1.5 THz无线技术

1.5.1 调制

释放高效的THz波形和调制方案是释放THz波段真正能量的关键一步。一方面，特定的波形设计可以减轻THz源和接收器的限制。另一方面，自适应调制方案可以充分利用可用频谱。调制方案是低复杂度和高速率物理层配置之间的折中方案。一般来说，在较低频率下使用的调制方案可用于THz波段，但是不能达到这些频段所要求的性能。由于峰值的间隔随传输距离而变化，传输窗口会发生显著变化。考虑到传播特性的限制，THz系统的物理层需要新的调制方案。

在短距离通信中，由于较高频率的、基于载波的系统倾向于每个信道使用较大的频谱带宽，因此需要非常低复杂度与简单的调制方案。脉冲幅度调制、开关键控和位置调制的THz脉冲非常短，可以利用光子和等离子体波设备产生和检测。Jornet等人提出了一种脉冲调制，该方案考虑了10 mm～10 m的路径长度，用于THz波段的短程通信，采用异步脉冲作为开关调制，在时间上进行扩展。

在长距离时，可在THz频谱窗口中动态感知传输波形，需要距离自适应多宽带脉冲调制，在纳米网络中需要设计低功耗和紧凑的调制器。Chong H等人给出的调制方案能够根据距离共享带宽。在这种调制中，发射机通过考虑距离来选择可用的窗口，然后将它们分成子窗口。之后，每个载波信号被分配给子窗口，并通过多进制正交幅度调制进行调制。虽然调制提供了几个Tbps的数据速率，但控制单元复杂性很高。对于这个问题，Boulogeorgos等人提出的算法可以作为降低复杂度的一种解决方案。该算法首先确定可用的传输带宽，然后选择子载波的数量和带宽，使子载波带宽小于相干带宽。

THz频段的可用带宽非常大，会影响THz通信的安全性。因此，可以探索扩频调制技术，还可以利用由于大气衰减产生的独特的THz吸收峰，防止信号传输遭到恶意窃听。

THz系统，尤其是纳米网络的另一个关键限制是能量消耗。纳米器件有限的能量容量限制了用户长时间使用电池。为此，Vavouris等人提出了一种基于时间扩展开关键控和脉冲位置调制的新调制方案。该系统一个接一个地发送比特，调制以由静默和非常短的脉冲定义的序列发送比特，从这方面来说，它与PPM有相似之处，但符号持续时间不是常数。虽然每个比特的平均传输时间随着调制顺序增加而增加，但是每个比特的能量保持不变，并且数据速率通常很低。

根据Khalid等人的分析，相比多进制频移键控，多进制QAM更适合在毫微微蜂窝系统中使用。Khalid指出，在长达10 m的距离上，M-QAM显示出了更好的能效，因此该方案在能量和数据速率之间会有权衡。Zarepour等人给出的另一个比较表明，与OOK和PPM相比，二进制相移键控具有更高的性能和更好的能效，但是采用BPSK需要的硬件复杂度高。

分子吸收导致在大的通信距离上出现频带分裂和频谱收缩，需要距离自适应解决方案，特别是天线阵列设计和优化资源分配标准，以应对频谱收缩。在THz波调制中，单载波调制比正交频分复用更受青睐，正交频分复用在THz波段实现起来非常复杂。但是在一些室内THz场景中，仍然会存在一些多径分量，因此会出现频率选择性信道。由于THz多径分量，频率选择性也可能出现在接收机端，仍然需要多载波调制。

1.5.2 编码

在使用较低频率的系统中，信道编码旨在最大化数据速率，以保持恒定的能耗。由于THz频段的特性，THz系统的编码需要考虑解码功耗和发射功率。编码和解码过程应具有较低的复杂度以适应纳米设备的计算能力。THz频段在一秒内能够传输万亿位，解码时间也将成为信道编码的关键参数之一。为了避免长时间解码，编码可以用于防止错误而不是校正。目前已有的研究表明，可以通过调整码字的平均汉明权重来减轻干扰。

在THz随机模型中，信道差错受噪声、多径衰落和干扰带来的差错影响，需要严格描述信道差错的性质。6G的3种主要候选编码方案是Turbo码、LDPC码和极化码。虽然Turbo码和LDPC码都在数据流图上执行，但Turbo解码和极化解码本质上是串行的，而LDPC解码本质上是并行的。因为并行特征，LDPC解码器提供了更高的吞吐量，而极化码和Turbo码在码率和块大小方面提供了更好的灵活性。

Turbo码目前已经可以实现超越100 Gbps的工作速率，并且希望可以实现Tbps的工作速率。A Sural等人使用极坐标码实现Tbps传输，其中低延迟多数逻辑和低复杂度连续抵消被结合用于解码，以及对数似然比的自适应量化方案。该方案在7 nm技术中实现了Tbps速率，仅占用10 mm2的芯片面积和0.37 W的功耗。

在THz系统中设计传输的编码方案时，需要考虑THz信道的特征与需求，设计更适合THz系统的编码方案，考虑编解码功耗、复杂度与解码时间等性能指标。在联合调制、编码、检测算法和架构中，也需要针对THz系统特性进行设计。

1.5.3 多天线

在THz通信系统中，虽有较宽的带宽，但也产生了较大的路径损耗，而采用数千个天线的超大规模MIMO技术被认为是补偿路径损耗的解决方案之一。因为高载波频率下的天线尺寸更小，因此可以有更高的集成度。预计超过10000个天线可以被嵌入到单个THz基站中，以同时提供数百个超窄波束，从而克服高传播损耗，同时实现极高的流量容量和连通性。在设计中，需要高效的波束形成和波束控制技术，以及低复杂度的预编码和组合算法以提高THz-MIMO的性能。在6G时代，工作在毫米波频率及以下的全数字阵列技术将很成熟，并能够实现接近最佳的波束形成性能，但是在sub-THz和THz频率下的这项技术还并不成熟。THz领域混合波束与毫米波领域非常相似，但THz波段更为复杂，并且具有较高的功耗。

1.THz频率下MIMO信道建模

与微波频率不同，多径传播在THz波段非常弱，因为除了没有衍射，大多数表面的粗糙度与波长相当，这将会导致较强的散射和反射损失。在微波频率，NLoS路径会增加空间复用率，LoS会阻碍空间复用，因此在THz频率下空间复用利用率较低。

在描述固有的信道特征时，连接第m个发射天线和第n个接收天线的信道的幅度和相位由相应的距离Dmn决定。在合理的条件下，阵列孔径相对于它们的距离很小，因此所有距离都可以认为近似，这些响应的幅度也被认为是相同的。相反，信道响应的相位不能被认为是均匀的，因为即使微小的距离变化也可能引起明显的相位差。因此，LoS信道表示采用矩阵形式，该矩阵包含每个发射接收天线对的响应相位。虽然平面波阵面近似完全适用于微波频率，但是因为波长很小，传输距离很短，所以阵列上的波曲率不再可以忽略不计，平面波阵列也将不再适用于THz频段。这种曲率产生了更丰富的相位变化模式，赋予了LoS信道矩阵高秩。阵列上的波曲率效应在THz波段变得非常明显，因此可以通过仔细排列每个阵列中的天线来设计信道矩阵。信道矩阵将不是由多径传播的不确定性决定的，而是由纯粹的几何形状决定的。

在对THz-MIMO信道建模时，需要考虑单个纳米天线的性能、不同天线之间的相互耦合响应及它们的动态控制，还需要考虑THz频率下传播、分子吸收、反射和散射的影响。C.Han等人设计THz-MIMO信道模型时考虑了THz波段的LoS与NLoS特性，并考虑了子阵列之间的耦合效应。利用光线跟踪技术设计了THz-MIMO信道模型，该模型考虑了THz波段的传播、纳米天线阵列因子和相邻纳米天线之间的相互耦合。第（mt，nt）个发射子阵列和第（mr，nr）个接收子阵列之间的频率响应表示为：

其中，是路径增益，at和ar分别为发射和接收天线的操纵子阵列，Gr和Gt分别是发射和接收天线的增益，ϕt和ϕr是方位角，θt和θr是仰角。其中，路径增益取决于该路径是LoS路径，还是反射路径，可以表示为：

其中，LoS路径的损耗表示为：

LoS路径的到达时间为τLoS=。κ（f）是频率选择性的，表示部分波能被转换成传播介质中分子的内部动能所导致的衰减。反射波束的路径增益αRe f由式（1-23）给出：

其中，R为反射系数，r1表示发射器和反射器之间的距离，r2表示反射器和接收器之间的距离，τRef=τLoS+（r1+r2-d）/c是反射波束的到达时间。

子阵列操纵矢量因相互耦合效应而失真，并受到子阵列中天线元件相移的影响。发射和接收的子阵列导向矢量表示为：

其中，分别表示石墨烯基纳米天线阵列在发射和接收时的互耦矩阵。Nsa=Q×Q是每个子阵列中的天线数量。a0代表均匀平面阵列中的理想子阵列操纵矢量。

2.混合波束形成

虽然THz通信具有准光学特性，但它们保留了几个微波特性，因此仍然可以使用UM-MIMO天线阵列处理技术来支持有效的波束形成。在THz-MIMO中，需要对超大规模天线阵列进行分组与控制，以实现频谱效率、能量效率和距离增强之间的性能权衡。波束形成架构包括模拟、数字和混合架构，利用波束形成可以将高度定向的辐射导向最强的传播路径。另外，通过结合多个数据流、多个射频链和高稀疏性THz信道的空间自由度，UM-MIMO可以结合波束形成实现空间复用以增强容量。

在波束形成架构中，混合波束架构在良好的频谱效率、硬件复杂度和能效之间有较好的平衡。在混合波束形成中，信号处理通过移相器网络解耦为数字基带和射频部分。根据射频链和天线之间的连接关系，混合波束可进一步分为全连接结构与子阵列结构。对于全连接结构，射频链通过单独的移相器连接所有天线；对于子阵列结构，射频链唯一地驱动一个不相交的天线子集，每一个天线都连接到一个专用的移相器。对于全连接结构，不同射频链可以共享天线。子阵列结构中，每一个天线只能被一个特定的射频链访问。子阵列结构又包括固定自适应子阵列和动态子阵列，因此混合架构可分为全连接、固定自适应子阵列和动态自适应子阵列，如图1.7所示。

由于THz功率限制，全连接配置中功率消耗组合器和移相器的数量多，功率消耗较大。模拟波束形成是利用每个SA中的大量天线组来实现空间能量聚焦。由于THz移相器可以进行数字控制，因此，射频链可以使用波束控制码本，通过波束扫描来确保特定用户接收到的信号功率最大。

SA进行数字预编码可以用来对抗多用户干扰。预编码问题可以被公式化为优化问题，该优化问题在功率约束下最小化接收信号和发送符号之间的均方误差。在一些THz场景中，使用简单的基带迫零预编码即可实现较好的优化效果。但在高度相关的点对点THz链路中，使用非线性预编码技术有较好的效果。相比来说，DAoSA配置的能效优于全连接配置。

如何找到最佳的子载波分配以提高频谱效率，是THz-MIMO波束形成中面临的重要问题。在全连接架构中，建立动态全连接需要彻底搜索射频链和SA之间的所有可能，具有一定的复杂性、较大的功耗，以及较高的灵活性。可以在DAoSA架构中插入开关，以调整SA和射频链之间的连接情况。为了实现灵活性与频谱效率之间的折中，有研究者提出了接近最优和低复杂度的THz混合预编码算法，将设计问题分为两个子问题，即混合DAoSA预编码问题和开关选择问题。

随着THz石墨烯电路的发展，THz波束形成也支持石墨烯THz电路。有研究者提出了一种基于石墨烯的密集天线阵列结构，其中每个元件由THz等离子体源、直接信号调制器和纳米天线组成。针对这种结构，研究者提出了单个阵列域集成阵列的新型动态波束形成方案，其中全相位和振幅权重控制可以通过简单调节调制器和天线组的费米能量实现。费米能量调谐的码本设计方案可以获得精确的波束形成和波束控制。阵列的功率密度随阵列尺寸的增大而非线性增大。可控THz频率相关相移器可通过低损耗传输链路实现，传输链路的长度决定信号传播时间，并决定了相移。石墨烯和液晶已被提议用于磁控或压控THz移相器。

未来的THz网络还需要考虑其他波束形成因素。在无小区大规模MIMO场景中，分布式接入点在移动场景下向用户提供超过100 GHz的带宽，需要解决严重阻塞场景下的THz通信问题。有研究者解决了在毫米波和THz波段的UM-MIMO场景下移动性和阻塞问题，提出波束同步来减轻信道多普勒和延迟色散，预编码波束域功率分配被简化为网络和速率最大化问题。

3.UM-MIMO中的宽带波束跟踪

要实现预编码，准确的信道信息至关重要。信道信息可以通过信道估计来获得。然而，由于信道信息的大尺寸，传统的信道估计方案将在THz大规模MIMO系统中导致不可接受的信道估计开销，而波束训练方案可以避免这种开销。波束训练方案通过在基站和用户之间使用定向波束进行训练来实现。当用户准静态时，基于波束选择的预编码方法能够实现接近最优的可实现总和。移动用户的最佳波束由于波束宽度窄而变化很快，因此必须频繁地执行波束训练过程，而这将导致较高的波束训练开销。通过设计有效的波束跟踪方案，可以减少移动用户的波束训练开销。

现有的波束跟踪方案可以分为两类：第一类主要依赖于用户移动模型；第二类是基于码本的波束跟踪。

对于第一类波束跟踪方案，关键问题是如何对用户进行移动性建模。具体来说，假设用户移动过程满足一阶高斯马尔可夫模型，可以使用一种扩展卡尔曼滤波方法来跟踪最佳波束。为了提高波束跟踪精度，可将用户移动过程进一步公式化为运动学模型，并采用改进的无迹卡尔曼滤波器来更精确地跟踪信道角度。但这类波束跟踪方案高度依赖于作为先验的用户移动模型，而在THz大规模MIMO系统中，用户移动模型不一定准确，并且不容易获得。

第二类波束跟踪方案为基于码本的波束训练算法设计，码本中的每个码字确定一个定向波束。例如，通过单侧穷尽训练过程可在包含潜在波束的波束码本中搜索最佳波束。可以使用分级码本减轻大码本尺寸引起的波束训练开销，分级码本由具有不同角度覆盖的不同波束码字组成。基于码本的波束跟踪方案已经在毫米波UM-MIMO系统中得到广泛应用。

在宽带THz大规模MIMO系统中，由于混合预编码结构不能减轻严重的波束分裂效应，这些方案将遭受严重的性能退化。高效的宽带波束跟踪方案对于宽带THz UM-MIMO系统至关重要。宽带THz UM-MIMO的宽带波束跟踪问题需要更好的解决方案。