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太赫兹6G通信应用技术

2023-03-14 09:20:15

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太赫兹具有连续可用的大带宽,将有助于构建6G短距离、高速率的传输系统,支持超高速率的数据传输,满足超密集设备的连接需求,增强网络连接的可靠性,并支撑高能效的终端网络。


1 引言

太赫兹具有连续可用的大带宽,将有助于构建6G短距离、高速率的传输系统,支持超高速率的数据传输,满足超密集设备的连接需求,增强网络连接的可靠性,并支撑高能效的终端网络。

2020年,国际电信联盟(ITU)启动6G研究工作,其中,太赫兹技术发展及其在6G中的应用与挑战成为一个研究热点。我们针对太赫兹的传输特性、应用场景、基带处理和相关智能超表面(RIS)技术进行研讨。

2 太赫兹计算机辅助层析

如图1所示,太赫兹处于毫米波和红外光波之间,属于电子和光子的过渡区域。相比于毫米波,太赫兹具有频率更高、带宽更大、路径损耗大、分子吸收严重、散射丰富和波束极窄的特点。与毫米波存在宽带波束偏移现象不同,太赫兹存在波束宽带分束现象。

2.1 传播模型分析

频率的提高使传播路径损耗明显增大。室外通信在受到阴雾天气影响时也会带来额外损耗。此外,发射机功放功率低,低噪声放大器噪声系数高、高增益天线设计加工难度大等都极大地限制了太赫兹波的传输范围。太赫兹的典型应用场景是短距离通信。通过与多天线技术结合,太赫兹可借助极窄波束来克服路径衰落问题和扩展传播距离。

1分析了0.1-1.03THz频段的频谱窗口及其对应的可用带宽。

随着传播距离的增加,频谱窗口会变窄。为了获得更好的传输性能,矩距离传输可以使用太赫兹,而长距离传输则采用中低频传输。针对不同频谱窗口,我们应当充分利用衰落平坦的频段来分段制定传输策略、并通过智能共享信道来实现对太赫兹大带宽、非连续频段的利用。

2.2 太赫兹信道建模

2.2.1确定性信道模型

基于传播理论,确定性信道模型首先需要传播环境的详细几何信息,然后才可以准确地捕获电磁波传播以进行精确建模。

射线追踪(RT`)方法利用了几何光学原理。太赫兹的极短波长使通过 射线光学方法进行精确信道建模成为可能。太赫兹波在传播过程中容易受到空间物体的阻挡,存在传播哀落和分子吸收问题。如图2所示,微粒特性使太赫兹波拥有多种传播路径:视距传播(LOS)、反射、漫散射和衍射等。与太赫兹入射波相比,低频下的光滑表面则呈现出粗糙的特点。漫反射径能量甚至超过镜面反射径能量。在散射测量中我们可以观察到反向散射波瓣。

时域有限差分(FDTD)方法能够借助数值方式来求解麦克斯韦方程,并且使用迭代方式来更新模拟区域。这种方法不仅可以很好地解决太赫兹中粗糙表面带来的复杂漫散射问题,还可以对小范围场景进行建模。然而,为了准确捕获太赫兹传播的几何特征,FDTD方法除了带要应对极高的计算复杂度外,还需要确定材料特性,开发3D RT校拟器,分析时变特性等。

2.2.2统计信道模型

统计信道建模方法通过随机分布对信道参数进行建模。常用的参数包括路径增益、到达方向、延迟、路径衰减和耦合等。该类方法借助经验信道测量的统计方式对太赫兹信道进行建模,避免了确定性信迫建模的高计算复杂度。对此,一种广泛应用的处理方法为用抽头延迟线公式来表征无线传输,并为路径参数(如到达角方向、到达时间和复路径增益)指定统计分布。统计信道建模需要满足时间展宽效应分析、群集行为建模、时空联合建模等要求。

2.2.3混合信道模型

混合信道建模方法是确定性方法和统计方法的组合,旨在寻求准确性和复杂度之间的平衡。其中,随机分布和射线追踪混合方法(SSRTH)随机放置散射体,并使用RT技术对多径传播进行跟踪和建模,以构建基于几何的随机信道模型;RT-FDTD混合方法使用FDTD来分析靠近复杂不连续点的区域.同时使用RT方法来跟踪区域中不包含的射线,以解决RT方法在复杂不连续点区域中的不准确问题。如何实现在FDTDRT方法之间的平稳转换并融合边界结果是当前亟待解决的问题。

3太赫兹应用场景

未来6G网络中太赫兹系统的可能应用包括无线通信、认知、传感、成像、定位和导航等。如图3所示,我们将重点分析太赫兹技术在未来6G无线通信中的应用场景。

3.1大尺度应用场景

太赫兹可应用于传输距离大于100m的室外场景,包括回传/前传链路、太空应用、车载网络等。由于室外太赫兹传播容易受到水蒸气、雨、云雾等因索的影响,因此在设计时需要预留额外的链路增益。

超密集网络部署和多点传输协作驱动大容量无线回程链路的发展。因此,太赫兹无线回传应运而生。太赫兹在应用于室外回传/前传等时带要配备高增益指向性天线。

未来车与车、车与甚础设施通信的大带宽连接,要求无人驾驶汽车具有实时信息服务和数据批量下载的能力。虽然太赫兹是支持车载网络通信的可靠技术,但它仍需要满足车辆调度、自主链路建立、区域间车辆控制切换、地图规划,以及太赫兹频谱的有效利用等需求。

为了满足空间通信网络的需求,我们可以使用太赫兹频谱资源以获得超高数据速率和较低能耗。将太赫兹应用于仅考虑自由空间损耗的卫星应用场景可以摆脱分子衰落等因素带来的衰减,并扩大可连续利用的频谱带宽。尽管如此,太赫兹目前仍然面临着高增益极窄定向波束难以对准的问题。

3.2小尺度应用场景

小尺度应用场崇是指太赫兹技术

1~100m传播距离的应用场景。

太赫兹频段通信可用于6G蜂窝小区,在10m的覆盖范围内能够提供超高速率的数据通信,并实现超高速有线网络与无线设备之间的无缝连接。此外,太赫兹还适用于室内和室外场景,可以支持静态和移动用户通信。

传统数据中心而临着复杂度、可靠性、功耗、维护成本、空间占用等多方面的挑战。引人无线太赫兹链路.并在数据中心内提供可重新配置的路由,可以增强系统的灵活性,并在不减少带宽的情况下降低布线成本。

太赫兹在实现超高速有线网络与个人无线设备之间的无缝高速互连时,能够提供太比特无线局域网(WLAN)、高清全息视频会议等服务。无线个域网(WPAN)可以通过太赫兹建立附近设备间的太比特每秒链路,在室内桌面等范围支持个人设备之间的超高速率数据传输。

在小尺度应用场景中,太赫兹通信可以实现超宽带安全通信链路,相关应用主要包括无人爆炸物探测、有毒气体检测、雷达通信和极窄波束防窃听等。

3.3微尺度应用场景

通信距离小千1m的微尺度通信是太赫兹通信的特色应用。它可以有效避免由太赫兹波段高路径衰减和分子哀减带来的负而影响。

自助服务机(KIOSK)系统要求终端具有高速率数据传输能力。KIOSK可以将大量数据下载到用户终端,并在火车站、购物中心等公共区域提供服务。用户与自助服务终端之间的距离通常小于10cm。在进行微尺度通信时,太赫兹需要满足近距离传输范围和点对点(P2P)网络拓扑要求。

高速太赫兹无线链路可以连接多个印制电路板(PCB),也可以连接设备内部同一PCB上的芯片。通过平面纳米天线,太赫兹可以实现无线片上网络的可扩展形式,创建超高速链路、以满足曲积受限和通信密集片上场景的严格要求。

由于太赫兹波长与分子尺寸接近,我们可以通过纳米传感器来监测胆固醇、癌症生物标志物等,还可以通过构造纳米传感器网络来收集有关用户的健康数据。通过纳米传感器与微型设备之间的无线接口,可以实现健康数据的上报。与伽马射线等健康检测方法相比,太赫兹健康监测具有更高的安全性。

4 RIS技术

无线信道是一种不可控的随机连接,本身具有一定的不可靠性。此外,环境通常也会对通信效率产生负面影响。随着智能无线电磁环境概念的提出,控制无线环境成为超越传统通信的可行方法。这为无线通信系统增加了新的自由度。

RIS由特殊设计的超材料单元按照一定规则排列组成。是一种具有可编程电磁特性的二维薄层人工电磁表面。改变RIS阵子的电磁特性可以控制无线电波的散射、反射和折射,克服多径衰落和自然环境无线传播的负面影响。无需复杂的编译码和射频处理。RIS技术就可实现对入射电磁波的定向反射,并形成振幅、 相位、频率可控的电场。

4.1 RIS优势分析

RlS技术不仅具有低成本、大面积、易部署、连续表曲、强兼容性、全双工的优点,还具有频谱效率增强、无源被动反射和全频段工作的突出特点。

太赫兹信号容易受到阻挡物干扰,同时严重的分子吸收和路损衰减会影响太赫兹信号的可靠性。对此,RIS能够通过重新配置无线传播环境来补偿功率损耗,以克服非视距限制,进而构建智能可控的无线环境。RIS技术可以显著增加复用层数和容量,提高异构网络的服务质量改善移动边缘计算的网络延迟性能。

RIS密集地分布在室内和室外空间中会对太赫兹覆盖空洞产生积极作用。这种方法具有低成本和环境友好的优点。对希望降低电磁干扰的场景(如医院、机场等),RIS不仅可以通过智能控制无线环境来控制多径,还可以通过有效干扰控制来降低电磁辐射水平。作为发射机应用时,RIS可以降低对射频链路和模数转换器/数模轧换器(ADC/DAC)的高需求。这将有助于应对目前太赫兹而临的硬件技术难题。

4.2 RIS关键技术分析

RIS引人了从基站到RIS、从RIS到用户的分段信道,具有不同于大规模MIMO的信道特征。根据实际网络的几何结构、超表面面积和工作波长等,RIS包括近场工作模式和远场工作模式。这两种工作模式的信道具有不同的特征。这给RIS信道的表征与简化带来了新的挑战。双偏振反向散射信道模型和空间散射信道模型是RIS常用的模型。

获取RIS与收发机之间的信道状态信息对基站主动波束赋形、RIS被动波束赋形、安全传输、以及被动信息传输等至关重要。

RIS独特的可编程特性为波束赋形提供了极大的便利。信道的分段特性需要对基站主动波束赋形和RIS的被动波束赋形进行联合设计。对此,基本的处理思路为:从信号处理的角度出发,将波束赋形设计问题转化为特定目标的优化问题、如使接收功率和数据速率达到最大化,使发射功率达到最小化等。此外,基于数据和数据模型双驱动的人工智能为RIS无线通信波束赋形的设计带来了新的处理方法。降维与分块是衡量波束赋形精度和计算复杂度的有效力法。集中式和分布式RIS部署与组网设计是下一步的研究方向。

5后续研究重点

探索新频段是6G研究的重点方向。随着新场景的引入和垂直行业的发展,探索太赫兹频段的高效利用方式显得愈加重要。探究太赫兹特殊频段特性、设计太赫兹基带处理算法、研究太赫兹与其他新技术的结合、发展新一代超高速率通信系统都是未来研究的重点。

 


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太赫兹6G通信应用技术
太赫兹具有连续可用的大带宽,将有助于构建6G短距离、高速率的传输系统,支持超高速率的数据传输,满足超密集设备的连接需求,增强网络连接的可靠性,并支撑高能效的终端网络。
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太赫兹具有连续可用的大带宽,将有助于构建6G短距离、高速率的传输系统,支持超高速率的数据传输,满足超密集设备的连接需求,增强网络连接的可靠性,并支撑高能效的终端网络。


1 引言

太赫兹具有连续可用的大带宽,将有助于构建6G短距离、高速率的传输系统,支持超高速率的数据传输,满足超密集设备的连接需求,增强网络连接的可靠性,并支撑高能效的终端网络。

2020年,国际电信联盟(ITU)启动6G研究工作,其中,太赫兹技术发展及其在6G中的应用与挑战成为一个研究热点。我们针对太赫兹的传输特性、应用场景、基带处理和相关智能超表面(RIS)技术进行研讨。

2 太赫兹计算机辅助层析

如图1所示,太赫兹处于毫米波和红外光波之间,属于电子和光子的过渡区域。相比于毫米波,太赫兹具有频率更高、带宽更大、路径损耗大、分子吸收严重、散射丰富和波束极窄的特点。与毫米波存在宽带波束偏移现象不同,太赫兹存在波束宽带分束现象。

2.1 传播模型分析

频率的提高使传播路径损耗明显增大。室外通信在受到阴雾天气影响时也会带来额外损耗。此外,发射机功放功率低,低噪声放大器噪声系数高、高增益天线设计加工难度大等都极大地限制了太赫兹波的传输范围。太赫兹的典型应用场景是短距离通信。通过与多天线技术结合,太赫兹可借助极窄波束来克服路径衰落问题和扩展传播距离。

1分析了0.1-1.03THz频段的频谱窗口及其对应的可用带宽。

随着传播距离的增加,频谱窗口会变窄。为了获得更好的传输性能,矩距离传输可以使用太赫兹,而长距离传输则采用中低频传输。针对不同频谱窗口,我们应当充分利用衰落平坦的频段来分段制定传输策略、并通过智能共享信道来实现对太赫兹大带宽、非连续频段的利用。

2.2 太赫兹信道建模

2.2.1确定性信道模型

基于传播理论,确定性信道模型首先需要传播环境的详细几何信息,然后才可以准确地捕获电磁波传播以进行精确建模。

射线追踪(RT`)方法利用了几何光学原理。太赫兹的极短波长使通过 射线光学方法进行精确信道建模成为可能。太赫兹波在传播过程中容易受到空间物体的阻挡,存在传播哀落和分子吸收问题。如图2所示,微粒特性使太赫兹波拥有多种传播路径:视距传播(LOS)、反射、漫散射和衍射等。与太赫兹入射波相比,低频下的光滑表面则呈现出粗糙的特点。漫反射径能量甚至超过镜面反射径能量。在散射测量中我们可以观察到反向散射波瓣。

时域有限差分(FDTD)方法能够借助数值方式来求解麦克斯韦方程,并且使用迭代方式来更新模拟区域。这种方法不仅可以很好地解决太赫兹中粗糙表面带来的复杂漫散射问题,还可以对小范围场景进行建模。然而,为了准确捕获太赫兹传播的几何特征,FDTD方法除了带要应对极高的计算复杂度外,还需要确定材料特性,开发3D RT校拟器,分析时变特性等。

2.2.2统计信道模型

统计信道建模方法通过随机分布对信道参数进行建模。常用的参数包括路径增益、到达方向、延迟、路径衰减和耦合等。该类方法借助经验信道测量的统计方式对太赫兹信道进行建模,避免了确定性信迫建模的高计算复杂度。对此,一种广泛应用的处理方法为用抽头延迟线公式来表征无线传输,并为路径参数(如到达角方向、到达时间和复路径增益)指定统计分布。统计信道建模需要满足时间展宽效应分析、群集行为建模、时空联合建模等要求。

2.2.3混合信道模型

混合信道建模方法是确定性方法和统计方法的组合,旨在寻求准确性和复杂度之间的平衡。其中,随机分布和射线追踪混合方法(SSRTH)随机放置散射体,并使用RT技术对多径传播进行跟踪和建模,以构建基于几何的随机信道模型;RT-FDTD混合方法使用FDTD来分析靠近复杂不连续点的区域.同时使用RT方法来跟踪区域中不包含的射线,以解决RT方法在复杂不连续点区域中的不准确问题。如何实现在FDTDRT方法之间的平稳转换并融合边界结果是当前亟待解决的问题。

3太赫兹应用场景

未来6G网络中太赫兹系统的可能应用包括无线通信、认知、传感、成像、定位和导航等。如图3所示,我们将重点分析太赫兹技术在未来6G无线通信中的应用场景。

3.1大尺度应用场景

太赫兹可应用于传输距离大于100m的室外场景,包括回传/前传链路、太空应用、车载网络等。由于室外太赫兹传播容易受到水蒸气、雨、云雾等因索的影响,因此在设计时需要预留额外的链路增益。

超密集网络部署和多点传输协作驱动大容量无线回程链路的发展。因此,太赫兹无线回传应运而生。太赫兹在应用于室外回传/前传等时带要配备高增益指向性天线。

未来车与车、车与甚础设施通信的大带宽连接,要求无人驾驶汽车具有实时信息服务和数据批量下载的能力。虽然太赫兹是支持车载网络通信的可靠技术,但它仍需要满足车辆调度、自主链路建立、区域间车辆控制切换、地图规划,以及太赫兹频谱的有效利用等需求。

为了满足空间通信网络的需求,我们可以使用太赫兹频谱资源以获得超高数据速率和较低能耗。将太赫兹应用于仅考虑自由空间损耗的卫星应用场景可以摆脱分子衰落等因素带来的衰减,并扩大可连续利用的频谱带宽。尽管如此,太赫兹目前仍然面临着高增益极窄定向波束难以对准的问题。

3.2小尺度应用场景

小尺度应用场崇是指太赫兹技术

1~100m传播距离的应用场景。

太赫兹频段通信可用于6G蜂窝小区,在10m的覆盖范围内能够提供超高速率的数据通信,并实现超高速有线网络与无线设备之间的无缝连接。此外,太赫兹还适用于室内和室外场景,可以支持静态和移动用户通信。

传统数据中心而临着复杂度、可靠性、功耗、维护成本、空间占用等多方面的挑战。引人无线太赫兹链路.并在数据中心内提供可重新配置的路由,可以增强系统的灵活性,并在不减少带宽的情况下降低布线成本。

太赫兹在实现超高速有线网络与个人无线设备之间的无缝高速互连时,能够提供太比特无线局域网(WLAN)、高清全息视频会议等服务。无线个域网(WPAN)可以通过太赫兹建立附近设备间的太比特每秒链路,在室内桌面等范围支持个人设备之间的超高速率数据传输。

在小尺度应用场景中,太赫兹通信可以实现超宽带安全通信链路,相关应用主要包括无人爆炸物探测、有毒气体检测、雷达通信和极窄波束防窃听等。

3.3微尺度应用场景

通信距离小千1m的微尺度通信是太赫兹通信的特色应用。它可以有效避免由太赫兹波段高路径衰减和分子哀减带来的负而影响。

自助服务机(KIOSK)系统要求终端具有高速率数据传输能力。KIOSK可以将大量数据下载到用户终端,并在火车站、购物中心等公共区域提供服务。用户与自助服务终端之间的距离通常小于10cm。在进行微尺度通信时,太赫兹需要满足近距离传输范围和点对点(P2P)网络拓扑要求。

高速太赫兹无线链路可以连接多个印制电路板(PCB),也可以连接设备内部同一PCB上的芯片。通过平面纳米天线,太赫兹可以实现无线片上网络的可扩展形式,创建超高速链路、以满足曲积受限和通信密集片上场景的严格要求。

由于太赫兹波长与分子尺寸接近,我们可以通过纳米传感器来监测胆固醇、癌症生物标志物等,还可以通过构造纳米传感器网络来收集有关用户的健康数据。通过纳米传感器与微型设备之间的无线接口,可以实现健康数据的上报。与伽马射线等健康检测方法相比,太赫兹健康监测具有更高的安全性。

4 RIS技术

无线信道是一种不可控的随机连接,本身具有一定的不可靠性。此外,环境通常也会对通信效率产生负面影响。随着智能无线电磁环境概念的提出,控制无线环境成为超越传统通信的可行方法。这为无线通信系统增加了新的自由度。

RIS由特殊设计的超材料单元按照一定规则排列组成。是一种具有可编程电磁特性的二维薄层人工电磁表面。改变RIS阵子的电磁特性可以控制无线电波的散射、反射和折射,克服多径衰落和自然环境无线传播的负面影响。无需复杂的编译码和射频处理。RIS技术就可实现对入射电磁波的定向反射,并形成振幅、 相位、频率可控的电场。

4.1 RIS优势分析

RlS技术不仅具有低成本、大面积、易部署、连续表曲、强兼容性、全双工的优点,还具有频谱效率增强、无源被动反射和全频段工作的突出特点。

太赫兹信号容易受到阻挡物干扰,同时严重的分子吸收和路损衰减会影响太赫兹信号的可靠性。对此,RIS能够通过重新配置无线传播环境来补偿功率损耗,以克服非视距限制,进而构建智能可控的无线环境。RIS技术可以显著增加复用层数和容量,提高异构网络的服务质量改善移动边缘计算的网络延迟性能。

RIS密集地分布在室内和室外空间中会对太赫兹覆盖空洞产生积极作用。这种方法具有低成本和环境友好的优点。对希望降低电磁干扰的场景(如医院、机场等),RIS不仅可以通过智能控制无线环境来控制多径,还可以通过有效干扰控制来降低电磁辐射水平。作为发射机应用时,RIS可以降低对射频链路和模数转换器/数模轧换器(ADC/DAC)的高需求。这将有助于应对目前太赫兹而临的硬件技术难题。

4.2 RIS关键技术分析

RIS引人了从基站到RIS、从RIS到用户的分段信道,具有不同于大规模MIMO的信道特征。根据实际网络的几何结构、超表面面积和工作波长等,RIS包括近场工作模式和远场工作模式。这两种工作模式的信道具有不同的特征。这给RIS信道的表征与简化带来了新的挑战。双偏振反向散射信道模型和空间散射信道模型是RIS常用的模型。

获取RIS与收发机之间的信道状态信息对基站主动波束赋形、RIS被动波束赋形、安全传输、以及被动信息传输等至关重要。

RIS独特的可编程特性为波束赋形提供了极大的便利。信道的分段特性需要对基站主动波束赋形和RIS的被动波束赋形进行联合设计。对此,基本的处理思路为:从信号处理的角度出发,将波束赋形设计问题转化为特定目标的优化问题、如使接收功率和数据速率达到最大化,使发射功率达到最小化等。此外,基于数据和数据模型双驱动的人工智能为RIS无线通信波束赋形的设计带来了新的处理方法。降维与分块是衡量波束赋形精度和计算复杂度的有效力法。集中式和分布式RIS部署与组网设计是下一步的研究方向。

5后续研究重点

探索新频段是6G研究的重点方向。随着新场景的引入和垂直行业的发展,探索太赫兹频段的高效利用方式显得愈加重要。探究太赫兹特殊频段特性、设计太赫兹基带处理算法、研究太赫兹与其他新技术的结合、发展新一代超高速率通信系统都是未来研究的重点。

 


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