太赫茲技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用于6G的挑戰(zhàn)分析

劉利平 菅夢(mèng)楠 陳藝戩

摘要：作為6G潛在技術(shù)之一，太赫茲技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)速率提升、超密集連接、低時(shí)延傳輸?shù)染哂蟹e極作用。首先闡述了太赫茲技術(shù)的傳播特性和信道建模方法。根據(jù)傳播特性確定了大尺度、小尺度和微尺度3個(gè)維度的太赫茲應(yīng)用場景。接著，針對(duì)太赫茲特殊的頻譜特性，設(shè)計(jì)了物理層波形、調(diào)制編碼、超大規(guī)模多輸入多輸出（UM-MIMO），以及媒體接入控制（MAC）層波束管理方案。最后，關(guān)注了適用于太赫茲頻段的智能超表面（RIS）技術(shù)，探討了RIS關(guān)鍵使能技術(shù)與方案設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：太赫茲；傳播模型；應(yīng)用場景；基帶處理；智能超表面

Abstract： As one of the potential technologies for 6G system， terahertz technology facilitates data-rate improvement， ultra-dense connection and low-latency transmission. The propagation characteristics and channel modeling methods of terahertz band are studied in this paper. Based on the special spectrum characteristics of terahertz， three kinds of terahertz application scenarios including macro-scale， micro-scale and nano-scale are analyzed. Then， potential schemes to design physical layer waveform， modulation and coding， ultra-massive multiple-input multiple-output （UM-MIMO）， and media access control （MAC） layer beam management in terahertz system schemes are given. Finally， the reconfigurable intelligent surface （RIS） technology is introduced which is applicable to the terahertz frequency. The key enabling technologies and solutions for RIS are discussed.

Keywords： terahertz； propagation model； application scenario； baseband signal processing； reconfigurable intelligent surface

在未來6G網(wǎng)絡(luò)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、五感通信、萬物互聯(lián)等智能服務(wù)要求數(shù)據(jù)速率有千倍提升，以實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠、可擴(kuò)展的無縫連接[1]。作為6G潛在的基礎(chǔ)技術(shù)，太赫茲是指100 GHz～10 THz的頻段資源，它被業(yè)界評(píng)為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一[2]。太赫茲具有連續(xù)可用的大帶寬，將有助于構(gòu)建6G短距離、高速率的傳輸系統(tǒng)，支持超高速率的數(shù)據(jù)傳輸，滿足超密集設(shè)備的連接需求，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性，并支撐高能效的終端網(wǎng)絡(luò)[3-4]。

2020年，國際電信聯(lián)盟（ITU）啟動(dòng)6G研究工作。其中，太赫茲技術(shù)發(fā)展及其在6G中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。此外，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）將對(duì)95 GHz～3 THz進(jìn)行為期10年的開放性測(cè)試；歐盟制定了Horizon計(jì)劃并已啟動(dòng)多項(xiàng)針對(duì)太赫茲頻段的研究項(xiàng)目；日韓等國也相繼開展了對(duì)太赫茲器件和無線通信技術(shù)的研究[5]。太赫茲架構(gòu)的設(shè)計(jì)和相關(guān)硬件器件的研發(fā)是太赫茲技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。由于缺乏有效的太赫茲波產(chǎn)生和檢測(cè)技術(shù)，目前業(yè)界對(duì)太赫茲的研究仍處于探索階段。本文中，我們針對(duì)太赫茲的傳輸特性、應(yīng)用場景、基帶處理和相關(guān)智能超表面（RIS）技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 太赫茲傳輸特性

如圖1所示，太赫茲處于毫米波和紅外光波之間，屬于電子和光子的過渡區(qū)域。相比于毫米波，太赫茲具有頻率更高、帶寬更大、路徑損耗大、分子吸收嚴(yán)重、漫散射豐富和波束極窄的特點(diǎn)。與毫米波存在寬帶波束偏移現(xiàn)象不同，太赫茲存在波束寬帶分束現(xiàn)象[5]。

1.1 傳播模型分析

頻率的提高使傳播路徑損耗明顯增大，室外通信在受到雨霧天氣影響時(shí)也會(huì)帶來額外損耗。此外，發(fā)射機(jī)功放功率低、低噪聲放大器噪聲系數(shù)高、高增益天線設(shè)計(jì)加工難度大等都極大地限制了太赫茲波的傳輸范圍。太赫茲的典型應(yīng)用場景是短距離通信。通過與多天線技術(shù)結(jié)合，太赫茲可借助極窄波束來克服路徑衰落問題和擴(kuò)展傳播距離。

太赫茲的波長會(huì)引起分子吸收現(xiàn)象。這是因?yàn)樘掌澆ㄩL接近灰塵、雨、雪和大氣中的氣體分子尺寸，大氣氣體造成的共振會(huì)導(dǎo)致特定頻段受到分子吸收的影響。在長距離的高頻傳輸中，分子吸收損耗甚至?xí)^傳播路徑損耗。由于水蒸氣衰減是分子吸收的主要原因之一，因此雨和云霧對(duì)太赫茲衰減的影響是不可忽略的。此外，對(duì)流層對(duì)太赫茲衰減的主要影響是折射效應(yīng)[6-7]。

太赫茲波段存在的噪聲包括乘法器和混頻器的熱噪聲、振蕩器的相位噪聲，以及由分子吸收產(chǎn)生的噪聲等。由于各類分子的共振頻率不同，噪聲的功率譜密度會(huì)存在多個(gè)吸收峰值。分子吸收噪聲僅在太赫茲信號(hào)傳輸時(shí)出現(xiàn)。我們可以利用這一性質(zhì)來設(shè)計(jì)新型調(diào)制和信道編碼。分子吸收效應(yīng)導(dǎo)致多個(gè)路徑損耗峰，這意味著會(huì)存在多個(gè)處于路徑損耗峰之間的頻譜窗口。表1分析了0.1～1.03 THz頻段的頻譜窗口及其對(duì)應(yīng)的可用帶寬[3]。

隨著傳播距離的增加，頻譜窗口會(huì)變窄。為了獲得更好的傳輸性能，短距離傳輸可以使用太赫茲，而長距離傳輸則采用中低頻傳輸。針對(duì)不同頻譜窗口，我們應(yīng)當(dāng)充分利用衰落平坦的頻段來分段制定傳輸策略，并通過智能共享信道來實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲大帶寬、非連續(xù)頻段的利用。

1.2 太赫茲信道建模

1.2.1 確定性信道模型

基于傳播理論，確定性信道模型首先需要傳播環(huán)境的詳細(xì)幾何信息，然后才可以準(zhǔn)確地捕獲電磁波傳播以進(jìn)行精確建模。

射線追蹤（RT）方法利用了幾何光學(xué)原理。太赫茲的極短波長使通過射線光學(xué)方法進(jìn)行精確信道建模成為可能。太赫茲波在傳播過程中容易受到空間物體的阻擋，存在傳播衰落和分子吸收問題。如圖2所示，微粒特性使太赫茲波擁有多種傳播路徑：視距傳播（LOS）、反射、漫散射和衍射等[8-9]。與太赫茲入射波相比，低頻下的光滑表面則呈現(xiàn)出粗糙的特點(diǎn)。漫反射徑能量甚至超過鏡面反射徑能量。在散射測(cè)量中我們可以觀察到反向散射波瓣。

時(shí)域有限差分（FDTD）方法能夠借助數(shù)值方式來求解麥克斯韋方程，并且使用迭代方式來更新模擬區(qū)域。這種方法不僅可以很好地解決太赫茲中粗糙表面帶來的復(fù)雜漫散射問題，還可以對(duì)小范圍場景進(jìn)行建模。然而，為了準(zhǔn)確捕獲太赫茲傳播的幾何特征，F(xiàn)DTD方法除了需要應(yīng)對(duì)極高的計(jì)算復(fù)雜度外，還需要確定材料特性，開發(fā)3D RT模擬器，分析時(shí)變特性等。

1.2.2 統(tǒng)計(jì)信道模型

統(tǒng)計(jì)信道建模方法通過隨機(jī)分布對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行建模。常用的參數(shù)包括路徑增益、到達(dá)方向、延遲、路徑衰減和耦合等。該類方法借助經(jīng)驗(yàn)信道測(cè)量的統(tǒng)計(jì)方式對(duì)太赫茲信道進(jìn)行建模，避免了確定性信道建模的高計(jì)算復(fù)雜度。對(duì)此，一種廣泛應(yīng)用的處理方法為：用抽頭延遲線公式來表征無線傳輸，并為路徑參數(shù)（如到達(dá)角方向、到達(dá)時(shí)間和復(fù)路徑增益）指定統(tǒng)計(jì)分布。統(tǒng)計(jì)信道建模需要滿足時(shí)間展寬效應(yīng)分析、群集行為建模、時(shí)空聯(lián)合建模等要求。

1.2.3 混合信道模型

混合信道建模方法是確定性方法和統(tǒng)計(jì)方法的組合，旨在尋求準(zhǔn)確性和復(fù)雜度之間的平衡。其中，隨機(jī)分布和射線追蹤混合方法（SSRTH）隨機(jī)放置散射體，并使用RT技術(shù)對(duì)多徑傳播進(jìn)行跟蹤和建模，以構(gòu)建基于幾何的隨機(jī)信道模型；RT-FDTD混合方法使用FDTD來分析靠近復(fù)雜不連續(xù)點(diǎn)的區(qū)域，同時(shí)使用RT方法來跟蹤區(qū)域中不包含的射線，以解決RT方法在復(fù)雜不連續(xù)點(diǎn)區(qū)域中的不準(zhǔn)確問題。如何實(shí)現(xiàn)在FDTD和RT方法之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換并融合邊界結(jié)果是當(dāng)前亟待解決的問題。

2 太赫茲應(yīng)用場景

未來6G網(wǎng)絡(luò)中太赫茲系統(tǒng)的可能應(yīng)用包括無線通信、認(rèn)知、傳感、成像、定位和導(dǎo)航等，如圖3所示。本節(jié)將重點(diǎn)分析太赫茲技術(shù)在未來6G無線通信中的應(yīng)用場景。

2.1 大尺度應(yīng)用場景

太赫茲可應(yīng)用于傳輸距離大于100 m的室外場景，包括回傳/前傳鏈路、太空應(yīng)用、車載網(wǎng)絡(luò)等。由于室外太赫茲傳播容易受到水蒸氣、雨、云霧等因素的影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要預(yù)留額外的鏈路增益。

超密集網(wǎng)絡(luò)部署和多點(diǎn)傳輸協(xié)作驅(qū)動(dòng)大容量無線回程鏈路的發(fā)展。因此，太赫茲無線回傳應(yīng)運(yùn)而生。國際移動(dòng)通信（IMT）2020和下一代通信系統(tǒng)都要求前傳鏈路的傳輸容量必須遠(yuǎn)大于10 Gbit/s，而太赫茲可以很好地滿足這一要求。由于存在極高的傳輸損耗和器件限制，因此太赫茲在應(yīng)用于室外回傳/前傳等時(shí)需要配備高增益指向性天線。

未來車與車、車與基礎(chǔ)設(shè)施通信的大帶寬連接，要求無人駕駛汽車具有實(shí)時(shí)信息服務(wù)和數(shù)據(jù)批量下載的能力。雖然太赫茲是支持車載網(wǎng)絡(luò)通信的可靠技術(shù)，但它仍需要滿足車輛調(diào)度、自主鏈路建立、區(qū)域間車輛控制切換、地圖規(guī)劃，以及太赫茲頻譜的有效利用等需求。

為了滿足空間通信網(wǎng)絡(luò)的需求，我們可以使用太赫茲頻譜資源以獲得超高數(shù)據(jù)速率和較低能耗。將太赫茲應(yīng)用于僅考慮自由空間損耗的衛(wèi)星應(yīng)用場景[10]可以擺脫分子衰落等因素帶來的衰減，并擴(kuò)大可連續(xù)利用的頻譜帶寬。盡管如此，太赫茲目前仍然面臨著高增益極窄定向波束難以對(duì)準(zhǔn)的問題。

2.2 小尺度應(yīng)用場景

小尺度應(yīng)用場景是指太赫茲技術(shù)在1～100 m傳播距離的應(yīng)用場景。

太赫茲頻段通信可用于6G蜂窩小區(qū)，在10 m的覆蓋范圍內(nèi)能夠提供超高速率的數(shù)據(jù)通信，并實(shí)現(xiàn)超高速有線網(wǎng)絡(luò)與無線設(shè)備之間的無縫連接。此外，太赫茲還適用于室內(nèi)和室外場景，可以支持靜態(tài)和移動(dòng)用戶通信。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心面臨著復(fù)雜度、可靠性、功耗、維護(hù)成本、空間占用等多方面的挑戰(zhàn)。引入無線太赫茲鏈路，并在數(shù)據(jù)中心內(nèi)提供可重新配置的路由，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，并在不減少帶寬的情況下降低布線成本。

太赫茲在實(shí)現(xiàn)超高速有線網(wǎng)絡(luò)與個(gè)人無線設(shè)備之間的無縫高速互連時(shí)，能夠提供太比特?zé)o線局域網(wǎng)（WLAN）、高清全息視頻會(huì)議等服務(wù)[11]。無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）可以通過太赫茲建立附近設(shè)備間的太比特每秒鏈路，在室內(nèi)桌面等范圍支持個(gè)人設(shè)備之間的超高速率數(shù)據(jù)傳輸。

在小尺度應(yīng)用場景中，太赫茲通信可以實(shí)現(xiàn)超寬帶安全通信鏈路，相關(guān)應(yīng)用主要包括無人爆炸物探測(cè)、有毒氣體檢測(cè)、雷達(dá)通信和極窄波束防竊聽等。

2.3 微尺度應(yīng)用場景

通信距離小于1 m的微尺度通信是太赫茲通信的特色應(yīng)用，它可以有效避免由太赫茲波段高路徑衰減和分子衰減帶來的負(fù)面影響。

自助服務(wù)機(jī)（KIOSK）系統(tǒng)要求終端具有高速率數(shù)據(jù)傳輸能力。KIOSK可以將大量數(shù)據(jù)下載到用戶終端，并在火車站、購物中心等公共區(qū)域提供服務(wù)。用戶與自助服務(wù)終端之間的距離通常小于10 cm。在進(jìn)行微尺度通信時(shí)，太赫茲需要滿足近距離傳輸范圍和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟蟆?/p>

高速太赫茲無線鏈路可以連接多個(gè)印制電路板（PCB），也可以連接設(shè)備內(nèi)部同一PCB上的芯片。通過平面納米天線，太赫茲可以實(shí)現(xiàn)無線片上網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展形式，創(chuàng)建超高速鏈路，以滿足面積受限和通信密集片上場景的嚴(yán)格要求[12]。

由于太赫茲波長與分子尺寸接近，我們可以通過納米傳感器來監(jiān)測(cè)膽固醇、癌癥生物標(biāo)志物等，還可以通過構(gòu)造納米傳感器網(wǎng)絡(luò)來收集有關(guān)用戶的健康數(shù)據(jù)。通過納米傳感器與微型設(shè)備之間的無線接口，可以實(shí)現(xiàn)健康數(shù)據(jù)的上報(bào)[13]。與伽馬射線等健康檢測(cè)方法相比，太赫茲健康監(jiān)測(cè)具有更高的安全性。

3 太赫茲基帶處理算法

太赫茲存在功率放大器非線性、同相/正交（I/Q）不平衡、相位噪聲嚴(yán)重等問題。此外，當(dāng)前的物理層主要是針對(duì)52.6 GHz以下頻譜進(jìn)行優(yōu)化的，對(duì)太赫茲頻段的優(yōu)化比較少。因此，太赫茲相應(yīng)的器件設(shè)計(jì)優(yōu)化和基帶處理算法仍需要進(jìn)一步研究。

3.1 波形設(shè)計(jì)

在進(jìn)行太赫茲頻段的波形設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)考慮太赫茲的特有性質(zhì)，例如路徑損耗極高、信道稀疏、時(shí)間擴(kuò)展嚴(yán)重、延遲擴(kuò)散大、載波頻率偏移、相位噪聲高、多普勒頻移擴(kuò)展變大等。這對(duì)帶外發(fā)射等指標(biāo)提出了更高的要求。此外，我們還需要充分考慮隨距離變化的頻譜窗口，以獲得適用于特定傳輸距離的太赫茲波形。

由于太赫茲頻段存在信道多徑擴(kuò)展的特點(diǎn)，多載波波形仍是太赫茲波形設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。太赫茲通信系統(tǒng)面臨相位噪聲高、硬件受限嚴(yán)重的問題。這使得能夠與現(xiàn)有系統(tǒng)更兼容的正交頻分復(fù)用（OFDM）波形具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，加窗OFDM采用具有平滑邊緣的非矩形脈沖形狀來改善OFDM波的頻譜形狀，帶外泄露相對(duì)較低，是太赫茲頻段重要的波形之一。為了進(jìn)一步克服太赫茲多載波波形的高峰均功率比（PAPR），我們可以采用選擇性映射、部分傳輸序列和選擇合適碼本等方法。

單載波正交幅度調(diào)制（QAM）[14]可以降低頻率偏移靈敏度、相位噪聲和PAPR，還可以通過頻率均衡器降低信號(hào)處理的復(fù)雜度。然而，單載波QAM僅適用于全帶寬方案。對(duì)此，載波聚合可能是一種解決方案，但會(huì)帶來靈活性受限的問題。這是因?yàn)檩d波聚合有著更多的信令開銷和更為復(fù)雜的處理過程。

單載波離散傅里葉變換（DFT）擴(kuò)展OFDM（DFT-s-OFDM）波形可以將單載波的低PAPR和多載波頻域的資源靈活分配結(jié)合起來，但該方法面臨著由相鄰符號(hào)間過渡不連續(xù)造成的大量帶外泄漏等問題。特定碼字DFT-s-OFDM[15]采用旁瓣較低的濾波器以抑制DFT-s-OFDM符號(hào)尾部泄漏。在符號(hào)尾部生成特定碼字是一種可行的太赫茲單載波波形設(shè)計(jì)方案。表2給出了幾種太赫茲波形的對(duì)比分析。

分析距離與太赫茲頻譜窗口之間的關(guān)系對(duì)波形設(shè)計(jì)十分重要。由于單個(gè)頻譜窗口帶寬約為幾十吉赫茲，因此我們可以將每個(gè)頻譜窗口劃分為一組子帶來進(jìn)行多寬帶傳輸。為對(duì)抗頻率選擇性衰落并改善SINR，子帶信息符號(hào)可以通過一系列極短脈沖來表示。其中，極性隨機(jī)化脈沖可提供更強(qiáng)的抗干擾能力，并有助于優(yōu)化超寬帶通信的頻譜形狀。針對(duì)多用戶場景，子帶中心頻段將被分配給長距離和高要求的用戶，子帶邊緣頻段將被分配給小區(qū)中心和低要求的用戶，以保證邊緣用戶傳輸性能，實(shí)現(xiàn)多用戶傳輸和容量提升。

在幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般循環(huán)前綴（CP）持續(xù)時(shí)間是固定的，并且是根據(jù)最壞情況來設(shè)計(jì)的。這會(huì)對(duì)時(shí)延擴(kuò)展小的用戶造成負(fù)面影響，這一點(diǎn)在時(shí)延擴(kuò)展大的太赫茲通信中尤為嚴(yán)重。為此，一種解決方案是：使用內(nèi)部保護(hù)間隔來替換CP，使保護(hù)間隔和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偝掷m(xù)時(shí)間固定，同時(shí)兩者的比率可以靈活變動(dòng)，如圖4所示。內(nèi)部保護(hù)間隔可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展以處理時(shí)序未對(duì)準(zhǔn)問題，在不影響幀持續(xù)時(shí)間的情況下，為遠(yuǎn)近用戶配置不同的保護(hù)間隔，從而避免符號(hào)間干擾。

3.2 調(diào)制編碼

太赫茲功率放大器在飽和區(qū)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高水平失真。高PAPR問題在太赫茲頻率內(nèi)表現(xiàn)得尤為突出。復(fù)雜基帶信號(hào)包絡(luò)的緩變會(huì)降低對(duì)功率放大器的線性要求。低復(fù)雜度的低包絡(luò)變化調(diào)制是太赫茲調(diào)制的優(yōu)先選擇。

π/ 4正交相移鍵控（QPSK）是QPSK和偏置正交相移鍵控（OQPSK）的折中，它允許的最大相變?yōu)?35°。經(jīng)過帶通濾波的π/ 4 QPSK信號(hào)的包絡(luò)波動(dòng)比帶通QPSK信號(hào)小。π/ 4 QPSK旁瓣功率衰減速率比QPSK快，并且具有更高頻譜效率。此外，基于相同設(shè)計(jì)方法的π/ 4二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）也是一種低包絡(luò)變化的信號(hào)調(diào)制方法。低階調(diào)制在大帶寬太赫茲通信中受到更多關(guān)注。

太赫茲頻段嚴(yán)重的器件損傷和相位噪聲可能會(huì)給傳輸帶來不利影響。因此，研究降低相位噪聲影響的調(diào)制方案是十分必要的。振幅移相鍵控屬于線性調(diào)制，它的星座點(diǎn)被限制在一組同心環(huán)上，對(duì)非線性失真的敏感度較低。這有利于消除功率放大器的非線性失真。

針對(duì)太赫茲微尺度通信，基于上百飛秒長脈沖的通斷鍵控（OOK）開關(guān)設(shè)計(jì)[16]是一種可行的調(diào)制方案。該方法以靜默方式來傳輸邏輯0信號(hào)，使用初始化前同步碼和恒定長度的數(shù)據(jù)包來區(qū)分靜默與非靜默狀態(tài)，對(duì)納米器件之間的嚴(yán)格同步要求較低，能夠避免分子吸收噪聲帶來的干擾，有效減少高頻短脈沖下的復(fù)雜同步過程帶來的干擾。

為設(shè)計(jì)低復(fù)雜度信道編碼方案，我們需要研究傳輸速率與解碼時(shí)間之間的權(quán)衡關(guān)系。編碼方案需要充分分析太赫茲多分子吸收和多徑衰落，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件動(dòng)態(tài)設(shè)置最佳編碼權(quán)重。目前，IEEE 802.15.3e（電氣與電子工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）針對(duì)252～325 GHz的頻率范圍制定了前向糾錯(cuò)（FEC）方案，并指出在極高數(shù)據(jù)速率下FEC在硬件實(shí)現(xiàn)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

3.3 超大規(guī)模多輸入多輸出（UMMIMO）技術(shù)

UM-MIMO能夠解決太赫茲通信距離短的問題，進(jìn)而提升太赫茲通信網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)容量。

表面等離極化激元（SPP）波屬于受限電磁波，它常出現(xiàn)在金屬和電介質(zhì)間由電荷的整體振蕩產(chǎn)生的界面上，其波長遠(yuǎn)小于自由空間波長。石墨烯SPP波通常適用于頻率高于1 THz的通信場景。等離子體超材料天線在100 GHz～1 THz頻段下可能會(huì)替代傳統(tǒng)天線。SPP波在石墨烯中的傳播特性取決于結(jié)構(gòu)尺寸和費(fèi)米能量。動(dòng)態(tài)調(diào)整限制因子能夠使天線陣列諧振頻率可調(diào)。

在UM-MIMO波束賦形中，大量納米天線集成為小尺度陣列，同時(shí)高增益窄波束指向最強(qiáng)的傳播路徑，以補(bǔ)償極高的路徑衰減。在太赫茲波段，基于碼本的混合波束賦形策略是可能的解決方案之一。該方案的過程大致包括：首先選擇傳輸窗口，進(jìn)行預(yù)掃描和用戶分組，然后進(jìn)行距離感知多載波傳輸，精確模擬波束賦形，最后選擇天線子陣列，進(jìn)行功率分配和混合波束成形。

在UM-MIMO空間復(fù)用中，我們可以將超大規(guī)模天線陣列劃分為不同的子陣列。子陣列的數(shù)量、天線元素?cái)?shù)目、星座圖之間的權(quán)衡都有助于實(shí)現(xiàn)不同的傳輸目標(biāo)。在短距離通信時(shí)，天線元素級(jí)空間復(fù)用更有優(yōu)勢(shì)。在長距離傳輸時(shí)，子陣列的數(shù)量需要根據(jù)實(shí)際需求來配置。基于空域太赫茲信道存在多條不相關(guān)傳播路徑的特點(diǎn)，通過空間多路復(fù)用可以提高用戶數(shù)據(jù)的傳輸速率。

利用太赫茲傳輸多窗口可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量。等離子體納米天線陣列的諧振頻率可調(diào)性使多傳輸窗口的協(xié)同應(yīng)用成為可能。這種方法的基本思路是：首先以虛擬方式將納米天線陣列分成多個(gè)子陣列，然后獨(dú)立地調(diào)整每個(gè)子陣列元素的動(dòng)態(tài)復(fù)電導(dǎo)率，以使子陣列元素在不同的中心頻率上工作，最后通過選擇特定元素或交錯(cuò)方式來創(chuàng)建不同頻率的虛擬子陣列[17]。

3.4 波束管理

太赫茲波長短的特點(diǎn)使得在小面積內(nèi)集成大量天線成為可能。雖然太赫茲波束極窄，但容易產(chǎn)生波束指向誤差。由于射頻鏈路數(shù)量受限且太赫茲器件不成熟，因此部分具有混合波束賦形的連接結(jié)構(gòu)更具有潛力。

太赫茲信道具有天然稀疏特性，可以通過兩步波束子集優(yōu)化和線性波束搜索來減少搜索空間。對(duì)此，一種可行的方案為：通過壓縮感知等稀疏信號(hào)處理方法來減少波束選擇的訓(xùn)練負(fù)擔(dān)。具有較低復(fù)雜度的正交匹配追蹤（OMP）算法、近似消息傳遞（AMP）算法都是候選方法。在波束極窄的情況下，原子范數(shù)超分辨率壓縮感知的方法[18]能夠提升波束訓(xùn)練性能。此外，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)波束選擇方法可以降低波束管理的復(fù)雜度。數(shù)據(jù)模型雙驅(qū)動(dòng)的深度學(xué)習(xí)方法可以將無線傳輸模型和深度學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步結(jié)合，是一種待挖掘的波束訓(xùn)練方法。

用戶的移動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致太赫茲波束空間發(fā)生快速變化。因此，利用時(shí)變信道時(shí)間相關(guān)性的信道追蹤方法是研究方向之一。基于先驗(yàn)信息的波束追蹤方案通過實(shí)際用戶運(yùn)動(dòng)模型，來挖掘基站與用戶之間的物理方向時(shí)間變化規(guī)律，并利用先前時(shí)隙中獲得的波束空間信道來預(yù)測(cè)時(shí)變波束空間信道。智能波束追蹤方案[19]借助機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和預(yù)測(cè)過程，并利用過去信道狀態(tài)信息（CSI）來有效地預(yù)測(cè)未來波束方向和用戶CSI，使波束追蹤精度得到進(jìn)一步提升。

由于太赫茲信號(hào)衰減嚴(yán)重且衍射能力較弱，因此太赫茲出現(xiàn)阻塞的概率遠(yuǎn)高于毫米波波段。對(duì)此，我們可以采用基站間協(xié)作的方案來應(yīng)對(duì)波束阻塞。越區(qū)切換和阻塞預(yù)測(cè)是這種方案的主要手段。該方案構(gòu)造序列標(biāo)記并解決相關(guān)問題，利用監(jiān)督學(xué)習(xí)等方法來獲取阻塞發(fā)生時(shí)下一次最可能切換的基站信息，以防止由阻塞導(dǎo)致的突然鏈路斷開。太赫茲信道的多徑特性使得波束間協(xié)作成為解決波束阻塞問題的另一種思路。基于這種思路的方案可以建立針對(duì)LOS和（非視距傳播）NLOS路徑的波束對(duì)列表。當(dāng)檢測(cè)到堵塞時(shí)，系統(tǒng)將首先選擇一個(gè)新波束對(duì)，然后立即進(jìn)行切換。RIS的引入不僅使得改變傳輸環(huán)境和獲得期望路徑成為可能，還使波束協(xié)調(diào)方案的可行性得到進(jìn)一步提升。當(dāng)多個(gè)RIS協(xié)同工作時(shí)，可靠傳輸波束對(duì)將獲得進(jìn)一步增強(qiáng)。這使得波束協(xié)同方案在解決波束阻塞問題時(shí)更加具有吸引力。

4 RIS技術(shù)

無線信道是一種不可控的隨機(jī)連接，本身具有一定的不可靠性。此外，環(huán)境通常也會(huì)對(duì)通信效率產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著智能無線電磁環(huán)境概念的提出，控制無線環(huán)境成為超越傳統(tǒng)通信的可行方法。這為無線通信系統(tǒng)增加了新的自由度。

RIS由特殊設(shè)計(jì)的超材料單元按照一定規(guī)則排列組成，是一種具有可編程電磁特性的二維薄層人工電磁表面。改變RIS陣子的電磁特性可以控制無線電波的散射、反射和折射，克服多徑衰落和自然環(huán)境無線傳播的負(fù)面影響。無需復(fù)雜的編譯碼和射頻處理，RIS技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的定向反射，并形成振幅、相位、頻率可控的電場。

全球有不少高校和企業(yè)開展了對(duì)RIS技術(shù)的研究工作。例如，東南大學(xué)崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)和麻省理工大學(xué)H. BALAKRISHNAN教授團(tuán)隊(duì)等均對(duì)基于RIS的6G超大規(guī)模無線發(fā)射機(jī)、新型無線中繼、智能電磁墻等新應(yīng)用展開了深入研究[20-22]。歐洲遠(yuǎn)程教學(xué)創(chuàng)作與銷售網(wǎng)聯(lián)盟（ARIADNE）正在通過RIS先進(jìn)連接技術(shù)來探究100 GHz以上的D波段頻率。

4.1 RIS優(yōu)勢(shì)分析

RIS技術(shù)不僅具有低成本、大面積、易部署、連續(xù)表面、強(qiáng)兼容性、全雙工的優(yōu)點(diǎn)，還具有頻譜效率增強(qiáng)、無源被動(dòng)反射和全頻段工作的突出特點(diǎn)[23]。將RIS應(yīng)用于太赫茲頻段是未來的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

太赫茲信號(hào)容易受到阻擋物干擾，同時(shí)嚴(yán)重的分子吸收和路損衰減會(huì)影響太赫茲信號(hào)的可靠性。對(duì)此，RIS能夠通過重新配置無線傳播環(huán)境來補(bǔ)償功率損耗，以克服非視距限制，進(jìn)而構(gòu)建智能可控的無線環(huán)境。RIS技術(shù)可以顯著增加復(fù)用層數(shù)和容量，提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，改善移動(dòng)邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)延遲性能。

將RIS密集地分布在室內(nèi)和室外空間中會(huì)對(duì)太赫茲覆蓋空洞產(chǎn)生積極作用。具體來說，RIS可以在用戶與服務(wù)基站（或接入點(diǎn)）之間創(chuàng)建虛擬視線鏈接，以克服局部空洞問題，改善惡劣的傳播環(huán)境。這種方法具有低成本和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。

太赫茲衰減嚴(yán)重的缺點(diǎn)限制了其覆蓋范圍，這使太赫茲面臨小區(qū)邊緣用戶服務(wù)差和多小區(qū)同頻干擾的問題。對(duì)此，我們可以將RIS部署在小區(qū)邊緣，通過被動(dòng)波束賦形來提高目標(biāo)信號(hào)功率并抑制干擾，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍擴(kuò)大和動(dòng)態(tài)用戶追蹤。

對(duì)希望降低電磁干擾的場景（如醫(yī)院、機(jī)場等），RIS不僅可以通過智能控制無線環(huán)境來控制多徑，還可以通過有效干擾控制來降低電磁輻射水平。作為發(fā)射機(jī)應(yīng)用時(shí)，RIS可以降低對(duì)射頻鏈路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）的高需求。這將有助于應(yīng)對(duì)目前太赫茲面臨的硬件技術(shù)難題。

此外，RIS還可用于太赫茲頻段的定位、感知，以及其他新場景。RIS的極大陣子數(shù)目可以顯著提高空間分辨率，從而獲得超高定位精度[24-25]。例如，RIS不僅可以用于無人機(jī)太赫茲通信，提升無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能，還可以用于增強(qiáng)太赫茲物聯(lián)網(wǎng)場景，構(gòu)建智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

4.2 RIS關(guān)鍵技術(shù)分析

RIS引入了從基站到RIS、從RIS到用戶的分段信道，具有不同于大規(guī)模MIMO的信道特征。根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的幾何結(jié)構(gòu)、超表面面積和工作波長等，RIS包括近場工作模式和遠(yuǎn)場工作模式[26]。這兩種工作模式的信道具有不同的特征。這給RIS信道的表征與簡化帶來了新的挑戰(zhàn)。雙偏振反向散射信道模型和空間散射信道模型是RIS常用的模型。從發(fā)射機(jī)到RIS，再到接收機(jī)，這一過程的路徑損耗非常高。對(duì)這一損耗進(jìn)行合理建模是十分必要的。

獲取RIS與收發(fā)機(jī)之間的信道狀態(tài)信息對(duì)基站主動(dòng)波束賦形、RIS被動(dòng)波束賦形、安全傳輸，以及被動(dòng)信息傳輸?shù)戎陵P(guān)重要。被動(dòng)RIS不具備信號(hào)處理能力，且單元數(shù)量多導(dǎo)致下行鏈路反饋開銷巨大。這可能會(huì)導(dǎo)致I/Q不均衡、相位噪聲、放大器非線性等問題。因此，設(shè)計(jì)反饋開銷友好的魯棒信道估計(jì)方案是非常有必要的。由于太赫茲信道散射徑比較豐富，并且受分子吸收影響嚴(yán)重，因此在設(shè)計(jì)信道估計(jì)算法時(shí)需要對(duì)此加以考慮。太赫茲信道稀疏特性為信道估計(jì)帶來了便利。信道缺秩、雙結(jié)構(gòu)化稀疏等性質(zhì)可以用來進(jìn)行低導(dǎo)頻開銷的信道估計(jì)。同時(shí)，RIS分塊[27]、信道估計(jì)和波束匹配協(xié)同方案可以適配更實(shí)際的應(yīng)用場景。

RIS獨(dú)特的可編程特性為波束賦形提供了極大的便利。信道的分段特性需要對(duì)基站的主動(dòng)波束賦形和RIS的被動(dòng)波束賦形進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)。對(duì)此，基本的處理思路為：從信號(hào)處理的角度出發(fā)，將波束賦形設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為特定目標(biāo)的優(yōu)化問題，如使接收功率和數(shù)據(jù)速率達(dá)到最大化，使發(fā)射功率達(dá)到最小化等。此外，基于數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模型雙驅(qū)動(dòng)的人工智能為RIS無線通信波束賦形的設(shè)計(jì)帶來了新的處理方法。降維與分塊是衡量波束賦形精度和計(jì)算復(fù)雜度的有效方法。集中式和分布式RIS部署與組網(wǎng)設(shè)計(jì)是下一步的研究方向。

5 結(jié)束語

探索新頻段是6G研究的重點(diǎn)方向。隨著新場景的引入和垂直行業(yè)的發(fā)展，探索太赫茲頻段的高效利用方式顯得愈加重要。探究太赫茲特殊頻段特性、設(shè)計(jì)太赫茲基帶處理算法、研究太赫茲與其他新技術(shù)的結(jié)合、發(fā)展新一代超高速率通信系統(tǒng)都是未來研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] YANG P， XIAO Y， XIAO M， et al. 6G wireless communications： vision and potential techniques [J]. IEEE network， 2019， 33（4）： 70-75. DOI： 10.1109/MNET.2019.1800418

[2] 周澤魁， 張同軍， 張光新. 太赫茲波科學(xué)與技術(shù)[J]. 自動(dòng)化儀表， 2006， （3）： 1-6

[3] HUQ K M S， BUSARI S A， RODRIGUEZ J， et al. Terahertz-enabled wireless system for beyond-5G ultra-fast networks： a brief survey [J]. IEEE network， 2019. DOI： 10.1109/ MNET.2019.1800430

[4] 彭琳， 段亞娟， 別業(yè)楠. B5G毫米波和太赫茲技術(shù)的背景、應(yīng)用和挑戰(zhàn) [J]. 中興通訊技術(shù)， 2019， 25（3）： 82-86. DOI： 10.12142/ZTETJ.201903011

[5] TAN J， DAI L. THz precoding for 6G： applications， challenges， solutions， and opportunities[EB/OL]. （2020-05-21）[2021-01-29]. http：// arxiv.org/abs/2005.10752

[6] ITU. ITU-R R. P. 676-5： attenuation by atmospheric gases [EB/OL]. （2001-02-13）[2021-01-29]. https：//www.itu.int/rec/R-RECP.676-5-200102-S/en

[7] ITU. ITU-R P. 838-3： specific attenuation model for rain for use in prediction methods[EB/OL]. （2005-03-08）[2021-01-29]. https：// www.itu.int/rec/R-REC-P.838/en

[8] JU S H， SHAH S H A， JAVED M A， et al. Scattering mechanisms and modeling for terahertz wireless communications [C]//2019 IEEE International Conference on Communications（ICC）. Shanghai， China： IEEE， 2019： 1-7. DOI： 10.1109/ICC.2019.8761205

[9] RAPPAPORT T S， XING Y C， KANHERE O， et al. Wireless communications and applications above 100 GHz： opportunities and chal- lenges for 6G and beyond [J]. IEEE access， 2019， 7： 78729-78757. DOI： 10.1109/ACCESS.2019.2921522

[10] HWU S U， DESILVA K B， JIH C T. Terahertz（THz） wireless systems for space applications [C]//2013 IEEE Sensors Applications Symposium Proceedings. Galveston， TX， USA： IEEE， 2013： 171-175. DOI： 10.1109/ SAS.2013.6493580

[11] WANG C， LU B， LIN C X， et al. 0.34-THz wireless link based on high-order modulation for future wireless local area network applications [J]. IEEE transactions on terahertz science and technology， 2014， 4（1）： 75-85. DOI： 10.1109/TTHZ.2013.2293119

[12] YALGASHEV O. Towards nanoscale interconnect for system-on-chip [D]. Tashkent University of Information Technology， 2015

[13] AKYILDIZ I F， JORNET J M， HAN C. Terahertz band： next frontier for wireless communications [J]. Physical communication， 2014， 12： 16-32. DOI： 10.1016/j.phycom.2014.01.006

[14] SAHIN A， YANG R， LA SITA F， et al. A comparison of SC-FDE and UW DFT-s-OFDM for millimeter wave communications [C]//2018 IEEE International Conference on Communications （ICC）. Kansas City， MO， USA： IEEE， 2018： 1-7. DOI： 10.1109/ICC.2018.8422672

[15] SAHIN A， YANG R， BALA E， et al. Flexible DFT-S-OFDM： Solutions and challenges [J]. IEEE communications magazine， 2016， 54（11）： 106-112. DOI： 10.1109/ mcom.2016.1600330cm

[16] JORNET J M， AKYILDIZ I F. Femtosecond-long pulse-based modulation for terahertz band communication in nanonetworks[J]. IEEE transactions on communications， 2014， 62（5）： 1742-1754. DOI： 10.1109/ TCOMM.2014.033014.130403

[17] SARIEDDEEN H， ALOUINI M S， AL-NAFFOURI T Y. An overview of signal processing techniques for terahertz communications [EB/ OL]. （2020-05-27）[2021-01-29]. https：// arxiv.org/abs/2005.13176v1

[18] TSAI Y， ZHENG L， WANG X D. Millimeter-wave beamformed full-dimensional MIMO channel estimation based on atomic norm minimization [J]. IEEE transactions on communications， 2018， 66（12）： 6150-6163. DOI： 10.1109/TCOMM.2018.2864737

[19] GUO Y Q， WANG Z H， LI M， et al. Machine learning based mmWave channel tracking in vehicular scenario [C]//2019 IEEE International Conference on Communications Workshops（ICC Workshops）. Shanghai， China： IEEE， 2019： 1-6. DOI： 10.1109/ICCW.2019.8757185

[20] TANG W K， DAI J Y， CHEN M Z， et al. MIMO transmission through reconfigurable intelligent surface： system design， analysis， and implementation [J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2020， 38（11）： 2683-2699. DOI： 10.1109/JSAC.2020.3007055

[21] ARUN V， BALAKRISHNAN H. RFocus： beamforming using thousands of passive antennas [C]//17th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation（NSDI20）. Santa Clara， CA， USA： USENIX. 2020： 1047-1061

[22] SUBRT L， PECHAC P. Intelligent walls as autonomous parts of smart indoor environments[J]. IET communications， 2012， 6（8）： 1004. DOI： 10.1049/iet-com.2010.0544

[23] WU Q Q， ZHANG R. Towards smart and reconfigurable environment： Intelligent reflecting surface aided wireless network [J]. IEEE communications magazine， 2020， 58（1）： 106-112. DOI： 10.1109/MCOM.001.1900107

[24] HU J Z， ZHANG H L， DI B Y， et al. Reconfigurable intelligent surface based RF sensing： design， optimization， and implementation[J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2020， 38（11）： 2700-2716. DOI： 10.1109/JSAC.2020.3007041

[25] ZHANG H B， ZHANG H L， DI B Y， et al. Towards ubiquitous positioning by leveraging reconfigurable intelligent surface [J]. IEEE communications letters， 2021， 25（1）： 284-288. DOI： 10.1109/LCOMM.2020.3023130

[26] GARCIA J C B， SIBILLE A， KAMOUN M. Reconfigurable intelligent surfaces： bridging the gap between scattering and reflection[J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2020， 38（11）： 2538-2547. DOI： 10.1109/JSAC.2020.3007037

[27] JIAN M N， ZHAO Y J. A modified off-grid SBL channel estimation and transmission strategy for RIS-assisted wireless communication systems [C]//2020 International Wireless Communications and Mobile Computing （IWCMC）. Limassol， Cyprus： IEEE， 2020： 1848-1853. DOI： 10.1109/IWCMC48107.2020.9148537

作者簡介

劉利平，中興通訊股份有限公司無線軟件算法研發(fā)中心副主任；負(fù)責(zé)4G/5G無線基帶系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作，具有10余年無線通信技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)；擁有多項(xiàng)蜂窩移動(dòng)通信授權(quán)專利。

菅夢(mèng)楠，中興通訊股份有限公司無線算法部技術(shù)預(yù)研工程師；主要研究領(lǐng)域?yàn)?G技術(shù)預(yù)研；發(fā)表論文8篇。

陳藝戩，中興通訊股份有限公司技術(shù)預(yù)研資深專家、青年領(lǐng)軍人才、深圳市地方級(jí)領(lǐng)軍人才；主要研究領(lǐng)域?yàn)?G技術(shù)預(yù)研；發(fā)表論文10篇，獲授權(quán)專利50項(xiàng)。