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1、太赫兹通信关键技术4.1调制解调技术 鉴于太赫兹的信道特性，传统调制方式不能完全实现太赫兹频段的期望性 能。分子吸收导致的路径衰减分隔了许多传输窗，并且其位置和宽度都与传输距 离紧密相关。在太赫兹频段，传输距离的微小变化会极大地影响其信道的大尺度 传输特性，即传输窗带宽会急剧下降。因此，对于短距离场景，太赫兹通信调制 方式的设计思路与超宽带通信类似，即低功耗、小尺寸、低复杂度。对于中长距 离场景，分子吸收的存在使得太赫兹频带的频谱窗口与传输距离具有密切关系 促使距离自适应通信调制方式的提出。此外，由于非视距路径的损耗较为严重， 太赫兹信道的时延扩展会减小。同时，太赫兹频段的多普勒效应更为严重，
2、在高 速移动场景下需要考虑调制方案对多普勒效应的鲁棒性。除了提高单用户的数 据速率，还可以使用距离自适应调制技术对多个用户的可用带宽进行有效分配。 距离自适应多用户调制技术将太赫兹频谱窗口中的中心子窗口分配给距离更远 的用户，将边界子窗口分配给更近的用户，同时对不同用户进行功率自适应分 配55。这种用于太赫兹频段的距离自适应调制技术优于现有的毫米波调制技 术以及非自适应调制技术。由于不同距离的用户具有不同的可用带宽以及解调 能力，上述距离自适应调制技术可以与传统的调制方式相结合，实现分层带宽调 制技术56。该技术在发射端采用多种调制阶数以及符号时间，在不同距离的用户 接收端根据自身的可用带宽确
3、定解调阶数以及符号时间，能够有效提高整个系 统的数据速率。沿用5G空口的技术方案，需评估比较不同的波形设计方案，包括单载波 基于傅立叶变换扩展的正交频分复用DFT-s-OFDM及其变体、多载波正交频 分复用OFDM、以及正交时频空间调制OTFS在太赫兹信道和器件影响下的 性能，如频谱效率、多普勒偏移的鲁棒性、峰值平均功率比、相位噪声、带外 能量泄露、接收机复杂度等OTFS是近年来出现的一种新型多载波调制技术， 将信息符号调制到时延多普勒域，使得时变信道转化为近似平稳的时延多普 勒域信道，有利于处理多普勒效应，但是OTFS的峰均功率比性能对于太赫兹 功率放大器来说仍然不尽人意。上海交通大学韩充教
4、授与诺基亚贝尔团队提 出新型的基于傅立叶变换扩展的正交时频空调制 DFT-s-OTFS 的设计方案， 结合单载波与正交时频空调制的优势，有效抵御太赫兹波段对多普勒偏移的 敏感性，同时降低峰值平均功率比57，比较结果如图 4-1。引入 DFT 预编码会 影响到导频保护区域，因此，OTFS的嵌入式导频方案不再适用。上海交通大 学韩充教授团队提出采用叠加式导频的方案，并设计了一种联合信道估计与 信号检测的迭代方法，其中设计了一种基于快速傅里叶变换的信道均衡算法， 有效降低了接收机复杂度。(占 ddadvdxi-s-OFDM-* DFT-r-OFDM 七 OTFS &DFT-S-OTFS0246810
5、12PAPR0 |dB图 41OFDM,DFTsOFDM,OTFS,DFTsOTFS 太赫兹传输的峰值平均功率比在DFT-s-OFDM基础上，中兴团队提出eDFT-s-OFDM。图4-2是在DFT- s-OFDM波形基础上增强和优化的新型候选波形eDFT-s-OFDM时域数据的基 本符号结构。数据符号内的时域数据主要数由数据 Data 和首尾插入序列两部 分组成。相邻数据符号的首部和尾部插入序相同用于抵抗无线信道的多径时 延干扰，可用做相位噪声估计、频偏纠正、辅助信道估计和辅助同步等。符 号长度灵活自适应，提升频谱效率。符号IDFTIDFTIDFT- Datal : m呂 Dat-12 : E
6、q图 42 太赫兹场景候选波形时域数据的基本符号结构x. ir1FTiz进鞍曲载渡咲r-DAOLI1RF图 43 太赫兹场景候选波形的发送端、接收端结构的增强设计ADC 崔NDFT子該.週晖汛射Dss龙莹frF频域均衡LL_HY（3）通过首尾插入的序列相位噪声估计及补偿，并在之后去除。性能仿真结果 如图4-4所示。在互补累计分布函数等于le-4时，eDFT-s-OFDM比DFT-s- OFDM的PAPR要低大约3dB当接收端利用首尾插入序列或者PTRS来估计相 位噪声并补偿时，高频场景候选波形的BLER性能明显好于DFT-s-OFDM，并 且接近理想 CPE 补偿时的性能，因此，所提波形更适合
7、于大相位噪声的太赫 兹通信场景。此外，高频场景候选波形的带外泄漏明显小于 DFT-s-OFDM。图 44eDFTsOFDM 与 DFTsOFDM 的 PAPR、BLER、PSD 性能比较4.2 高速大带宽基带信号处理技术太赫兹通信，面临超高频率，超大宽带和超窄波束，对于理想的通信收发 机，在发射机侧，需要满足高增益、高功率、高效率、高线性度、低误差矢量幅 度（EVM）,在接收机侧，需要在宽带接收范围内表现低接收器灵敏度、低噪声 和高增益/线性度,然而太赫兹器件材料工艺物理受限，带来了线性和非线性的 非理想失真挑战，且受限于功耗，基带复杂度，实现成本等约束，我们需要 从系统级层面，探索新的信号处
8、理体制架构、空口架构、波束管理以及低复杂 度的器件补偿算法。方向高频点严晝18風Massive M1MQ.苒刿大带宽；-20/50 GHz車盛设计，斬蛋傅号啊棒制黑高关题；器彳带料工艺物理曼限删出璃单，菽耍砂愎Bias履冏f饶带诵制；S翼送细波旅曽刑法卸髀弦图 45 太赫兹信号处理关键算法技术由于太赫兹的超大信号带宽和超大阵列，全数字信号处理架构需要依赖 高精度和高采样率的数模和模数转换器，以及复杂信号处理算法，这对器件的 成本和可获取性，高速接口，系统功耗带来了极大挑战，模拟以及数模混合的 信号处理体制，可以使用低精度 AD/DA 的收发体制及简化算法基带，在太赫兹通信中是一个有潜在的研 究
9、方向。一方面，需要研究如何降低对AD/DA的采样率需求，常规系统通 常需要以多倍符号速率进行采样，对太赫兹超高速率信号将会带来极高的基 带处理资源开销；另一方面需要研究低量化精度信号处理技术，具体包括比 特量化与信号算法的联合优化设计、联合自适应量化门限单比特解调优化以 及基于概率计算的低复杂度硬件集成电路设计等。针对太赫兹通信高频率和大带宽引入的复杂动态信道、混合失真、复合噪 声、方向性强易被遮挡等不利影响，需要从不同层面研究适应于太赫兹硬件设备 实现的低复杂度、高效信号处理方法。针对太赫兹射频非理想特性和工程实现 的约束，尝试根据现有的理论基础，设计适应于大带宽高数据速率的太赫兹通信 波形
10、和低复杂度的并行化基带信号处理架构，解决太赫兹超高传输速率的物理 层设计和工程实现问题，让太赫兹通信在当前器件约束下走向实际应用。高频收发端功耗主要来源于PA, DAC/ADC,本地振荡器，上下变频处理器 和 数 4字.3 超大 规 基 带模天线技术处理 大规模甚至超大规模天线系统可以有效地克服太赫兹频段带来的非常 器严重的传输衰减。然而大规模天线上的太赫兹硬件设备具有很高的复杂度和功 。率损耗。由于传统全数字天线架构要求极高的硬件复杂度，而全射频模拟架构只 能在整个宽带上进行并且某一时刻仅支持单流传输。因此，混合模拟/数字混合架 构更适用于太赫兹超大规模天线系统58。典型的混合模拟数字大规模
11、天线架构 和图4-6所示，主要分为两种，即（a）全连接，每个射频链路与所有的天线阵 元都连接,b）子阵式，每个射频链路只与某一个子阵的天线相连。通过综述文献 D58比较，全连接结构具有较高的频谱效率以及较高的硬件复杂度与功耗。子阵 结构具有较低的硬件复杂度和功耗，但与此同时频谱效率也较低。因此，针对现 的有两种混合结构均无法在频谱效率、硬件复杂度和功耗上平衡的问题，上海交通 大功学韩充教授与新南威尔士大学 JinhongYuan 教授提出了动态阵列结构来平衡 频谱效率与功耗59,如图4-6（c）所示，动态阵列结构通过插入开关网络，以此实 与现频谱效率与功耗的智能控制，可以很好的平衡频谱效率以及
12、功耗。总功耗的 比 与 收 发 端 的 架 构相比于子阵列结构，动态子阵列结构可实现更好的频谱效率、功耗、以 及硬件复杂度方面的平衡。因此，上海交通大学韩充教授与新南威尔士大学 JinhongYuan教授以及悉尼大学NanYang教授针对这一点研究了更符合实际 应用的太赫兹动态子阵列结构中低精度可调移相器的使用59。研究结果表明， 使用 3-bit 精度的移相器，太赫兹动态子阵列结构可以实现与利用理想无限 精度移相器相近的效果。因此，通过使用低精度移相器，太赫兹动态子阵列 结构可以降低硬件复杂度与功耗，同时获得较高频谱效率。传统混合架构的模拟部分通常使用移相器。移相器具有频率平坦特性。但是 在
13、宽带太赫兹系统中，不同载波频率对应的信道不同，从而需要不同的波束赋形 矩阵。由于已有的基于移相器的混合波束赋形结构仅能针对一个频点进行波束 赋形，对于其他载波频率，波束赋形矩阵存在偏差，继而导致其他载波频率的波 束出现偏移现象。太赫兹超大规模天线系统中的大阵列口径使得波束偏移现象 较为严重。为解决波束偏移问题，通常使用延时器来代替移相器实现模拟波束赋 形矩阵60。由于该频率偏移与载波频率成正比，因此可以利用延时器可针对不同 频率同时实现所需波束赋形权重。但是太赫兹频段的可调节的延时器具有极高 的硬件复杂度，因此清华大学戴凌龙教授团队提出使用移相器和时延器相结合 的方式62，即联合相移时延架构，
14、该架构中每根射频链路连接若干时延器，时 延器再与天线通过移相器相连，使用移相器进行波束赋形，然后基于时延器进行 波束偏移消除，从而提升频谱效率。虽然该架构可解决波束偏移问题，但是太赫 兹时延器较高的复杂度，使得该架构仍的复杂度仍待降低。针对该问题，上海交 通大学韩充教授和诺基亚贝尔团队提出使用固定延时器的方法 63，每根射频链 路连接若干个具有不同时延的固定时延器，然后在固定时延器与天线之间添加 动态开关网络，从而使每根天线动态选择合适的时延进行连接，有效克服波束 偏移问题。4.4 波束对准与跟踪技术极窄波束太赫兹通信对高精度对准带来了较大挑战。首先，太赫兹频率 高，信道的多普勒效应强，通信过
15、程中需要在数个相干时间内达到毫度级的角度跟踪。其次，在波束搜索过程中，系统需要向所有方向发射波束，构造极 窄波束需要向更多的方向发射波束，导致波束训练时间过长、波束对准的开 销较大，减少有效信息传输时间。此外，伴随太赫兹频段频率及超大规模 MIMO天线数目的增加，定义阵列远近场边界的瑞利距离增大，导致通信场 景由经典纯远场通信跨入远近场混合通信。现有波束对准和跟踪技术大多基 于远场平面波模型，在近场通信环境面临明显性能损失。因此，迫切需要在 远近场融合场景中实现极窄波束对准和跟踪。上海交通大学韩充教授团队针对子阵列结构提出新的 AoSA-MUSIC 算法，结合 MUSIC 算法与三维空间中的黄金分割谱峰搜索方法。在获取信 道观测的过程中，基于多精度码本采用层次化波束训练的思想， 通过多种精 度的估计，逐渐细化角度估计分辨率。在角度获取过程中，采用黄金分割谱峰 搜索的方式减小搜索开销，实现达到毫度级角度估计的同时显著降低计算复 杂度。针对太赫兹频率高、信道多普勒效应强、相干时间短等特点，使用一种 结合卡尔曼滤波器和 AoSA-MUSIC 的算法进行角度跟踪6465。此外， 66利 用波束偏移或分裂的太赫兹彩虹现象，清华大学戴凌龙教授和上海交通大学 王
