太赫兹多天线移动通信性能界理论

杨 闯,刘子乐,石涵琛,彭木根

(北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室,北京 100876)

0 引言

6G无线传输峰值速率将达到太比特级,相比5G提高约100倍,以支持工业互联网、虚拟现实/增强现实等高速率应用场景的通信需求[1]。当前中低频段频谱资源紧缺、带宽不足,难以满足6G高速率通信需求。太赫兹(0.1 ～ 10 THz)凭借其超大带宽优势,成为6G重要候选频段之一,目前100 ～ 450 GHz频段中已有230 GHz的频谱被分配用于移动服务[2]。

然而,太赫兹存在严重的大分子(水、氧气等)吸收与高额的路径损耗问题,导致传播损耗极高,限制了太赫兹无线通信距离[3]。能够实现极高天线增益的多天线(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术成为了对抗太赫兹传播损耗的关键技术。据全球首个6G白皮书估计,在未来Beyond 5G(B5G)/6G应用中,250 GHz工作频点的太赫兹通信系统有望实现每平方厘米250个天线的超大规模天线阵列[1]。多天线技术极大拓宽了太赫兹通信应用场景的距离维度,代价则是在角度维度带来了新的挑战。多个阵子发射的电磁波信号干涉形成的狭窄太赫兹波束,在移动场景下难以对准目标,导致无线链路信噪比下降甚至发生链路中断。

传统方法通过波束扫描或波束训练在角度空间中寻找最佳波束。但对于太赫兹多天线系统,极窄的波束大幅增加了扫描时延与训练开销,使得传统方法难以适用[4]。如何解决太赫兹多天线波束对准,实现更适配场景的太赫兹多天线移动通信,是未来6G高速率通信研究的重点方向。目前,一种可行的方案是通过感知实时获取移动用户状态作为先验信息,生成目标方位角直接实现波束对准[5]。另一种方案是基于太赫兹信道的稀疏特性,对上行信道反馈的波束空间信息进行压缩感知,降低波束训练的开销[6]。

上述研究从技术上探索了太赫兹多天线移动通信的发展方向,但面向不同场景,模型框架存在差异。为了统一表征不同场景,理论性能界被认为是重要的一类指标[7]。通过刻画性能指标的上界或下界,对高复杂、高随机的性能表征进行简化,对于太赫兹多天线移动通信设计方案的制定具有重要价值。

1 太赫兹多天线移动通信硬件发展现状

太赫兹多天线移动通信的阵列天线大规模、发射功率、天线增益、波束宽度和扫描范围等指标备受业内关注,是太赫兹多天线移动通信发展的基础,备受业内关注[8]。国内外研究机构针对太赫兹核心器件和太赫兹通信技术发布一系列研究计划,提出了相应的指标要求,取得了阶段性进展。但是当前研究主要聚焦在传统通信制式,系统结构单一,无法释放太赫兹宽带性能。

1.1 国内发展现状

我国太赫兹技术研究起步较晚,为从太赫兹器件、芯片、通信技术等多方面追赶欧美,自“十二五”起发布了多项太赫兹领域相关重大项目,包括国家高技术研究发展计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划,涉及新一代太赫兹电子射频材料、太赫兹微电子器件与集成芯片、太赫兹无线移动通信等研究。

近年来,随着我国太赫兹器件与工艺、点对点移动通信技术和原型系统基础的奠定,研究重点转向了新型核心器件、通信前端和移动组网等应用与实用研究的突破,“宽带通信和新型网络”“微纳电子技术”“新型显示与战略性电子材料”等国家重点研发项目都对太赫兹多天线移动通信系统的通道数、发射功率、能耗、扫描范围提出了较高的考核指标[9-11],表1为国内前沿项目与研究报告中提出的太赫兹多天线移动通信需求。2023年6月22日,国际电信联盟无线通信部门(Radio Communication Division of the International Telecommunication Union,ITU-R)的5D工作组完成了由我国工业和信息化部组建的国际移动通信(International Mobile Telecommunications,IMT)6G推进组起草的全球6G愿景框架建议书[12]。与IMT-2020提出的5G功能相比,新建议书考虑到未来移动通信的巨容量和广覆盖范围、新兴业务和应用场景(例如沉浸式通信、泛在链接、通信感知一体化等),亟需巨大的带宽资源作为支撑,未来6G需要广泛利用太赫兹频段,满足500～1 000 km/h的移动性需求并实现1～10 cm的定位精度。我国对太赫兹多天线移动通信的布局已取得阶段性进展,主要聚焦在器件性能的提升,缺少理论指导释放太赫兹器件在移动通信系统中的性能。比如,如何在移相不理想下准确波束赋形、如何对抗移动下严重太赫兹多普勒频偏等,尚缺少直接研究。

表1 国内太赫兹多天线移动通信硬件性能及布局场景的发展现状Tab.1 Domestic requirements of THz MIMO mobile communication applications

1.2 国外发展现状

国外太赫兹通信技术发展以美国最为突出,多个国家组织和国防部门与全球知名高校、半导体公司、军事巨头合作,重在研发能够在未来快速转化为军用和工业应用的太赫兹微电子技术。

表2总结了国外先进项目[13-18]与国际组织研究报告[19]中提出的太赫兹多天线移动通信需求。

表2 国外太赫兹多天线移动通信硬件性能及布局场景的发展现状Tab.2 International requirements of THz MIMO mobile communication applications

为利用太赫兹技术增强空军作战的通信和抗干扰能力,美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory,AFRL)于2020年7月发布“频率可调太赫兹超宽带机载网络”项目技术报告[15],指出在太赫兹频段需要借助超高增益天线(超过26 dBi)和极窄波束(约10°)以克服更高的路径损耗并提高无线链路指向性,实现太赫兹机间高速移动通信。2021年初,AFRL下属空军科学研究办公室实验室(Air Force Office of Scientific Research,AFOSR)发布了“下一代可编程大规模太赫兹系统”项目科技报告[16],旨在研究大规模非线性同步太赫兹源,需要研发具有高等效辐射功率(≥14 dBm@420 GHz)和宽扫描范围(±30°)的大规模天线阵(规模达4×4以上)。2023年1月,美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)宣布开启“联合大学微电子学项目”(Joint University Microelectronics Program,JUMP)2.0阶段。由加州大学圣巴巴拉分校牵头的太赫兹通信感知融合中心(Communication Sensing Terahertz,ComSenTer)作为该项目六大研究中心之一,其集成电路和晶体管研究小组将在JUMP 2.0阶段重点攻关亚太赫兹收发机、功率放大器和新型材料晶体管等,以支持大规模MIMO高能效波束赋形[17-18]。

此外,在太赫兹通信技术商用与产业化方面,ITU-R积极推进发展愿景、关键技术、标准化等进程,于2022年11月发布了新版“275～450 GHz频段陆地移动服务应用技术与操作手册”[19]。文件指出,275～450 GHz的太赫兹频谱资源将能够应用于近距离移动通信系统(Close Proximity Mobile Systems,CPMS),主要包括公共场所终端移动下载、数据中心无线连接、室内扩展现实(Extended Reality,XR)、智能工厂等对移动性需求较低的6G场景,并详细罗列了相关应用场景对应的技术特点和性能需求。然而,与国内研究相仿,主要集中在传统通信制式,对如何释放太赫兹大带宽移动通信器件的性能,尚无理论性能指导。

2 太赫兹多天线移动通信理论

作为新兴的场景应用,太赫兹多天线移动通信技术尚处于初步探索阶段,主要集中在面向未来的MIMO技术研究以及固定点对点试验方面,目前尚无法满足未来网络的性能需求。为了充分评估该技术可待发掘的性能潜力,亟需构建太赫兹多天线移动通信性能界理论框架,考虑从太赫兹移动通信理论、太赫兹多天线通信理论、感知协同太赫兹通信理论的研究中获得启示。

2.1 太赫兹移动通信

由于太赫兹通信波束窄、中心频率高,其性能受节点移动性影响相较低频段更为显著。移动对太赫兹通信性能的影响主要包括波束对准偏差与多普勒频偏两方面。

为了获得足够的波束增益以克服路径损耗,太赫兹波束宽度可以小于1°,则其波束截面在100 m的距离上覆盖区域的半径小于1.75 m。因此用户在高移动性下极易产生对准偏差,甚至脱离波束覆盖范围导致通信中断。为了衡量波束对准偏差对通信性能影响,需要分别考虑用户移动模型与波束分布模型。如表3所示,用户移动模型包括随机抖动、布朗运动和匀速直线运动等;波束分布模型包括均匀分布、高斯分布、贝塞尔分布等[20-22]。基于上述模型,现有研究探究了用户移动性对太赫兹通信性能的影响。文献[23]理论证明了目标随机抖动导致的对准偏差满足瑞利分布。文献[24]分析了风速导致的无人机抖动对太赫兹通信性能的影响,并进行了硬件实验验证。

表3 用户移动模型与波束分布模型Tab.3 User mobility model and beam distribution model

现有太赫兹通信系统往往采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)波形,将整个频段带宽分为多个子载波以实现更高的频谱效率。但由于太赫兹通信中心频率更高,节点相对移动产生的多普勒频偏越大,从而造成子带宽载波间的干扰越严重。为此,可以利用波形设计理论,分析场景性能需求对带宽、子载波间隔、循环前缀符号数等波形参数的约束,从而指导对OFDM波形中的参数设置[25]。与此同时,还可以采用正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制将信息调制到时延-多普勒域以更好地适配高动态的时频双选信道[26],但其复杂的信号处理也会带来更高的延迟,如何平衡OTFS节点速度与通信时延的性能需求,是太赫兹移动通信理论的重要难题。

2.2 太赫兹多天线通信

随着贴片天线与相控阵天线的发展,太赫兹通信采用的天线数也与日俱增。如图1所示,太赫兹多天线硬件的阵元数已可达近千个,实现了大规模多天线阵列[27-34]。

图1 近年来硬件研究中的太赫兹天线规模Fig.1 THz array sizes in recent circuit efforts

太赫兹通信系统的工作带宽较大,其发射信号在通过具有频率选择特性的模拟移项器时会产生波束色散效应,而其影响会随着天线规模的增加而进一步加剧[35]。波束色散对太赫兹多天线通信系统性能的影响是双重的。一方面,波束色散会降低多天线的波束赋形增益,并有可能造成波束信息的丢失,从而降低通信的容量性能;另一方面,色散使得波束有效覆盖范围增加,从而降低了波束扫描和波束赋形方案的时延[36]。因此,可以经过理论研究分析,在通过信道状态信息辅助波束赋形等方案以抑制波束色散的同时,充分利用其拓宽波束的特点来增强太赫兹多天线通信的可靠性。

此外,由于瑞利距离随着天线规模增加而增大,太赫兹多天线通信的近场效应显著[37]。在近场条件下,原有远场通信的平面波模型不再适用。在球面波模型下,用户方位角信息与距离信息相互耦合,因此如何精准估计用户方位角以实现高精度波束对准,是实现近场太赫兹多天线通信的关键技术问题。太赫兹信号评估方位角的上界和下界精度则为指导关键技术设计的理论基础。

2.3 感知协同太赫兹通信

太赫兹实现大容量通信的前提是需要实时高精的信道状态信息或用户状态信道作支撑,这使得感知协同太赫兹通信成为研究热门。通过接收用户或目标表面反射的回波,对方位角进行估计,进而调整预编码参数以实现波束对准与阻塞规避。

根据感知所采用的频率,感知协同太赫兹通信可分为异频感知与同频感知两类。对于异频感知,主要可以分为低频感知与光学感知。低频感知信号可以相对稳定地接收到回波信号,感知可靠性较高,但是受限于频谱资源,其精度与分辨率不足[38];通过摄像头等光学辅助设备可精确获取目标的位置信息,但需要依赖人工智能技术对图像信息进行处理,复杂度与时延相对较高[39]。另外,不同频点的信道存在差异,因此将异频感知信息用于太赫兹波束赋形会导致明显的系统误差。

同频感知协同太赫兹通信可以在消除方位角系统误差的同时,通过将通信与感知信号共用一套射频装置以简化收发机结构,实现一体化增益。文献[40]提出了面向车联网场景的太赫兹感知协同超大规模多天线通信的混合预编码方案,实现了硬件复杂度与通信速率的折中;文献[41]提出了通过太赫兹感知太空障碍物的位置,调整太赫兹通信波束以避免链路被遮挡而中断;文献[42]则从更广泛的角度,分析了太赫兹感知协同移动通信下的性能关系与性能界限,提出了感知与通信之间的近似闭式表达式。

3 太赫兹多天线移动通信性能界理论

基于上述讨论,太赫兹多天线移动通信理论应当综合考虑太赫兹移动通信、太赫兹多天线通信、感知协同太赫兹通信等模型特征与分析方法,推导通信性能界限,并基于性能界理论提出太赫兹多天线移动通信性能优化方法,提出指导系统设计的边界条件。

3.1 太赫兹多天线移动通信性能界限

针对太赫兹通信中的移动性难题,现有感知协同方案往往采用方位角感知辅助[42]。然而在高机动场景,目标的切向角速度可达0.2 rad/s[24],此时仅通过方位角信息已无法满足窄波束对准的需求。为此,需要对目标的切向角速度进行感知。阵元数为N的太赫兹多天线系统通过时分体制发送通信与感知信号,设时分系数δ为感知时隙Ms与总时隙M之比,则t时刻接收到感知信号Ss(t)来自用户表面反射的回波信号为:

(1)

(2)

式中:η为回波信号信燥比,Δ为采样频率。根据方位角估计与切向角速度的CRB,可得波束对准方差为:

(3)

如图2所示,考虑高斯窄波束模型,则根据系统带宽B、单位信噪比γ0、用户单、接收天线单阵元截面积Scom与波束截面直径wd,可以推导得到通信速率的上界为:

图2 感知协同太赫兹多天线移动通信性能界限Fig.2 Performance bounds of sensing-assisted THz MIMO mobile communications

(4)

从而可以得到包括方位角与切向角速度的二维感知协同太赫兹多天线移动通信性能。与仅包括方位角的一维感知协同情形相比,切向角速度估计信息可以进一步提升通信速率的性能,使其性能界限迫近理想条件下的最优容量。

3.2 太赫兹多天线移动通信性能优化

太赫兹多天线系统工作带宽大、频点高、天线阵元数多,因此用于感知可以获得极佳的测距、测速、测角性能。然而,目前太赫兹感知的可靠性仍存在诸多挑战:① 回波弱,太赫兹信号发射功率低,经过去波路径损耗、反射损耗与回波路径损耗后,接收到的回波信号信噪比较低,从而降低参数估计的性能;② 不稳定,太赫兹信号的回波强度受信道环境(直射路径是否被阻塞等)与目标姿态(影响雷达反射截面等)影响,导致感知易失效、链路易中断。为此,可以利用部署于太赫兹多天线系统后端的计算功能,对回波信号与信息进行处理,进而改善太赫兹感知的可靠性,从而对移动通信性能进行优化,性能界限特征总结如表4所示,其中,γn为第n个接收天线阵元接收信号的单位信噪比,Tpri为感知间隔。

表4 不同场景下太赫兹多天线移动通信性能界限Tab.4 Performance bounds of THz MIMO mobile communications under various scenarios

根据应用场景的不同,感知协同通信的考量参数存在差异。对于面向随机抖动用户的波束对准(高斯波束)场景,目标的移动性无法估计,仅可通过方位角感知协同通信;对于沿径向方向机动的用户的波束对准,可通过方位角-径向速度二维感知协同通信;对于全向(径向+切向)机动目标的波束对准,可通过方位角-径向速度-切向角速度三维感知协同通信;对于全向机动目标进行波束聚焦(贝塞尔波束),可通过方位角-径向速度-切向角速度-距离四维感知协同通信。

(5)

从而所获融合信息的方差可表示为:

(6)

3.3 太赫兹多天线移动通信感知性能折衷

OFDM作为5G NR物理层的标准调制方式[43],因技术成熟度极高而广泛应用于太赫兹大容量传输。本节利用多天线OFDM波形同时实现通信和感知功能,研究太赫兹多天线移动通信和感知过程中存在的性能折衷问题。

考虑多数据流以及OFDM循环前缀(Cyclic Prefix,CP)和时间同步带来的额外开销,用户目标实际体验到的有效传输速率表示为[44]：

(7)

在回波感知方面,为了避免回波信号处理中引入符号间干扰,最大回波时延不应超过CP长度,进而限制了最大容限距离[46],即:

(8)

为了避免在距离估计中产生距离模糊问题,最大不模糊距离计算为[46]：

(9)

综合式(2)和式(3)得到,太赫兹移动通信系统的最大感知距离应取最大容限距离和最大不模糊距离的最小值,即:

(10)

基于上述分析,图3为采用4×4 MIMO-16QAM调制,fc=140 GHz、BOFDM=1 GHz、|v|max=60 km/h时有效传输速率和最大感知距离与子载波数的关系。在带宽固定的条件下,随着子载波数增加,OFDM符号长度增大,导致有效传输速率降低,最大感知距离延长。此外,有效传输速率还随CP长度增大而减小,最大感知距离则随CP长度增大而增大,二者均受CP占比影响,且呈相反趋势。因此,太赫兹多天线移动通信存在有效传输速率与感知距离的性能折衷关系,主要影响因素包括子载波数和CP占比。

图3 有效传输速率和最大感知距离与子载波数的关系Fig.3 Effective data rate and maximum sensing range versus number of subcarriers

4 未来方向

通过上述研究可知,用户移动、天线波束与感知协同是太赫兹多天线移动通信的重要特征,也是其性能界理论面向的场景特性。现有理论研究虽然已经初步揭示了太赫兹多天线移动通信的性能界限,但还存在以下几方面挑战。

4.1 太赫兹多天线移动通信基础信息理论

对于严谨的信息理论研究,需要给出通信性能内界,一方面需证明该界限是最大的可达界,另一方面需证明超过界限是不可达的。目前太赫兹多天线移动通信性能研究由于推导过程中采用了较多简化与放缩的处理,得到的性能界限均为外界,其理论价值与对技术应用的指导意义有限。如何在保证性能可闭式表征的前提下,面向特定场景参数与系统参数,将外界逐渐收紧趋近于内界,乃至于求出真正的内界,是太赫兹多天线移动通信界限理论的研究重点。

4.2 太赫兹多天线移动通信信号处理

性能界限作为率指标的上界或失真指标的下界,其数值与真实指标存在差异,在实际系统设计中往往仅可作为参考。3.2节提出了基于性能界限计算的信号处理方法,以解决感知协同太赫兹多天线移动通信的可靠性难题,但CRB指标无法直接替代实际表征精度的均方根误差(Mean Square Error,MSE)指标,其适用性有待数值仿真与硬件测试来验证。与此同时,类似的思路也可用于通信的编码、调制与波束赋形过程,通过计算性能界限以修正系统参数的信号处理方法,应对太赫兹通信信道的高动态与随机性,从而拓宽性能界限研究在指导太赫兹多天线移动通信系统的应用价值。

4.3 太赫兹多天线移动通信波形设计

波形体制是任何通信系统的核心,现有5G NR标准对OFDM帧结构定义尚未包含太赫兹频段,导致太赫兹多天线移动通信波形设计缺少理论指导。3.3节仅讨论了OFDM波形有效传输速率和最大感知距离的性能折衷,未涉及其他性能指标,折衷分析尚不完善。针对高速移动带来严重多普勒效应,未来太赫兹移动通信需要采用能够对抗高多普勒频偏的新兴通信波形OTFS,亟需进一步探究其帧结构参数、多天线阵列设置和不同预编码方式与通信性能指标(主要包括有效速率、频谱/能量效率、通信距离和误码率等)之间的联系,以构建设计准则或理论框架,指导物理层波形设计。

5 结论

国内外太赫兹多天线移动通信研究现状表明,性能界理论缺失使得太赫兹移动通信的架构单一、性能极限无法估量,制约太赫兹通信创新性发展。理论研究现状表明,现有太赫兹多天线移动通信技术性能与需求的差距,可以通过感知协同方式迫近。太赫兹多天线移动通信性能界理论亟需深入研究性能界限、性能优化、性能折中三个方面,需要重点厘出性能界可达与否、信号处理对性能界影响以及波形等物理层技术与性能界之间的内在联系。