在進(jìn)行上述應(yīng)用時(shí)可能需要考慮感知精度對高功率效率和頻譜效率等通信指標(biāo)的影響。針對該類挑戰(zhàn)，一種可行方案是引入人工智能或數(shù)字孿生技術(shù)，通過預(yù)先的離線訓(xùn)練或模擬的算法預(yù)測來得到最優(yōu)的THz波形。

其次，可以針對THz 通感一體化輔助時(shí)的THz 波形設(shè)計(jì)技術(shù)展開討論。這其中不僅需要考慮旨在最大化抗干擾和抗衰落性能的通信波形與旨在具備最優(yōu)自相關(guān)特性的感知波形間的較大差異，也需要考慮THz頻段的分子吸收、載波頻率偏移、高相位噪聲等特點(diǎn)，進(jìn)而才能滿足帶外能量泄露、多普勒偏移魯棒性等指標(biāo)。一種可行方案即是在傳統(tǒng)正交頻分多址通信波形中引入同步信號塊來感知通信環(huán)境。

此外，研究人員還面對著THz 通感一體化輔助時(shí)的THz 波束賦形的挑戰(zhàn)。一方面，被要求準(zhǔn)確指向通信鏈路方向的通信波束和被要求進(jìn)行大范圍時(shí)變掃描的感知波束之間存在著較大差異；另一方面，寬帶THz超大規(guī)模天線系統(tǒng)中也存在著由于移相器而導(dǎo)致的嚴(yán)重波束偏移現(xiàn)象。這2 方面問題都對THz 通感一體化下的波束賦形技術(shù)提出了更高的要求。

3.2 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

首先，針對頻譜態(tài)勢感知和射頻感知輔助下THz組網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究挑戰(zhàn)一方面在于如何利用THz、毫米波、sub-6 GHz 頻譜忙閑情況、人群密度等信息來有效預(yù)測流量使用情況和合理部署THz基站、無人機(jī)、智能反射面等節(jié)點(diǎn)；另一方面在于設(shè)計(jì)考慮THz 信道高路徑損耗、極強(qiáng)方向性、距離及頻率選擇特性等特點(diǎn)的多跳THz 通信、智能小區(qū)切換、干擾管理算法，通過THz節(jié)點(diǎn)定向組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)THz通信覆蓋范圍的增強(qiáng)。

而針對THz通感一體化輔助時(shí)的THz組網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)，研究人員還需要額外考慮通信功能和感知功能自干擾和交叉干擾問題、感知范圍不足帶來的“耳聾效應(yīng)”加劇問題、電磁頻譜信息不足帶來的THz節(jié)點(diǎn)部署失衡問題。此時(shí)，一方面可以通過傳統(tǒng)干擾抑制和消除手段、實(shí)時(shí)信道波束信息和節(jié)點(diǎn)信息來進(jìn)行較好的波束決策，另一方面則可以考慮THz 無線鏈路與其他頻段進(jìn)行聯(lián)合組網(wǎng)，但需要對兼容性展開討論。

3.3 硬件架構(gòu)

硬件架構(gòu)部分的挑戰(zhàn)主要集中在THz通信感知一體化技術(shù)這部分。一方面，THz 頻段的波長與器件尺度相比擬，各級元件間的耦合不可避免且更趨突出［14］。強(qiáng)耦合使得寄生參數(shù)變大、種類增多，導(dǎo)致器件性能急劇下降、難以預(yù)期［14］；另一方面，面向通感一體化的硬件設(shè)計(jì)需要解決高性能全雙工等要求帶來的干擾和設(shè)備電路設(shè)計(jì)問題，需要綜合考慮高隔離度電路及器件、高性能高精確度的器件與電路模型建模、小型化集成化的收發(fā)信機(jī)方案的相應(yīng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［2］。因此，如何整體有機(jī)地解決這2 方面問題也將成為感知輔助的THz無線通信場景下的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

4 結(jié)束語

對于“萬物智聯(lián)，數(shù)字孿生”的6G 總體愿景，感知輔助的THz 無線通信技術(shù)無疑將成為其中的重要一環(huán)。這不僅源于THz頻段所提供的極高數(shù)據(jù)速率和巨大通信帶寬，也源于通過萬物智聯(lián)而獲取的感知信息及其構(gòu)建的數(shù)字孿生世界所提供的THz 通信性能提升。未來研究可以將單一方式的感知技術(shù)擴(kuò)展到多維互通的廣域通感融合，進(jìn)而輔助具備智慧內(nèi)生、算網(wǎng)一體特征的太赫茲無線通信系統(tǒng)，以滿足人民對美好信息生活的追求。