太赫茲多天線移動(dòng)通信性能界理論

楊 闖,劉子樂,石涵琛,彭木根

(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)

0 引言

6G無線傳輸峰值速率將達(dá)到太比特級(jí),相比5G提高約100倍,以支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等高速率應(yīng)用場(chǎng)景的通信需求[1]。當(dāng)前中低頻段頻譜資源緊缺、帶寬不足,難以滿足6G高速率通信需求。太赫茲(0.1 ～ 10 THz)憑借其超大帶寬優(yōu)勢(shì),成為6G重要候選頻段之一,目前100 ～ 450 GHz頻段中已有230 GHz的頻譜被分配用于移動(dòng)服務(wù)[2]。

然而,太赫茲存在嚴(yán)重的大分子(水、氧氣等)吸收與高額的路徑損耗問題,導(dǎo)致傳播損耗極高,限制了太赫茲無線通信距離[3]。能夠?qū)崿F(xiàn)極高天線增益的多天線(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)成為了對(duì)抗太赫茲傳播損耗的關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)全球首個(gè)6G白皮書估計(jì),在未來Beyond 5G(B5G)/6G應(yīng)用中,250 GHz工作頻點(diǎn)的太赫茲通信系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)每平方厘米250個(gè)天線的超大規(guī)模天線陣列[1]。多天線技術(shù)極大拓寬了太赫茲通信應(yīng)用場(chǎng)景的距離維度,代價(jià)則是在角度維度帶來了新的挑戰(zhàn)。多個(gè)陣子發(fā)射的電磁波信號(hào)干涉形成的狹窄太赫茲波束,在移動(dòng)場(chǎng)景下難以對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),導(dǎo)致無線鏈路信噪比下降甚至發(fā)生鏈路中斷。

傳統(tǒng)方法通過波束掃描或波束訓(xùn)練在角度空間中尋找最佳波束。但對(duì)于太赫茲多天線系統(tǒng),極窄的波束大幅增加了掃描時(shí)延與訓(xùn)練開銷,使得傳統(tǒng)方法難以適用[4]。如何解決太赫茲多天線波束對(duì)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)更適配場(chǎng)景的太赫茲多天線移動(dòng)通信,是未來6G高速率通信研究的重點(diǎn)方向。目前,一種可行的方案是通過感知實(shí)時(shí)獲取移動(dòng)用戶狀態(tài)作為先驗(yàn)信息,生成目標(biāo)方位角直接實(shí)現(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn)[5]。另一種方案是基于太赫茲信道的稀疏特性,對(duì)上行信道反饋的波束空間信息進(jìn)行壓縮感知,降低波束訓(xùn)練的開銷[6]。

上述研究從技術(shù)上探索了太赫茲多天線移動(dòng)通信的發(fā)展方向,但面向不同場(chǎng)景,模型框架存在差異。為了統(tǒng)一表征不同場(chǎng)景,理論性能界被認(rèn)為是重要的一類指標(biāo)[7]。通過刻畫性能指標(biāo)的上界或下界,對(duì)高復(fù)雜、高隨機(jī)的性能表征進(jìn)行簡化,對(duì)于太赫茲多天線移動(dòng)通信設(shè)計(jì)方案的制定具有重要價(jià)值。

1 太赫茲多天線移動(dòng)通信硬件發(fā)展現(xiàn)狀

太赫茲多天線移動(dòng)通信的陣列天線大規(guī)模、發(fā)射功率、天線增益、波束寬度和掃描范圍等指標(biāo)備受業(yè)內(nèi)關(guān)注,是太赫茲多天線移動(dòng)通信發(fā)展的基礎(chǔ),備受業(yè)內(nèi)關(guān)注[8]。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)太赫茲核心器件和太赫茲通信技術(shù)發(fā)布一系列研究計(jì)劃,提出了相應(yīng)的指標(biāo)要求,取得了階段性進(jìn)展。但是當(dāng)前研究主要聚焦在傳統(tǒng)通信制式,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一,無法釋放太赫茲寬帶性能。

1.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國太赫茲技術(shù)研究起步較晚,為從太赫茲器件、芯片、通信技術(shù)等多方面追趕歐美,自“十二五”起發(fā)布了多項(xiàng)太赫茲領(lǐng)域相關(guān)重大項(xiàng)目,包括國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,涉及新一代太赫茲電子射頻材料、太赫茲微電子器件與集成芯片、太赫茲無線移動(dòng)通信等研究。

近年來,隨著我國太赫茲器件與工藝、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)通信技術(shù)和原型系統(tǒng)基礎(chǔ)的奠定,研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了新型核心器件、通信前端和移動(dòng)組網(wǎng)等應(yīng)用與實(shí)用研究的突破,“寬帶通信和新型網(wǎng)絡(luò)”“微納電子技術(shù)”“新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料”等國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目都對(duì)太赫茲多天線移動(dòng)通信系統(tǒng)的通道數(shù)、發(fā)射功率、能耗、掃描范圍提出了較高的考核指標(biāo)[9-11],表1為國內(nèi)前沿項(xiàng)目與研究報(bào)告中提出的太赫茲多天線移動(dòng)通信需求。2023年6月22日,國際電信聯(lián)盟無線通信部門(Radio Communication Division of the International Telecommunication Union,ITU-R)的5D工作組完成了由我國工業(yè)和信息化部組建的國際移動(dòng)通信(International Mobile Telecommunications,IMT)6G推進(jìn)組起草的全球6G愿景框架建議書[12]。與IMT-2020提出的5G功能相比,新建議書考慮到未來移動(dòng)通信的巨容量和廣覆蓋范圍、新興業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景(例如沉浸式通信、泛在鏈接、通信感知一體化等),亟需巨大的帶寬資源作為支撐,未來6G需要廣泛利用太赫茲頻段,滿足500～1 000 km/h的移動(dòng)性需求并實(shí)現(xiàn)1～10 cm的定位精度。我國對(duì)太赫茲多天線移動(dòng)通信的布局已取得階段性進(jìn)展,主要聚焦在器件性能的提升,缺少理論指導(dǎo)釋放太赫茲器件在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的性能。比如,如何在移相不理想下準(zhǔn)確波束賦形、如何對(duì)抗移動(dòng)下嚴(yán)重太赫茲多普勒頻偏等,尚缺少直接研究。

表1 國內(nèi)太赫茲多天線移動(dòng)通信硬件性能及布局場(chǎng)景的發(fā)展現(xiàn)狀Tab.1 Domestic requirements of THz MIMO mobile communication applications

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外太赫茲通信技術(shù)發(fā)展以美國最為突出,多個(gè)國家組織和國防部門與全球知名高校、半導(dǎo)體公司、軍事巨頭合作,重在研發(fā)能夠在未來快速轉(zhuǎn)化為軍用和工業(yè)應(yīng)用的太赫茲微電子技術(shù)。

表2總結(jié)了國外先進(jìn)項(xiàng)目[13-18]與國際組織研究報(bào)告[19]中提出的太赫茲多天線移動(dòng)通信需求。

表2 國外太赫茲多天線移動(dòng)通信硬件性能及布局場(chǎng)景的發(fā)展現(xiàn)狀Tab.2 International requirements of THz MIMO mobile communication applications

為利用太赫茲技術(shù)增強(qiáng)空軍作戰(zhàn)的通信和抗干擾能力,美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(Air Force Research Laboratory,AFRL)于2020年7月發(fā)布“頻率可調(diào)太赫茲超寬帶機(jī)載網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告[15],指出在太赫茲頻段需要借助超高增益天線(超過26 dBi)和極窄波束(約10°)以克服更高的路徑損耗并提高無線鏈路指向性,實(shí)現(xiàn)太赫茲機(jī)間高速移動(dòng)通信。2021年初,AFRL下屬空軍科學(xué)研究辦公室實(shí)驗(yàn)室(Air Force Office of Scientific Research,AFOSR)發(fā)布了“下一代可編程大規(guī)模太赫茲系統(tǒng)”項(xiàng)目科技報(bào)告[16],旨在研究大規(guī)模非線性同步太赫茲源,需要研發(fā)具有高等效輻射功率(≥14 dBm@420 GHz)和寬掃描范圍(±30°)的大規(guī)模天線陣(規(guī)模達(dá)4×4以上)。2023年1月,美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)宣布開啟“聯(lián)合大學(xué)微電子學(xué)項(xiàng)目”(Joint University Microelectronics Program,JUMP)2.0階段。由加州大學(xué)圣巴巴拉分校牽頭的太赫茲通信感知融合中心(Communication Sensing Terahertz,ComSenTer)作為該項(xiàng)目六大研究中心之一,其集成電路和晶體管研究小組將在JUMP 2.0階段重點(diǎn)攻關(guān)亞太赫茲收發(fā)機(jī)、功率放大器和新型材料晶體管等,以支持大規(guī)模MIMO高能效波束賦形[17-18]。

此外,在太赫茲通信技術(shù)商用與產(chǎn)業(yè)化方面,ITU-R積極推進(jìn)發(fā)展愿景、關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化等進(jìn)程,于2022年11月發(fā)布了新版“275～450 GHz頻段陸地移動(dòng)服務(wù)應(yīng)用技術(shù)與操作手冊(cè)”[19]。文件指出,275～450 GHz的太赫茲頻譜資源將能夠應(yīng)用于近距離移動(dòng)通信系統(tǒng)(Close Proximity Mobile Systems,CPMS),主要包括公共場(chǎng)所終端移動(dòng)下載、數(shù)據(jù)中心無線連接、室內(nèi)擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(Extended Reality,XR)、智能工廠等對(duì)移動(dòng)性需求較低的6G場(chǎng)景,并詳細(xì)羅列了相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的技術(shù)特點(diǎn)和性能需求。然而,與國內(nèi)研究相仿,主要集中在傳統(tǒng)通信制式,對(duì)如何釋放太赫茲大帶寬移動(dòng)通信器件的性能,尚無理論性能指導(dǎo)。

2 太赫茲多天線移動(dòng)通信理論

作為新興的場(chǎng)景應(yīng)用,太赫茲多天線移動(dòng)通信技術(shù)尚處于初步探索階段,主要集中在面向未來的MIMO技術(shù)研究以及固定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)試驗(yàn)方面,目前尚無法滿足未來網(wǎng)絡(luò)的性能需求。為了充分評(píng)估該技術(shù)可待發(fā)掘的性能潛力,亟需構(gòu)建太赫茲多天線移動(dòng)通信性能界理論框架,考慮從太赫茲移動(dòng)通信理論、太赫茲多天線通信理論、感知協(xié)同太赫茲通信理論的研究中獲得啟示。

2.1 太赫茲移動(dòng)通信

由于太赫茲通信波束窄、中心頻率高,其性能受節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性影響相較低頻段更為顯著。移動(dòng)對(duì)太赫茲通信性能的影響主要包括波束對(duì)準(zhǔn)偏差與多普勒頻偏兩方面。

為了獲得足夠的波束增益以克服路徑損耗,太赫茲波束寬度可以小于1°,則其波束截面在100 m的距離上覆蓋區(qū)域的半徑小于1.75 m。因此用戶在高移動(dòng)性下極易產(chǎn)生對(duì)準(zhǔn)偏差,甚至脫離波束覆蓋范圍導(dǎo)致通信中斷。為了衡量波束對(duì)準(zhǔn)偏差對(duì)通信性能影響,需要分別考慮用戶移動(dòng)模型與波束分布模型。如表3所示,用戶移動(dòng)模型包括隨機(jī)抖動(dòng)、布朗運(yùn)動(dòng)和勻速直線運(yùn)動(dòng)等;波束分布模型包括均勻分布、高斯分布、貝塞爾分布等[20-22]?；谏鲜瞿Ｐ?現(xiàn)有研究探究了用戶移動(dòng)性對(duì)太赫茲通信性能的影響。文獻(xiàn)[23]理論證明了目標(biāo)隨機(jī)抖動(dòng)導(dǎo)致的對(duì)準(zhǔn)偏差滿足瑞利分布。文獻(xiàn)[24]分析了風(fēng)速導(dǎo)致的無人機(jī)抖動(dòng)對(duì)太赫茲通信性能的影響,并進(jìn)行了硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

表3 用戶移動(dòng)模型與波束分布模型Tab.3 User mobility model and beam distribution model

現(xiàn)有太赫茲通信系統(tǒng)往往采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)波形,將整個(gè)頻段帶寬分為多個(gè)子載波以實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率。但由于太赫茲通信中心頻率更高,節(jié)點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻偏越大,從而造成子帶寬載波間的干擾越嚴(yán)重。為此,可以利用波形設(shè)計(jì)理論,分析場(chǎng)景性能需求對(duì)帶寬、子載波間隔、循環(huán)前綴符號(hào)數(shù)等波形參數(shù)的約束,從而指導(dǎo)對(duì)OFDM波形中的參數(shù)設(shè)置[25]。與此同時(shí),還可以采用正交時(shí)頻空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)調(diào)制將信息調(diào)制到時(shí)延-多普勒域以更好地適配高動(dòng)態(tài)的時(shí)頻雙選信道[26],但其復(fù)雜的信號(hào)處理也會(huì)帶來更高的延遲,如何平衡OTFS節(jié)點(diǎn)速度與通信時(shí)延的性能需求,是太赫茲移動(dòng)通信理論的重要難題。

2.2 太赫茲多天線通信

隨著貼片天線與相控陣天線的發(fā)展,太赫茲通信采用的天線數(shù)也與日俱增。如圖1所示,太赫茲多天線硬件的陣元數(shù)已可達(dá)近千個(gè),實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模多天線陣列[27-34]。

圖1 近年來硬件研究中的太赫茲天線規(guī)模Fig.1 THz array sizes in recent circuit efforts

太赫茲通信系統(tǒng)的工作帶寬較大,其發(fā)射信號(hào)在通過具有頻率選擇特性的模擬移項(xiàng)器時(shí)會(huì)產(chǎn)生波束色散效應(yīng),而其影響會(huì)隨著天線規(guī)模的增加而進(jìn)一步加劇[35]。波束色散對(duì)太赫茲多天線通信系統(tǒng)性能的影響是雙重的。一方面,波束色散會(huì)降低多天線的波束賦形增益,并有可能造成波束信息的丟失,從而降低通信的容量性能;另一方面,色散使得波束有效覆蓋范圍增加,從而降低了波束掃描和波束賦形方案的時(shí)延[36]。因此,可以經(jīng)過理論研究分析,在通過信道狀態(tài)信息輔助波束賦形等方案以抑制波束色散的同時(shí),充分利用其拓寬波束的特點(diǎn)來增強(qiáng)太赫茲多天線通信的可靠性。

此外,由于瑞利距離隨著天線規(guī)模增加而增大,太赫茲多天線通信的近場(chǎng)效應(yīng)顯著[37]。在近場(chǎng)條件下,原有遠(yuǎn)場(chǎng)通信的平面波模型不再適用。在球面波模型下,用戶方位角信息與距離信息相互耦合,因此如何精準(zhǔn)估計(jì)用戶方位角以實(shí)現(xiàn)高精度波束對(duì)準(zhǔn),是實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)太赫茲多天線通信的關(guān)鍵技術(shù)問題。太赫茲信號(hào)評(píng)估方位角的上界和下界精度則為指導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

2.3 感知協(xié)同太赫茲通信

太赫茲實(shí)現(xiàn)大容量通信的前提是需要實(shí)時(shí)高精的信道狀態(tài)信息或用戶狀態(tài)信道作支撐,這使得感知協(xié)同太赫茲通信成為研究熱門。通過接收用戶或目標(biāo)表面反射的回波,對(duì)方位角進(jìn)行估計(jì),進(jìn)而調(diào)整預(yù)編碼參數(shù)以實(shí)現(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn)與阻塞規(guī)避。

根據(jù)感知所采用的頻率,感知協(xié)同太赫茲通信可分為異頻感知與同頻感知兩類。對(duì)于異頻感知,主要可以分為低頻感知與光學(xué)感知。低頻感知信號(hào)可以相對(duì)穩(wěn)定地接收到回波信號(hào),感知可靠性較高,但是受限于頻譜資源,其精度與分辨率不足[38];通過攝像頭等光學(xué)輔助設(shè)備可精確獲取目標(biāo)的位置信息,但需要依賴人工智能技術(shù)對(duì)圖像信息進(jìn)行處理,復(fù)雜度與時(shí)延相對(duì)較高[39]。另外,不同頻點(diǎn)的信道存在差異,因此將異頻感知信息用于太赫茲波束賦形會(huì)導(dǎo)致明顯的系統(tǒng)誤差。

同頻感知協(xié)同太赫茲通信可以在消除方位角系統(tǒng)誤差的同時(shí),通過將通信與感知信號(hào)共用一套射頻裝置以簡化收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)一體化增益。文獻(xiàn)[40]提出了面向車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的太赫茲感知協(xié)同超大規(guī)模多天線通信的混合預(yù)編碼方案,實(shí)現(xiàn)了硬件復(fù)雜度與通信速率的折中;文獻(xiàn)[41]提出了通過太赫茲感知太空障礙物的位置,調(diào)整太赫茲通信波束以避免鏈路被遮擋而中斷;文獻(xiàn)[42]則從更廣泛的角度,分析了太赫茲感知協(xié)同移動(dòng)通信下的性能關(guān)系與性能界限,提出了感知與通信之間的近似閉式表達(dá)式。

3 太赫茲多天線移動(dòng)通信性能界理論

基于上述討論,太赫茲多天線移動(dòng)通信理論應(yīng)當(dāng)綜合考慮太赫茲移動(dòng)通信、太赫茲多天線通信、感知協(xié)同太赫茲通信等模型特征與分析方法,推導(dǎo)通信性能界限,并基于性能界理論提出太赫茲多天線移動(dòng)通信性能優(yōu)化方法,提出指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邊界條件。

3.1 太赫茲多天線移動(dòng)通信性能界限

針對(duì)太赫茲通信中的移動(dòng)性難題,現(xiàn)有感知協(xié)同方案往往采用方位角感知輔助[42]。然而在高機(jī)動(dòng)場(chǎng)景,目標(biāo)的切向角速度可達(dá)0.2 rad/s[24],此時(shí)僅通過方位角信息已無法滿足窄波束對(duì)準(zhǔn)的需求。為此,需要對(duì)目標(biāo)的切向角速度進(jìn)行感知。陣元數(shù)為N的太赫茲多天線系統(tǒng)通過時(shí)分體制發(fā)送通信與感知信號(hào),設(shè)時(shí)分系數(shù)δ為感知時(shí)隙Ms與總時(shí)隙M之比,則t時(shí)刻接收到感知信號(hào)Ss(t)來自用戶表面反射的回波信號(hào)為:

(1)

(2)

式中:η為回波信號(hào)信燥比,Δ為采樣頻率。根據(jù)方位角估計(jì)與切向角速度的CRB,可得波束對(duì)準(zhǔn)方差為:

(3)

如圖2所示,考慮高斯窄波束模型,則根據(jù)系統(tǒng)帶寬B、單位信噪比γ0、用戶單、接收天線單陣元截面積Scom與波束截面直徑wd,可以推導(dǎo)得到通信速率的上界為:

圖2 感知協(xié)同太赫茲多天線移動(dòng)通信性能界限Fig.2 Performance bounds of sensing-assisted THz MIMO mobile communications

(4)

從而可以得到包括方位角與切向角速度的二維感知協(xié)同太赫茲多天線移動(dòng)通信性能。與僅包括方位角的一維感知協(xié)同情形相比,切向角速度估計(jì)信息可以進(jìn)一步提升通信速率的性能,使其性能界限迫近理想條件下的最優(yōu)容量。

3.2 太赫茲多天線移動(dòng)通信性能優(yōu)化

太赫茲多天線系統(tǒng)工作帶寬大、頻點(diǎn)高、天線陣元數(shù)多,因此用于感知可以獲得極佳的測(cè)距、測(cè)速、測(cè)角性能。然而,目前太赫茲感知的可靠性仍存在諸多挑戰(zhàn):① 回波弱,太赫茲信號(hào)發(fā)射功率低,經(jīng)過去波路徑損耗、反射損耗與回波路徑損耗后,接收到的回波信號(hào)信噪比較低,從而降低參數(shù)估計(jì)的性能;② 不穩(wěn)定,太赫茲信號(hào)的回波強(qiáng)度受信道環(huán)境(直射路徑是否被阻塞等)與目標(biāo)姿態(tài)(影響雷達(dá)反射截面等)影響,導(dǎo)致感知易失效、鏈路易中斷。為此,可以利用部署于太赫茲多天線系統(tǒng)后端的計(jì)算功能,對(duì)回波信號(hào)與信息進(jìn)行處理,進(jìn)而改善太赫茲感知的可靠性,從而對(duì)移動(dòng)通信性能進(jìn)行優(yōu)化,性能界限特征總結(jié)如表4所示,其中,γn為第n個(gè)接收天線陣元接收信號(hào)的單位信噪比,Tpri為感知間隔。

表4 不同場(chǎng)景下太赫茲多天線移動(dòng)通信性能界限Tab.4 Performance bounds of THz MIMO mobile communications under various scenarios

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同,感知協(xié)同通信的考量參數(shù)存在差異。對(duì)于面向隨機(jī)抖動(dòng)用戶的波束對(duì)準(zhǔn)(高斯波束)場(chǎng)景,目標(biāo)的移動(dòng)性無法估計(jì),僅可通過方位角感知協(xié)同通信;對(duì)于沿徑向方向機(jī)動(dòng)的用戶的波束對(duì)準(zhǔn),可通過方位角-徑向速度二維感知協(xié)同通信;對(duì)于全向(徑向+切向)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的波束對(duì)準(zhǔn),可通過方位角-徑向速度-切向角速度三維感知協(xié)同通信;對(duì)于全向機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行波束聚焦(貝塞爾波束),可通過方位角-徑向速度-切向角速度-距離四維感知協(xié)同通信。

(5)

從而所獲融合信息的方差可表示為:

(6)

3.3 太赫茲多天線移動(dòng)通信感知性能折衷

OFDM作為5G NR物理層的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式[43],因技術(shù)成熟度極高而廣泛應(yīng)用于太赫茲大容量傳輸。本節(jié)利用多天線OFDM波形同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和感知功能,研究太赫茲多天線移動(dòng)通信和感知過程中存在的性能折衷問題。

考慮多數(shù)據(jù)流以及OFDM循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)和時(shí)間同步帶來的額外開銷,用戶目標(biāo)實(shí)際體驗(yàn)到的有效傳輸速率表示為[44]：

(7)

在回波感知方面,為了避免回波信號(hào)處理中引入符號(hào)間干擾,最大回波時(shí)延不應(yīng)超過CP長度,進(jìn)而限制了最大容限距離[46],即:

(8)

為了避免在距離估計(jì)中產(chǎn)生距離模糊問題,最大不模糊距離計(jì)算為[46]：

(9)

綜合式(2)和式(3)得到,太赫茲移動(dòng)通信系統(tǒng)的最大感知距離應(yīng)取最大容限距離和最大不模糊距離的最小值,即:

(10)

基于上述分析,圖3為采用4×4 MIMO-16QAM調(diào)制,fc=140 GHz、BOFDM=1 GHz、|v|max=60 km/h時(shí)有效傳輸速率和最大感知距離與子載波數(shù)的關(guān)系。在帶寬固定的條件下,隨著子載波數(shù)增加,OFDM符號(hào)長度增大,導(dǎo)致有效傳輸速率降低,最大感知距離延長。此外,有效傳輸速率還隨CP長度增大而減小,最大感知距離則隨CP長度增大而增大,二者均受CP占比影響,且呈相反趨勢(shì)。因此,太赫茲多天線移動(dòng)通信存在有效傳輸速率與感知距離的性能折衷關(guān)系,主要影響因素包括子載波數(shù)和CP占比。

圖3 有效傳輸速率和最大感知距離與子載波數(shù)的關(guān)系Fig.3 Effective data rate and maximum sensing range versus number of subcarriers

4 未來方向

通過上述研究可知,用戶移動(dòng)、天線波束與感知協(xié)同是太赫茲多天線移動(dòng)通信的重要特征,也是其性能界理論面向的場(chǎng)景特性。現(xiàn)有理論研究雖然已經(jīng)初步揭示了太赫茲多天線移動(dòng)通信的性能界限,但還存在以下幾方面挑戰(zhàn)。

4.1 太赫茲多天線移動(dòng)通信基礎(chǔ)信息理論

對(duì)于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男畔⒗碚撗芯?需要給出通信性能內(nèi)界,一方面需證明該界限是最大的可達(dá)界,另一方面需證明超過界限是不可達(dá)的。目前太赫茲多天線移動(dòng)通信性能研究由于推導(dǎo)過程中采用了較多簡化與放縮的處理,得到的性能界限均為外界,其理論價(jià)值與對(duì)技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意義有限。如何在保證性能可閉式表征的前提下,面向特定場(chǎng)景參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù),將外界逐漸收緊趨近于內(nèi)界,乃至于求出真正的內(nèi)界,是太赫茲多天線移動(dòng)通信界限理論的研究重點(diǎn)。

4.2 太赫茲多天線移動(dòng)通信信號(hào)處理

性能界限作為率指標(biāo)的上界或失真指標(biāo)的下界,其數(shù)值與真實(shí)指標(biāo)存在差異,在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往僅可作為參考。3.2節(jié)提出了基于性能界限計(jì)算的信號(hào)處理方法,以解決感知協(xié)同太赫茲多天線移動(dòng)通信的可靠性難題,但CRB指標(biāo)無法直接替代實(shí)際表征精度的均方根誤差(Mean Square Error,MSE)指標(biāo),其適用性有待數(shù)值仿真與硬件測(cè)試來驗(yàn)證。與此同時(shí),類似的思路也可用于通信的編碼、調(diào)制與波束賦形過程,通過計(jì)算性能界限以修正系統(tǒng)參數(shù)的信號(hào)處理方法,應(yīng)對(duì)太赫茲通信信道的高動(dòng)態(tài)與隨機(jī)性,從而拓寬性能界限研究在指導(dǎo)太赫茲多天線移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

4.3 太赫茲多天線移動(dòng)通信波形設(shè)計(jì)

波形體制是任何通信系統(tǒng)的核心,現(xiàn)有5G NR標(biāo)準(zhǔn)對(duì)OFDM幀結(jié)構(gòu)定義尚未包含太赫茲頻段,導(dǎo)致太赫茲多天線移動(dòng)通信波形設(shè)計(jì)缺少理論指導(dǎo)。3.3節(jié)僅討論了OFDM波形有效傳輸速率和最大感知距離的性能折衷,未涉及其他性能指標(biāo),折衷分析尚不完善。針對(duì)高速移動(dòng)帶來嚴(yán)重多普勒效應(yīng),未來太赫茲移動(dòng)通信需要采用能夠?qū)垢叨嗥绽疹l偏的新興通信波形OTFS,亟需進(jìn)一步探究其幀結(jié)構(gòu)參數(shù)、多天線陣列設(shè)置和不同預(yù)編碼方式與通信性能指標(biāo)(主要包括有效速率、頻譜/能量效率、通信距離和誤碼率等)之間的聯(lián)系,以構(gòu)建設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或理論框架,指導(dǎo)物理層波形設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

國內(nèi)外太赫茲多天線移動(dòng)通信研究現(xiàn)狀表明,性能界理論缺失使得太赫茲移動(dòng)通信的架構(gòu)單一、性能極限無法估量,制約太赫茲通信創(chuàng)新性發(fā)展。理論研究現(xiàn)狀表明,現(xiàn)有太赫茲多天線移動(dòng)通信技術(shù)性能與需求的差距,可以通過感知協(xié)同方式迫近。太赫茲多天線移動(dòng)通信性能界理論亟需深入研究性能界限、性能優(yōu)化、性能折中三個(gè)方面,需要重點(diǎn)厘出性能界可達(dá)與否、信號(hào)處理對(duì)性能界影響以及波形等物理層技術(shù)與性能界之間的內(nèi)在聯(lián)系。