太赫茲通信感知一體化波形：現狀與展望

尉志青，馮志勇，李怡恒，馬昊，賈錦竹

（北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室，北京 100876）

0 引言

頻段范圍為0.1～10 THz 的電磁波被稱為太赫茲電磁波[1]。太赫茲電磁波由于具備穿透性、低能性、瞬態性、“指紋”譜、寬帶性等特點[1]，被視作6G 的潛在頻段，獲得了學術界和產業界的廣泛關注[2]。各頻段電磁波承載的業務如圖1 所示。太赫茲電磁波具備超大帶寬超低時延通信的能力，在自動駕駛等場景將獲得廣泛的應用；太赫茲波長短，太赫茲器件具備小型化潛力，在物聯網等場景有應用潛力；太赫茲帶寬較大，結合超大規模天線，將獲得極高的距離、速度和角度分辨率，在感知方面具備較大的潛力，可以廣泛應用于機器通信、數字孿生、沉浸式業務等方面。

圖1 各頻段電磁波承載的業務

IMT 2030(6G)推進組將通信感知一體化技術視作未來6G 的潛在技術之一[3]。與目前的移動通信系統相比，通信感知一體化技術有望同時實現高精度感知與高速率通信[4]。這將極大推動未來6G時代機器通信、沉浸式業務等的發展。而太赫茲電磁波由于具備大帶寬通信和高精度感知的能力，是通信感知一體化技術最有潛力應用的頻段之一，因此太赫茲通信感知一體化技術獲得了廣泛的關注。

在太赫茲通信感知一體化技術的研究中，通信感知一體化波形設計至關重要。通信感知一體化波形的研究面臨如下挑戰：1)通信感知一體化技術的應用場景是多樣的，不同場景對感知與通信的性能需求具有較大差異，因此，需要設計面向多樣化場景的靈活可重構通信感知一體化波形；2)通信信號的隨機性與感知信號所需要的強自相關性存在矛盾，一體化波形設計需要權衡兩者的性能；3)通信感知一體化信號設計需要與數據鏈路層、網絡層調度相匹配，需要考慮到多節點的組網能力。

面向太赫茲通信感知一體化的需求和研究挑戰，本文綜述了太赫茲通信感知一體化技術的應用場景、波形設計方法，并展望了未來太赫茲通信感知一體化技術的研究方向。

1 場景與需求

太赫茲結合超大規模天線，一方面提供了極高的傳輸速率和頻譜效率，另一方面超窄波束成形也給波束對準和跟蹤帶來極大的挑戰。太赫茲通信感知一體化技術有望通過感知信息的輔助降低波束訓練的復雜度，提高通信性能。此外，太赫茲通信感知一體化技術有助于催生一些新的業務應用，并降低設備的體積和功耗，提高設備的成本效率。太赫茲通信感知一體化具備如下優勢。

1)感知輔助通信性能提升。對于高度移動的太赫茲通信環境，波束對準與跟蹤的難度極大，而感知信息可以加快波束對準與跟蹤的速度[5]；精準態勢感知也可用于對通信資源進行預測性分配；太赫茲通信感知一體化的本質是感知和通信功能的動態頻譜共享，在足夠大的太赫茲帶寬的基礎上可提高頻譜效率。

2)催生新業務場景。機器通信、沉浸式業務等需要物理空間與數字空間的高度統一，該類業務同時需要在物理空間的感知和數字空間的通信[6]。太赫茲通信感知一體化技術可以服務于這些業務，能夠同時提供即時高分辨率感知以及高數據速率的通信，加速這些新業務的落地實施。

3)提高成本效率。通信與感知功能通過復用硬件，可降低設備成本[7]，促進設備的快速推廣。

因此，太赫茲通信感知一體化有豐富的場景與技術需求，亟須進行深入的研究。下文針對其中的基礎性技術，即太赫茲通信感知一體化波形設計進行綜述。

2 太赫茲通信感知一體化波形設計

頻段的寬度在很大程度上決定了數據的傳輸速度，信道寬度越寬，數據傳輸速率越快。與毫米波和Wi-Fi 頻段相比，太赫茲頻段具有更大帶寬、更窄波束，具有更優秀的傳輸能力和更好的方向性。太赫茲通信感知一體化波形設計的目標是同時實現環境中的目標感知和信息傳輸[8]，從而實現高數據傳輸速率和高精度感知[9]。感知信號通常是一些高發射功率的脈沖信號或周期連續波信號，接收端僅需要簡單的信號處理；但是通信信號通常是一些隨機的調制信號，接收端的復雜度高[3]。因此設計一體化波形時，需要權衡兩者的性能，根據不同的需求對調制方式、發射功率、帶寬等進行自適應調整[10]。

2.1 基于通信波形的太赫茲通信感知一體化波形

太赫茲通信感知一體化技術有利于實現感知和通信的相互促進，具有廣闊的應用前景[11]。但太赫茲的頻段較高，會帶來較大的路徑損耗，更適用于短距通信感知一體化場景。在基于通信波形的太赫茲通信感知一體化波形的設計中，峰值平均功率比（PAPR,peak to average power ratio）將是設計過程中考慮的重點。

基于通信波形的太赫茲一體化波形有許多可能的選擇，并對射頻子系統的實施具有深遠的影響。總體來看，需要考慮的因素包含功率放大器（PA,power amplifier）補償能力、相位噪聲的對抗能力以及幀結構的設計和調度能力[12]。在PA 補償方面，波形所產生的時域信號動態范圍直接影響功率放大器的性能及其最大輸出功率的工作范圍；振蕩器所產生的輸出頻率不穩定導致的相位噪聲現象會導致發射和接收信號的相位隨時間變化，由此產生的相位噪聲不容小覷[13]；同樣地，對于太赫茲范圍內的載波頻率，子載波間隔和循環前綴長度的選擇對整體系統的設計至關重要[14]。下面將從基于通信波形的太赫茲通信感知一體化波形在單載波和多載波2 個分類下進行描述。

2.1.1 單載波波形

單載波比多載波具有更小的功率放大器回退，單載波波形具有PAPR 較低、節能、實施簡單、可延長用戶設備的電池壽命、適用于小范圍覆蓋場景等優點[15]。二進制相移鍵控（BPSK,binary phase-shift keying）、正交相移鍵控（QPSK,quadrature phase-shift keying）、M 進制正交幅度調制（MQAM,multiple quadrature amplitude modulation）等調制方式在通信波形中經常被采用。總之，基于通信波形的太赫茲一體化波形在單載波方面有以下幾種波形。

1)單載波頻域均衡（SC-FDE,single carrier frequency domain equalization）波形

SC-FDE 波形是簡單的基于時域的調制信號[16]。與基于正交頻分復用（OFDM,orthogonal frequency division multiplexing）的一體化波形相比，SC-FDE波形降低了PAPR，瞬時功率更穩定，提高了系統對功率放大器引入的非線性穩健性，同時可以抵抗頻率偏移[17]。當系統發送復雜信號時，利用SC-FDE可以簡單發送PSK 或QAM 調制信號，因此，發射機可實現極大簡化，不需要多余的模數轉換器[18]。

2)離散傅里葉變換擴頻正交頻分復用（DFT-s-OFDM,discrete fourier transform-spread orthogonal frequency division multiplexing）波形

DFT-s-OFDM 波形中，數據符號利用DFT 塊進行擴展，然后映射到IDFT 塊的輸入[19-20]。為了避免由于信道的多徑而引起的符號間干擾（ISI,intersymbol interference），并且允許在接收機處進行頻域均衡，循環前綴（CP,cyclic prefix）會被預先設置到符號的開頭。通過改變DFT 擴展塊的大小，能夠合成具有不同帶寬的基于塊的單載波波形。當使用多個DFT 擴展塊時，可以允許在基于塊的多載波和單載波方案之間進行轉換。文獻[21]證明DFT-s-OFDM 波形還可以包含內部保護周期，該保護周期在不影響符號持續時間的情況下提供保護周期的持續時間的靈活性。

與基于 OFDM 的一體化波形相比，基于DFT-s-OFDM 的一體化波形PAPR 較低、實施簡單，同時保留了OFDM 的主要優點，即允許在接收機處使用多用戶聯合處理的頻分多址（FDMA,frequency division multiple access）和頻域均衡，同時降低每個用戶的PAPR，因此獲得更大的覆蓋范圍[22]。同時也可將基于DFT-s-OFDM 一體化技術與多輸入多輸出（MIMO,multi-input multi-output）相結合[23]，在多接收天線的條件下，可以獲得較好的傳輸性能。然而，對于使用QAM 調制下低調制階數的情況，此方案仍會表現出較高的PAPR。考慮到5G和6G 的極高數據速率要求，尤其是在高階調制不適用的情況下，如何保持基于DFT-s-OFDM 一體化波形的低PAPR 并提高其頻譜效率是波形設計的難點。

2.1.2 多載波波形

多載波波形的PAPR 值比較高，因此在波形設計時經常需要輔以降低PAPR 的波形優化算法。例如，新增多載波距離感知（DMAC,distance-aware multi-carrier）調制方式，可以利用與距離和頻率有關的傳輸窗口，并提供自適應的超廣域利用太赫茲波段的帶寬[24]。多載波波形主要包括循環前綴正交頻分復用（CP-OFDM,cyclic prefix orthogonal frequency division multiplexing）和濾波器組多載波（FBMC,filter bank multi-carrier）2 種。

1)CP-OFDM 波形

OFDM 波形不受高頻率選擇性太赫茲信道的影響，有較高的頻譜利用率和較低的計算復雜度，并且可以在頻域內對子載波進行編碼和交織，使OFDM 系統在面對突發錯誤時有較強的穩定性[25]。而CP-OFDM 在OFDM 波形的基礎上加入了循環前綴CP，插入了CP 后有較高的頻譜效率，能夠抵抗多徑效應，被廣泛應用于許多通信標準，諸如LTE、5G NR 和IEEE 802.11 系統[26]。采用CP-OFDM 技術的通信感知一體化信號中各子載波具有良好的正交性，同時其子載波的數量與頻率間隔可靈活調整，理想情況可以得到“圖釘形”的模糊函數，改善距離-多普勒的模糊性，可滿足對通信傳輸效率較高要求下的高性能感知。但是CP-OFDM 的PAPR較高，對于功率受限的太赫茲系統具有挑戰性。因此需要設計降低PAPR 的算法，但同時也增加了計算復雜度，在波形設計中需要權衡復雜度與波形的性能。

2)FBMC 波形

FBMC 波形的特點是沒有循環前綴。因此，通過避免CP 開銷，FBMC 波形可以具備更高的傳輸效率。FBMC 波形在發射端和接收端添加濾波器來處理相鄰多載波符號之間的重疊，使子載波不需要保持正交性，帶外頻譜衰減快，降低了子載波間的干擾[25]。FBMC 波形由于濾波器組的存在具有較好的時延分辨率，同時濾波器組的存在保證FBMC 波形不存在多普勒旁瓣，提高測速的準確性。但多普勒頻移分辨率受到濾波器組的影響，在設計時需要進行優化[27]。

3)OTFS 波形

正交時頻空（OTFS,orthogonal time frequency space）波形是面向高速移動場景下的一體化波形設計方案，通常應用于V2X（vehicle-to-everything）通信，它通過將信道映射到時延-多普勒域對抗高多普勒頻移對信號的影響，同時OTFS 波形可以滿足高吞吐量、高數據速率、低時延的通信需求[28]。作為一種頻譜高效的波形設計方案，相比于CPOFDM，OTFS 一個幀結構中只需要加入一個CP[28]。

OTFS 波形的PAPR 和參與OTFS 調制的符號個數有關，可以通過對符號個數的調整優化波形的PAPR，與CP-OFDM 相比降低了PAPR[29]。OTFS波形的PAPR、復雜度、解碼時延、誤碼率（BER,bit error rate）與每幀中OTFS 符號數成正相關，因此需要在PAPR、復雜度、解碼時延和BER 之間權衡，針對不同場景選擇每幀中最優的OTFS 符號數[30]。

從sub-6G 到THz 頻段，多普勒頻移隨之顯著提高，高多普勒頻移不僅對CP-OFDM 波形的同步產生影響，而且容易破壞子載波之間的正交性。OTFS 在時延-多普勒域的信道提升了波形對多普勒頻移的容忍性，這對THz 下的通信感知一體化波形設計具有重要意義[31]。

2.2 基于感知波形的太赫茲通信感知一體化波形

目前，學術界對太赫茲通信感知一體化波形的研究較少，絕大多數太赫茲感知波形均圍繞調頻連續波（FMCW,frequency-modulated continuous wave）展開研究。感知波形相較于通信波形PAPR較低[32]，因此設計復雜度低。基于感知波形的太赫茲通信感知一體化波形設計通過對感知波形調制通信信息來完成通信功能[33]。

調頻連續波雷達發射功率低，容易實現高距離分辨率，且不存在距離盲區，由于太赫茲具有大帶寬特性，利用FMCW 波形的太赫茲雷達具有極高的距離分辨率，且具一定的透視性，應用前景廣泛[34]。國內外許多研究機構都在對利用FMCW 波形的太赫茲雷達展開深入研究。實際上，絕大多數太赫茲雷達采用FMCW 波形[35-39]來實現目標測距。

在太赫茲雷達波形的設計和優化中，大量的文獻研究補償波形中的非線性相位誤差[35,40-41]。例如，根據校準器的回波進行相位補償[41]，使用直接數字波形合成技術進行預失真補償[42]；在波形設計方面，太赫茲FMCW 雷達波形廣泛采用鋸齒波與三角波的結合或者梯形波與三角波的結合[43]。鋸齒波容易產生較嚴重的距離-速度耦合問題，三角波在多目標檢測時容易產生虛假目標，而梯形波與三角波的結合可以解決上述問題[43]。FMCW 體制的太赫茲雷達具備工作穩定、成本低等優點，是太赫茲雷達的主要波形。

FMCW 信號時帶寬積較大，且PAPR 較低。此外，相較于微波頻段的FMCW 波形，太赫茲頻段的FMCW 波形具有更高的距離分辨率，感知性能更高。因此，在基于感知波形的太赫茲通信感知一體化波形設計方向，可以優先考慮FMCW 波形。

2.3 通感融合的太赫茲通信感知一體化波形

太赫茲通信感知一體化波形的設計需要綜合考慮太赫茲電磁波的傳播特點、太赫茲器件的特點、通信與感知對波形的要求等因素，以此來評估并選擇通信感知一體化波形方案。

文獻[44]分析了幾種通信感知一體化波形，包括FMCW 信號和OFDM 信號及其單邊帶譜信號在太赫茲一體化條件下的性能。OFDM 信號被廣泛用于4G 和5G 系統中，但是其較高的PAPR 會降低發射機的能效。6G 預計將包括超過100 GHz 的高載波頻段，即亞太赫茲頻率范圍[45]，在這些頻段中功率放大器功率效率低，輸出功率有限，更加需要解決PAPR 問題。傳統的FMCW 信號也具有很低的PAPR，同樣可以作為太赫茲一體化信號的候選波形。FMCW 雷達在太赫茲頻段的優勢在于其較寬的頻率擺幅范圍[46]，比微波頻段的FMCW 雷達具有更好的距離分辨率[47]。但是FMCW 波形在通信方面的數據速率較低，隨機性較差，導致信號處理難度較 OFDM 波形更大。半周期單載波波形SC-OFDM 在OFDM 上添加了DFT 擴展，適用于NR Rel-16 中定義的52.6 GHz 高頻段[48]。單載波頻域均衡技術可以降低其PAPR，這是SC-OFDM 之外另一個具有低PAPR 的波形變體方案[49]。

波形可以分為單載波波形和多載波波形。FMCW 和OFDM 在進行雷達信號處理時，基于多載波技術和二維傅里葉變換[50]可以獲得時延或多普勒信息，進而實現對目標節點的感知。但單載波波形只能使用基于相關的接收處理，此時時延和多普勒不能通過相關處理解耦，增加了雷達信號處理的復雜度。短程雷達要求在同一頻率上發射和接收，而OFDM 和單載波信號[51]都是時分雙工（TDD,time-division duplex）或頻分雙工（FDD,frequency-division duplex）體制，不會以相同的頻率同時發射和接收，這就產生了大量需要處理的自干擾。立足于移動通信系統，通信感知一體化波形優先選擇OFDM，而較高的PAPR 是OFDM 存在的問題，因此波形優化必不可少。此外，單載波波形可能也適合用來設計太赫茲通信感知一體化波形[44]。太赫茲波段進行波形一體化設計還需考慮信道的稀疏性和時延擴展引起的大相干帶寬和時間展寬效應等特點[52]。

文獻[52]對比了OFDM 和FMCW-SC 一體化信號的性能，發現二者具有相似的測距性能，但OFDM 信號的距離分辨率較差，且旁瓣幅度值較大，因此較FMCW-SC 波形具有更高的PAPR，不利于目標感知。因為當噪聲過大時，主瓣有可能會被較高幅度的旁瓣淹沒。且波束寬度更寬，不利于方位角的測量，會帶來較大的測角誤差。考慮到不同場景對感知的性能要求，基于FMCW-SC 的太赫茲通信感知一體化波形更具優勢[53]。然而，該信號體制與目前移動通信的信號體制差異較大。在太赫茲測距和成像領域，使用FMCW 波形進行通信時，信號的非線性會導致模糊和離焦現象，影響感知性能[22,54]。

綜上所述，太赫茲通信感知一體化波形的設計需要綜合考慮場景需求和不同波形體制在通信與感知方面的性能。在空間通信場景，利用基于OFDM 的太赫茲一體化技術進行無損傳輸，用較小發射功率實現遠距離通信任務，并獲取相應的感知性能。為保證通信性能，可考慮使用OFDM 波形進行太赫茲一體化信號的設計。對于室內場景，為實現成像級別的定位精度，可使用FMCW-SC 實現太赫茲一體化波形的設計。

3 未來展望

3.1 太赫茲通信感知一體化波形設計

OFDM 仍然是移動通信系統的主流信號體制。與現有移動通信系統更兼容的OFDM 在通信感知一體化波形設計方面具有廣闊的應用前景，然而，該方案需要進行波形優化，以提升感知性能。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，具有相對較低的帶外泄露[55]，為了進一步克服太赫茲多載波波形的高峰均功率比，還可以采用選擇性映射、部分傳輸序列和選擇合適碼本[56]等方法進行波形優化。

關于調制方法，太赫茲調制方法優先選擇低包絡變化調制。π/4 QPSK、π/4 BPSK 是一種低包絡變化的信號調制方法，低階調制在大帶寬太赫茲通信中受到更多關注[57]。在相位噪聲抑制方面，太赫茲頻段的相位噪聲可能會給傳輸帶來不利影響[56]，降低相位噪聲影響的調制方案是十分必要的。振幅移相鍵控屬于線性調制，它的星座點被限制在一組同心環上，對非線性失真的敏感度較低[58]。

在面向6G 的通信感知一體化設計中，基于移動通信信號實現感知功能的同時，通信仍為首要任務。為保證通信功能不受影響，未來基于收發分離的感知系統設計將會取得廣泛應用。使用不同天線陣列分別進行感知與通信信號的接收與處理，以此獲取通信和感知功能的同時優化。在感知性能提升方面，將太赫茲雷達波形FMCW 與OFDM 進行結合是一個可行的研究方向。FMCW 信號時帶寬積較大，有助于提升感知性能；OFDM 頻譜效率較高，有助于提升通信性能，而兩者的結合可以聯合提升通信與感知的性能[59]。

3.2 結合超大規模天線陣列的波形優化

為了增加通信距離，太赫茲需要結合超大規模陣列天線技術，以滿足實際移動通信系統的覆蓋需求。但是超大規模天線需要超窄波束成形，超窄波束成形一方面提升了感知的角度分辨率性能，另一方面提高了波束訓練的開銷。因此，可以將感知信息和波束訓練相結合，以加快波束對準與跟蹤[60]，提升通信性能。在太赫茲波段，利用超大規模天線形成感知與通信多功能波束，通過分配OFDM 時頻資源和波束資源，可以根據任務的不同，靈活優化時頻空資源，從而實現面向任務的波形優化。

4 結束語

本文從場景、波形設計方法、未來展望的角度總結了太赫茲通信感知一體化波形的研究。首先，本文概括了太赫茲一體化波形設計所面臨的場景與需求，包括感知輔助通信場景、感知催生的新業務場景等。然后，本文從體現通信與感知功能的太赫茲通信感知一體化波形入手，從太赫茲電磁波的傳播特點、太赫茲器件的特點、通信與感知對波形的要求等方面，分析了太赫茲通信感知一體化波形的特點，綜述了太赫茲通信感知一體化波形的研究現狀。最后，本文指出了太赫茲通信感知一體化波形的未來研究方向。