太赫茲多天線移動通信性能界理論

楊 闖,劉子樂,石涵琛,彭木根

(北京郵電大學 網絡與交換技術國家重點實驗室,北京 100876)

0 引言

6G無線傳輸峰值速率將達到太比特級,相比5G提高約100倍,以支持工業互聯網、虛擬現實/增強現實等高速率應用場景的通信需求[1]。當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)憑借其超大帶寬優勢,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服務[2]。

然而,太赫茲存在嚴重的大分子(水、氧氣等)吸收與高額的路徑損耗問題,導致傳播損耗極高,限制了太赫茲無線通信距離[3]。能夠實現極高天線增益的多天線(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術成為了對抗太赫茲傳播損耗的關鍵技術。據全球首個6G白皮書估計,在未來Beyond 5G(B5G)/6G應用中,250 GHz工作頻點的太赫茲通信系統有望實現每平方厘米250個天線的超大規模天線陣列[1]。多天線技術極大拓寬了太赫茲通信應用場景的距離維度,代價則是在角度維度帶來了新的挑戰。多個陣子發射的電磁波信號干涉形成的狹窄太赫茲波束,在移動場景下難以對準目標,導致無線鏈路信噪比下降甚至發生鏈路中斷。

傳統方法通過波束掃描或波束訓練在角度空間中尋找最佳波束。但對于太赫茲多天線系統,極窄的波束大幅增加了掃描時延與訓練開銷,使得傳統方法難以適用[4]。如何解決太赫茲多天線波束對準,實現更適配場景的太赫茲多天線移動通信,是未來6G高速率通信研究的重點方向。目前,一種可行的方案是通過感知實時獲取移動用戶狀態作為先驗信息,生成目標方位角直接實現波束對準[5]。另一種方案是基于太赫茲信道的稀疏特性,對上行信道反饋的波束空間信息進行壓縮感知,降低波束訓練的開銷[6]。

上述研究從技術上探索了太赫茲多天線移動通信的發展方向,但面向不同場景,模型框架存在差異。為了統一表征不同場景,理論性能界被認為是重要的一類指標[7]。通過刻畫性能指標的上界或下界,對高復雜、高隨機的性能表征進行簡化,對于太赫茲多天線移動通信設計方案的制定具有重要價值。

1 太赫茲多天線移動通信硬件發展現狀

太赫茲多天線移動通信的陣列天線大規模、發射功率、天線增益、波束寬度和掃描范圍等指標備受業內關注,是太赫茲多天線移動通信發展的基礎,備受業內關注[8]。國內外研究機構針對太赫茲核心器件和太赫茲通信技術發布一系列研究計劃,提出了相應的指標要求,取得了階段性進展。但是當前研究主要聚焦在傳統通信制式,系統結構單一,無法釋放太赫茲寬帶性能。

1.1 國內發展現狀

我國太赫茲技術研究起步較晚,為從太赫茲器件、芯片、通信技術等多方面追趕歐美,自“十二五”起發布了多項太赫茲領域相關重大項目,包括國家高技術研究發展計劃、國家自然科學基金、國家重點研發計劃,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、太赫茲無線移動通信等研究。

近年來,隨著我國太赫茲器件與工藝、點對點移動通信技術和原型系統基礎的奠定,研究重點轉向了新型核心器件、通信前端和移動組網等應用與實用研究的突破,“寬帶通信和新型網絡”“微納電子技術”“新型顯示與戰略性電子材料”等國家重點研發項目都對太赫茲多天線移動通信系統的通道數、發射功率、能耗、掃描范圍提出了較高的考核指標[9-11],表1為國內前沿項目與研究報告中提出的太赫茲多天線移動通信需求。2023年6月22日,國際電信聯盟無線通信部門(Radio Communication Division of the International Telecommunication Union,ITU-R)的5D工作組完成了由我國工業和信息化部組建的國際移動通信(International Mobile Telecommunications,IMT)6G推進組起草的全球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通信的巨容量和廣覆蓋范圍、新興業務和應用場景(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的移動性需求并實現1～10 cm的定位精度。我國對太赫茲多天線移動通信的布局已取得階段性進展,主要聚焦在器件性能的提升,缺少理論指導釋放太赫茲器件在移動通信系統中的性能。比如,如何在移相不理想下準確波束賦形、如何對抗移動下嚴重太赫茲多普勒頻偏等,尚缺少直接研究。

表1 國內太赫茲多天線移動通信硬件性能及布局場景的發展現狀Tab.1 Domestic requirements of THz MIMO mobile communication applications

1.2 國外發展現狀

國外太赫茲通信技術發展以美國最為突出,多個國家組織和國防部門與全球知名高校、半導體公司、軍事巨頭合作,重在研發能夠在未來快速轉化為軍用和工業應用的太赫茲微電子技術。

表2總結了國外先進項目[13-18]與國際組織研究報告[19]中提出的太赫茲多天線移動通信需求。

表2 國外太赫茲多天線移動通信硬件性能及布局場景的發展現狀Tab.2 International requirements of THz MIMO mobile communication applications

為利用太赫茲技術增強空軍作戰的通信和抗干擾能力,美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory,AFRL)于2020年7月發布“頻率可調太赫茲超寬帶機載網絡”項目技術報告[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,實現太赫茲機間高速移動通信。2021年初,AFRL下屬空軍科學研究辦公室實驗室(Air Force Office of Scientific Research,AFOSR)發布了“下一代可編程大規模太赫茲系統”項目科技報告[16],旨在研究大規模非線性同步太赫茲源,需要研發具有高等效輻射功率(≥14 dBm@420 GHz)和寬掃描范圍(±30°)的大規模天線陣(規模達4×4以上)。2023年1月,美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)宣布開啟“聯合大學微電子學項目”(Joint University Microelectronics Program,JUMP)2.0階段。由加州大學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階段重點攻關亞太赫茲收發機、功率放大器和新型材料晶體管等,以支持大規模MIMO高能效波束賦形[17-18]。

此外,在太赫茲通信技術商用與產業化方面,ITU-R積極推進發展愿景、關鍵技術、標準化等進程,于2022年11月發布了新版“275～450 GHz頻段陸地移動服務應用技術與操作手冊”[19]。文件指出,275～450 GHz的太赫茲頻譜資源將能夠應用于近距離移動通信系統(Close Proximity Mobile Systems,CPMS),主要包括公共場所終端移動下載、數據中心無線連接、室內擴展現實(Extended Reality,XR)、智能工廠等對移動性需求較低的6G場景,并詳細羅列了相關應用場景對應的技術特點和性能需求。然而,與國內研究相仿,主要集中在傳統通信制式,對如何釋放太赫茲大帶寬移動通信器件的性能,尚無理論性能指導。

2 太赫茲多天線移動通信理論

作為新興的場景應用,太赫茲多天線移動通信技術尚處于初步探索階段,主要集中在面向未來的MIMO技術研究以及固定點對點試驗方面,目前尚無法滿足未來網絡的性能需求。為了充分評估該技術可待發掘的性能潛力,亟需構建太赫茲多天線移動通信性能界理論框架,考慮從太赫茲移動通信理論、太赫茲多天線通信理論、感知協同太赫茲通信理論的研究中獲得啟示。

2.1 太赫茲移動通信

由于太赫茲通信波束窄、中心頻率高,其性能受節點移動性影響相較低頻段更為顯著。移動對太赫茲通信性能的影響主要包括波束對準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的距離上覆蓋區域的半徑小于1.75 m。因此用戶在高移動性下極易產生對準偏差,甚至脫離波束覆蓋范圍導致通信中斷。為了衡量波束對準偏差對通信性能影響,需要分別考慮用戶移動模型與波束分布模型。如表3所示,用戶移動模型包括隨機抖動、布朗運動和勻速直線運動等;波束分布模型包括均勻分布、高斯分布、貝塞爾分布等[20-22]。基于上述模型,現有研究探究了用戶移動性對太赫茲通信性能的影響。文獻[23]理論證明了目標隨機抖動導致的對準偏差滿足瑞利分布。文獻[24]分析了風速導致的無人機抖動對太赫茲通信性能的影響,并進行了硬件實驗驗證。

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

現有太赫茲通信系統往往采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)波形,將整個頻段帶寬分為多個子載波以實現更高的頻譜效率。但由于太赫茲通信中心頻率更高,節點相對移動產生的多普勒頻偏越大,從而造成子帶寬載波間的干擾越嚴重。為此,可以利用波形設計理論,分析場景性能需求對帶寬、子載波間隔、循環前綴符號數等波形參數的約束,從而指導對OFDM波形中的參數設置[25]。與此同時,還可以采用正交時頻空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)調制將信息調制到時延-多普勒域以更好地適配高動態的時頻雙選信道[26],但其復雜的信號處理也會帶來更高的延遲,如何平衡OTFS節點速度與通信時延的性能需求,是太赫茲移動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展,太赫茲通信采用的天線數也與日俱增。如圖1所示,太赫茲多天線硬件的陣元數已可達近千個,實現了大規模多天線陣列[27-34]。

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

太赫茲通信系統的工作帶寬較大,其發射信號在通過具有頻率選擇特性的模擬移項器時會產生波束色散效應,而其影響會隨著天線規模的增加而進一步加劇[35]。波束色散對太赫茲多天線通信系統性能的影響是雙重的。一方面,波束色散會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延[36]。因此,可以經過理論研究分析,在通過信道狀態信息輔助波束賦形等方案以抑制波束色散的同時,充分利用其拓寬波束的特點來增強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模增加而增大,太赫茲多天線通信的近場效應顯著[37]。在近場條件下,原有遠場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,因此如何精準估計用戶方位角以實現高精度波束對準,是實現近場太赫茲多天線通信的關鍵技術問題。太赫茲信號評估方位角的上界和下界精度則為指導關鍵技術設計的理論基礎。

2.3 感知協同太赫茲通信

太赫茲實現大容量通信的前提是需要實時高精的信道狀態信息或用戶狀態信道作支撐,這使得感知協同太赫茲通信成為研究熱門。通過接收用戶或目標表面反射的回波,對方位角進行估計,進而調整預編碼參數以實現波束對準與阻塞規避。

根據感知所采用的頻率,感知協同太赫茲通信可分為異頻感知與同頻感知兩類。對于異頻感知,主要可以分為低頻感知與光學感知。低頻感知信號可以相對穩定地接收到回波信號,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];通過攝像頭等光學輔助設備可精確獲取目標的位置信息,但需要依賴人工智能技術對圖像信息進行處理,復雜度與時延相對較高[39]。另外,不同頻點的信道存在差異,因此將異頻感知信息用于太赫茲波束賦形會導致明顯的系統誤差。

同頻感知協同太赫茲通信可以在消除方位角系統誤差的同時,通過將通信與感知信號共用一套射頻裝置以簡化收發機結構,實現一體化增益。文獻[40]提出了面向車聯網場景的太赫茲感知協同超大規模多天線通信的混合預編碼方案,實現了硬件復雜度與通信速率的折中;文獻[41]提出了通過太赫茲感知太空障礙物的位置,調整太赫茲通信波束以避免鏈路被遮擋而中斷;文獻[42]則從更廣泛的角度,分析了太赫茲感知協同移動通信下的性能關系與性能界限,提出了感知與通信之間的近似閉式表達式。

3 太赫茲多天線移動通信性能界理論

基于上述討論,太赫茲多天線移動通信理論應當綜合考慮太赫茲移動通信、太赫茲多天線通信、感知協同太赫茲通信等模型特征與分析方法,推導通信性能界限,并基于性能界理論提出太赫茲多天線移動通信性能優化方法,提出指導系統設計的邊界條件。

3.1 太赫茲多天線移動通信性能界限

針對太赫茲通信中的移動性難題,現有感知協同方案往往采用方位角感知輔助[42]。然而在高機動場景,目標的切向角速度可達0.2 rad/s[24],此時僅通過方位角信息已無法滿足窄波束對準的需求。為此,需要對目標的切向角速度進行感知。陣元數為N的太赫茲多天線系統通過時分體制發送通信與感知信號,設時分系數δ為感知時隙Ms與總時隙M之比,則t時刻接收到感知信號Ss(t)來自用戶表面反射的回波信號為:

(1)

(2)

式中:η為回波信號信燥比,Δ為采樣頻率。根據方位角估計與切向角速度的CRB,可得波束對準方差為:

(3)

如圖2所示,考慮高斯窄波束模型,則根據系統帶寬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,可以推導得到通信速率的上界為:

圖2 感知協同太赫茲多天線移動通信性能界限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同太赫茲多天線移動通信性能。與僅包括方位角的一維感知協同情形相比,切向角速度估計信息可以進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容量。

3.2 太赫茲多天線移動通信性能優化

太赫茲多天線系統工作帶寬大、頻點高、天線陣元數多,因此用于感知可以獲得極佳的測距、測速、測角性能。然而,目前太赫茲感知的可靠性仍存在諸多挑戰:① 回波弱,太赫茲信號發射功率低,經過去波路徑損耗、反射損耗與回波路徑損耗后,接收到的回波信號信噪比較低,從而降低參數估計的性能;② 不穩定,太赫茲信號的回波強度受信道環境(直射路徑是否被阻塞等)與目標姿態(影響雷達反射截面等)影響,導致感知易失效、鏈路易中斷。為此,可以利用部署于太赫茲多天線系統后端的計算功能,對回波信號與信息進行處理,進而改善太赫茲感知的可靠性,從而對移動通信性能進行優化,性能界限特征總結如表4所示,其中,γn為第n個接收天線陣元接收信號的單位信噪比,Tpri為感知間隔。

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

根據應用場景的不同,感知協同通信的考量參數存在差異。對于面向隨機抖動用戶的波束對準(高斯波束)場景,目標的移動性無法估計,僅可通過方位角感知協同通信;對于沿徑向方向機動的用戶的波束對準,可通過方位角-徑向速度二維感知協同通信;對于全向(徑向+切向)機動目標的波束對準,可通過方位角-徑向速度-切向角速度三維感知協同通信;對于全向機動目標進行波束聚焦(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 太赫茲多天線移動通信感知性能折衷

OFDM作為5G NR物理層的標準調制方式[43],因技術成熟度極高而廣泛應用于太赫茲大容量傳輸。本節利用多天線OFDM波形同時實現通信和感知功能,研究太赫茲多天線移動通信和感知過程中存在的性能折衷問題。

考慮多數據流以及OFDM循環前綴(Cyclic Prefix,CP)和時間同步帶來的額外開銷,用戶目標實際體驗到的有效傳輸速率表示為[44]：

(7)

在回波感知方面,為了避免回波信號處理中引入符號間干擾,最大回波時延不應超過CP長度,進而限制了最大容限距離[46],即:

(8)

為了避免在距離估計中產生距離模糊問題,最大不模糊距離計算為[46]：

(9)

綜合式(2)和式(3)得到,太赫茲移動通信系統的最大感知距離應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調制,fc=140 GHz、BOFDM=1 GHz、|v|max=60 km/h時有效傳輸速率和最大感知距離與子載波數的關系。在帶寬固定的條件下,隨著子載波數增加,OFDM符號長度增大,導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。因此,太赫茲多天線移動通信存在有效傳輸速率與感知距離的性能折衷關系,主要影響因素包括子載波數和CP占比。

圖3 有效傳輸速率和最大感知距離與子載波數的關系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、天線波束與感知協同是太赫茲多天線移動通信的重要特征,也是其性能界理論面向的場景特性。現有理論研究雖然已經初步揭示了太赫茲多天線移動通信的性能界限,但還存在以下幾方面挑戰。

4.1 太赫茲多天線移動通信基礎信息理論

對于嚴謹的信息理論研究,需要給出通信性能內界,一方面需證明該界限是最大的可達界,另一方面需證明超過界限是不可達的。目前太赫茲多天線移動通信性能研究由于推導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,其理論價值與對技術應用的指導意義有限。如何在保證性能可閉式表征的前提下,面向特定場景參數與系統參數,將外界逐漸收緊趨近于內界,乃至于求出真正的內界,是太赫茲多天線移動通信界限理論的研究重點。

4.2 太赫茲多天線移動通信信號處理

性能界限作為率指標的上界或失真指標的下界,其數值與真實指標存在差異,在實際系統設計中往往僅可作為參考。3.2節提出了基于性能界限計算的信號處理方法,以解決感知協同太赫茲多天線移動通信的可靠性難題,但CRB指標無法直接替代實際表征精度的均方根誤差(Mean Square Error,MSE)指標,其適用性有待數值仿真與硬件測試來驗證。與此同時,類似的思路也可用于通信的編碼、調制與波束賦形過程,通過計算性能界限以修正系統參數的信號處理方法,應對太赫茲通信信道的高動態與隨機性,從而拓寬性能界限研究在指導太赫茲多天線移動通信系統的應用價值。

4.3 太赫茲多天線移動通信波形設計

波形體制是任何通信系統的核心,現有5G NR標準對OFDM幀結構定義尚未包含太赫茲頻段,導致太赫茲多天線移動通信波形設計缺少理論指導。3.3節僅討論了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,折衷分析尚不完善。針對高速移動帶來嚴重多普勒效應,未來太赫茲移動通信需要采用能夠對抗高多普勒頻偏的新興通信波形OTFS,亟需進一步探究其幀結構參數、多天線陣列設置和不同預編碼方式與通信性能指標(主要包括有效速率、頻譜/能量效率、通信距離和誤碼率等)之間的聯系,以構建設計準則或理論框架,指導物理層波形設計。

5 結論

國內外太赫茲多天線移動通信研究現狀表明,性能界理論缺失使得太赫茲移動通信的架構單一、性能極限無法估量,制約太赫茲通信創新性發展。理論研究現狀表明,現有太赫茲多天線移動通信技術性能與需求的差距,可以通過感知協同方式迫近。太赫茲多天線移動通信性能界理論亟需深入研究性能界限、性能優化、性能折中三個方面,需要重點厘出性能界可達與否、信號處理對性能界影響以及波形等物理層技術與性能界之間的內在聯系。