謝莎，李浩然，李玲香，陳智，李少謙

（電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731）

1 引言

隨著智能手機(jī)的不斷普及，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)數(shù)量急劇增加。根據(jù)愛(ài)立信的物聯(lián)網(wǎng)預(yù)測(cè)，到2022 年，全球?qū)⒂?90 億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。智能終端應(yīng)用的快速發(fā)展要求未來(lái)通信系統(tǒng)能在各種復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的超高速訪問(wèn)。為此，一種解決方案是通過(guò)先進(jìn)的調(diào)制方案和信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提高頻譜效率。然而，由于當(dāng)前工作頻帶（窄帶寬）的基本限制，很難達(dá)到100 Gbit/s，更別提太比特每秒級(jí)別了。另一種解決方案是使用更高的載波頻率來(lái)增加信道帶寬，以提供足夠的傳輸容量。

毫米波（millimeter wave）和太赫茲頻段是高頻通信的候選頻段，能很好地應(yīng)對(duì)當(dāng)前無(wú)線通信系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題[1-5]。相比之下，太赫茲頻段比毫米波頻段具有更大的潛力。首先，太赫茲頻段的帶寬為0.1～10 THz，比毫米波的帶寬高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以提供太比特每秒級(jí)別數(shù)據(jù)傳輸速率的支持。其次，由于減小了天線孔徑，太赫茲比毫米波具有更高的方向性，更不易發(fā)生自由空間衍射。最后，太赫茲頻段下收發(fā)機(jī)之間的距離要比毫米波頻段中的距離短得多，這將帶來(lái)電力消耗的降低，從而減少二氧化碳的排放[6]。

綜合當(dāng)前通信系統(tǒng)存在的不足與太赫茲頻段獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，太赫茲通信技術(shù)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是滿(mǎn)足移動(dòng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)流量需求的關(guān)鍵無(wú)線技術(shù)，可緩解當(dāng)前無(wú)線系統(tǒng)的容量瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)超高速無(wú)線通信[7-9]。太赫茲頻段巨大的帶寬和可支持的超高速數(shù)據(jù)傳輸速率，將使大量的新應(yīng)用和服務(wù)變成現(xiàn)實(shí)，如車(chē)輛通信、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR，virtual reality）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR，augmented reality）、健康監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星通信等。

通過(guò)部署太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)中的高速信息交互，進(jìn)一步提高行車(chē)安全，減少交通擁堵和交通事故，提高交通系統(tǒng)的總體效率。AR/VR 帶給人們前所未有的體驗(yàn)，但目前的發(fā)展受到無(wú)線通信低數(shù)據(jù)速率的限制。幸運(yùn)的是，一旦太赫茲頻段被用于無(wú)線通信系統(tǒng)，將帶來(lái)比有線通信系統(tǒng)更好的用戶(hù)體驗(yàn)。在健康監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，與高輻射的伽馬射線相比，太赫茲射線對(duì)人體的傷害更小。因此，可以將大量納米級(jí)傳感器注入人體，使其分布在血液中，收集人體的健康信息，然后利用納米傳感器監(jiān)測(cè)一些人體必需物質(zhì)（如葡萄糖、鈉）或癌癥生物標(biāo)志物；同時(shí)也可以感知人體不可達(dá)部位的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)信息，并通過(guò)納米通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)的信息傳遞給外部設(shè)備。因此，健康監(jiān)測(cè)（如病毒或腫瘤檢測(cè)）可以以非侵入性的方式進(jìn)行，并以實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行疾病檢測(cè)[10]。不僅如此，由于在太空中（無(wú)大氣環(huán)境）沒(méi)有太赫茲吸收損耗問(wèn)題，因此太赫茲頻段下的衛(wèi)星通信傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)，且太赫茲通信終端具有小型化的優(yōu)點(diǎn)，因此太赫茲衛(wèi)星通信極具應(yīng)用前景[11-13]。

當(dāng)前研制的太赫茲無(wú)線通信裝備，根據(jù)太赫茲頻段射線產(chǎn)生的方法分為2 種：第一種方法是使用光電子技術(shù)將光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換成太赫茲頻率，即由半導(dǎo)體的激發(fā)產(chǎn)生連續(xù)或脈沖的太赫茲輻射；第二種方法是使用頻率倍增器，將電子設(shè)備的工作頻率從毫米波增加到太赫茲范圍[9]?；诠怆娮咏M合的方法在太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用往往受制于光學(xué)元件，不利于芯片的集成化和小型化，因此，目前應(yīng)用較多的是基于倍頻器的通信系統(tǒng)。其中，日本電報(bào)電話公司（NTT,Nippon Telegraph & Telephone）在800 m 以上實(shí)現(xiàn)了10 Gbit/s 的雙向數(shù)據(jù)傳輸速率和20 Gbit/s 的單向數(shù)據(jù)傳輸速率。德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院實(shí)現(xiàn)了0.237 5 THz 的全固態(tài)無(wú)線通信系統(tǒng)，當(dāng)傳輸距離為1 km 時(shí)，最大傳輸速率可達(dá)40 Gbit/s[9]。但是，目前研制的太赫茲通信系統(tǒng)的規(guī)模化應(yīng)用仍然存在一些需要攻克的難點(diǎn)問(wèn)題，如太赫茲器件體積較大、集成度不高，太赫茲信號(hào)的傳輸損耗大，太赫茲射頻器件的發(fā)射功率有限等。這些問(wèn)題要求業(yè)界探索發(fā)展新的半導(dǎo)體材料和集成電路工藝、研發(fā)先進(jìn)的天線技術(shù)、優(yōu)化系統(tǒng)資源分配等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太赫茲通信的小型化、低功耗和低成本，達(dá)到增強(qiáng)太赫茲通信覆蓋、提升太赫茲通信傳輸速率的目的。

為了更好地應(yīng)用太赫茲通信技術(shù)支持未來(lái)超高速低時(shí)延的新型應(yīng)用，在深入研究之前，需要更好地捕捉太赫茲頻段的特性，理解太赫茲通信存在的問(wèn)題與技術(shù)挑戰(zhàn)，以構(gòu)建更穩(wěn)健、高效的太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)。本文首先綜述了太赫茲信道的研究現(xiàn)狀，包括當(dāng)前太赫茲信道傳播模型、太赫茲信道測(cè)量與信道估計(jì)。然后在太赫茲信道的基礎(chǔ)上，分析了單用戶(hù)基本通信場(chǎng)景，從收發(fā)端和中繼兩方面分析了存在問(wèn)題，并給出了解決方案。進(jìn)一步地，將通信場(chǎng)景延伸到多用戶(hù)復(fù)雜通信場(chǎng)景，具體包括點(diǎn)到多點(diǎn)通信和多點(diǎn)到多點(diǎn)通信，針對(duì)每個(gè)場(chǎng)景中的問(wèn)題列舉了可能的解決方案。最后展望了未來(lái)太赫茲頻段可能的重要研究方向。

2 太赫茲信道

捕獲太赫茲信號(hào)傳播特性的信道模型，對(duì)太赫茲通信的實(shí)際應(yīng)用和具體部署有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。設(shè)計(jì)太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)，首先要研究自由空間中太赫茲信號(hào)的傳播特性，然后進(jìn)行信道測(cè)量。太赫茲信號(hào)傳播的主要問(wèn)題在于大氣中水蒸氣吸收所造成的大幅度衰減。根據(jù)ITU-R P.676-9 建議書(shū)[14]，可以得到因大氣原因造成的太赫茲頻段無(wú)線電波衰減率，如圖1 所示。其中，氣壓為1 013 hPa,溫度為15℃，水汽密度為7.5 g/m3。

由圖1 可以觀察到，在太赫茲頻段有多個(gè)太赫茲傳輸窗口（2 個(gè)水汽吸收峰之間的頻率范圍為傳輸窗）。本節(jié)將相繼介紹當(dāng)前太赫茲信道模型、信道測(cè)量和信道估計(jì)的研究現(xiàn)狀，并總結(jié)未來(lái)這3 個(gè)方面還需要解決的問(wèn)題。

圖1 太赫茲頻段衰減率

2.1 太赫茲信道模型

太赫茲頻段具有頻率高、波長(zhǎng)短的特點(diǎn)，這使太赫茲信號(hào)在無(wú)線空間傳輸過(guò)程中會(huì)受到極大的自由空間損耗。也正是由于波長(zhǎng)短這一特點(diǎn)，使大量天線可以放置在一個(gè)非常小的區(qū)域[7]。如何充分利用太赫茲頻段的優(yōu)越性，建立有效、準(zhǔn)確的太赫茲信道模型是關(guān)鍵的一步。

文獻(xiàn)[15]中指出，太赫茲信號(hào)具有類(lèi)光性，可以利用光學(xué)幾何原理對(duì)其進(jìn)行描述，因此射線追蹤技術(shù)被廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[16]指出，在300 GHz處太赫茲存在一個(gè)帶寬約為47 GHz 的傳輸窗，目前大量的太赫茲信道模型的建立工作都依托于此頻段。目前，業(yè)界研究的太赫茲信道模型主要分為2 種：一種是靠射線追蹤技術(shù)得到的確定性信道模型[17]；另一種是基于射線追蹤技術(shù)，結(jié)合收發(fā)端的地理位置信息，經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)測(cè)量得到的統(tǒng)計(jì)信道模型。

2.1.1 確定性信道模型

針對(duì)第一種確定性信道模型，文獻(xiàn)[18-19]利用射線追蹤技術(shù)充分考慮太赫茲信道的多條傳輸路徑，包括視線（LoS,line of sight）路徑和非視線（NLoS,none line of sight）路徑。其中，非視線路徑又包括反射路徑、折射路徑及衍射路徑。在此，對(duì)文獻(xiàn)[18]中太赫茲信道模型進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，太赫茲信道的多徑模型如圖2 所示。

考慮多徑傳輸模型由許多獨(dú)立的子信道構(gòu)成，且每一個(gè)子信道足夠窄，因此每一個(gè)子信道具有平坦的頻率響應(yīng)；每一個(gè)子信道視為由Ni個(gè)射線疊加而成，其中，i∈[1,M]，M表示每個(gè)子信道射線的數(shù)目。對(duì)于發(fā)送和接收設(shè)備固定環(huán)境為靜態(tài)時(shí)，每個(gè)多徑信道的子信道響應(yīng)表示為

其中，αi,n表示第n條射線的衰減因子，τ表示射線到達(dá)時(shí)間，δ表示單位脈沖函數(shù)。

其中，ΞLoS表示LoS 路徑是否存在，當(dāng)取值為1 時(shí)，表示路徑存在，當(dāng)取值為0 時(shí)，表示路徑不存在；αRef、αSca和αDif分別表示反射路徑、散射路徑及衍射路徑的路徑衰減；τRef、τSca和τDif分別表示反射路徑、散射路徑及衍射路徑的時(shí)延。由維納?辛欽定理可知，第i條路徑的路徑損耗如式(3)所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知，太赫茲信號(hào)在進(jìn)行傳播時(shí)，除了要經(jīng)歷自由空間衰減、分子吸收外，NLoS 路徑還會(huì)存在由于反射體或折射體表面的粗糙問(wèn)題造成的反射衰減。這是因?yàn)樵谖⒉l段下可以視為光滑的表面，在太赫茲頻段下由于波長(zhǎng)短，可能呈現(xiàn)出表面微粗糙特性[20]。

具體地，對(duì)于LoS 路徑，傳輸方程表示為

其中，c 表示光速，f表示頻率，r表示發(fā)送端到接收端的距離，表示到達(dá)時(shí)間。

其中，k表示與頻率相關(guān)的分子吸收系數(shù)。

對(duì)于NLoS 路徑，以反射路徑為例，其傳輸方程如式(7)所示。折射路徑和衍射路徑的傳輸方程表示及其推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。

其中，r1和r2分別表示發(fā)射端到反射點(diǎn)及反射點(diǎn)到接收端的距離，表示反射路徑的時(shí)延，R(f)=γTE(f)ρ(f)表示反射系數(shù)，其中γTE(f)表示菲涅耳方程，ρ(f)表示瑞利粗糙因子。

2.1.2 統(tǒng)計(jì)信道模型

前文所述射線追蹤技術(shù)對(duì)于描述太赫茲信號(hào)傳輸雖然可靠，但是對(duì)太赫茲信道進(jìn)行描述時(shí)存在無(wú)法避免的問(wèn)題，即信道模型應(yīng)用場(chǎng)景唯一，不存在普適性。當(dāng)環(huán)境發(fā)生微小變化時(shí)，需要重新進(jìn)行信道測(cè)量。但是，由于進(jìn)行射線追蹤時(shí)需要大量的計(jì)算，信道環(huán)境中復(fù)雜度稍有提高，就可能會(huì)帶來(lái)計(jì)算復(fù)雜度的指數(shù)增長(zhǎng)。為此，學(xué)者們提出了結(jié)合場(chǎng)景中用戶(hù)地理位置信息的太赫茲統(tǒng)計(jì)模型。

對(duì)于太赫茲信道統(tǒng)計(jì)模型，首先建立信道理論模型；然后在確定場(chǎng)景下，利用射線追蹤方法，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)；最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出統(tǒng)計(jì)模型。文獻(xiàn)[21-23]結(jié)合 MIMO 技術(shù)研究了經(jīng)典的 S-V（Saleh-Valenzuela）模型。在S-V 模型中，傳播路徑分為許多簇，每一個(gè)簇中又包含了許多路徑，因此，一個(gè)子天線接收到的信道響應(yīng)表示為分別表示簇的數(shù)量和第i個(gè)簇中射線的數(shù)量，αil(f,d)表示第i個(gè)簇中第l條射線的路

其中，Nclu和徑增益，分別參考到達(dá)和離開(kāi)的方位角/仰角（AoA/AoD,angle of arrival/ angle of departure），分別表示發(fā)射和接收天線增益，分別表示發(fā)射端和接收端相關(guān)的陣列方向矢量，(?)+代表矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。在此僅對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述，具體模型參閱文獻(xiàn)[22]。

文獻(xiàn)[24-26]在經(jīng)典的S-V 模型基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)，忽略了衍射路徑對(duì)信道模型的影響。具體地，文獻(xiàn)[24-25]考慮LoS路徑以及NLoS 路徑中一階反射、二階反射對(duì)太赫茲信道造成的影響，并根據(jù)所部署的場(chǎng)景給出了確定的一階反射、二階反射的表達(dá)式。文獻(xiàn)[26]則基于文獻(xiàn)[24-25]，進(jìn)一步考慮了衍射路徑。

目前，太赫茲信道模型仍然是對(duì)某一具體場(chǎng)景進(jìn)行信道測(cè)量后建立，雖然太赫茲統(tǒng)計(jì)信道模型在模型的靈活性方面有所提升，但是一旦場(chǎng)景發(fā)生巨大改變，仍然需要重新進(jìn)行測(cè)量。另外，由于NLoS路徑的太赫茲信號(hào)衰減還包括反射材料造成的反射衰減，且太赫茲信號(hào)對(duì)于不同的反射材料的衰減情況有所不同，因此太赫茲信道模型的建立還需考慮反射材料帶來(lái)的影響。

2.2 太赫茲信道測(cè)量

與傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN,wireless local area network）信道相比，太赫茲信道的超高頻率特點(diǎn)（比如極大的自由空間衰減、不可忽略的高反射損失、通信波束易受阻斷，以及動(dòng)態(tài)射線陰影等）使太赫茲信道的通信條件與傳統(tǒng)WLAN 信道相比出現(xiàn)很大不同。傳統(tǒng)的WLAN 頻率模型無(wú)法在太赫茲范圍內(nèi)使用，為了更加準(zhǔn)確地描述太赫茲信道特點(diǎn)，信道測(cè)量不可或缺。隨著技術(shù)的不斷推進(jìn)，曾經(jīng)受到器件物理?xiàng)l件的制約而難以滿(mǎn)足太赫茲信道超高衰減的輸出功率，已通過(guò)選擇合適的天線增益解決。隨著滿(mǎn)足太赫茲高方向性、可操縱的天線不斷問(wèn)世，太赫茲信道測(cè)量不斷受到人們關(guān)注。

要進(jìn)行太赫茲實(shí)驗(yàn)，太赫茲射線的形成是首要問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]指出，目前產(chǎn)生太赫茲頻段射線的方法主要有2 種。第一種方法是使用光電子技術(shù)將光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換成太赫茲頻率，即由半導(dǎo)體的激光激發(fā)產(chǎn)生連續(xù)或脈沖的太赫茲輻射。第二種方法是使用頻率倍增器，將電子設(shè)備的工作頻率從毫米波增加到太赫茲范圍?；谶@2 種方法的太赫茲射線產(chǎn)生方案諸多，本文不詳細(xì)介紹。相比之下，目前使用第二種方法的更多，主要有兩方面的原因：1)相比于第一種方法需要使用的光學(xué)元件，第二種方法所用的硅組件成本較低；2)由于硅基組件相比光學(xué)元件，尺寸更小，系統(tǒng)排列將更緊湊[26]。

目前多數(shù)的信道測(cè)量工作皆在文獻(xiàn)[16]提出的頻段（300 GHz）完成[17]。文獻(xiàn)[27]基于第二種方法，給出了在300 GHz 傳輸窗、20 GHz 帶寬的室內(nèi)太赫茲信道的詳細(xì)測(cè)量方案，以及相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果：在2 m 以?xún)?nèi)，太赫茲信道可以提供90.31 Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，具體的測(cè)量方案如圖3 所示。收發(fā)端各個(gè)模塊的選擇是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于天線增益的選擇，需要提前對(duì)信道的衰減及噪聲進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)衰落值選擇天線增益。由于接收端的高敏感性，因此需要選擇低噪放大器。在接收端，需要將信號(hào)從高頻搬移到低頻進(jìn)行數(shù)字化處理，在此解調(diào)過(guò)程中，外插接收機(jī)需將太赫茲射頻信號(hào)及本地振蕩信號(hào)作為輸入。然而由于產(chǎn)生的本地振蕩信號(hào)頻率過(guò)高，其成本及實(shí)現(xiàn)難度都很大，因此通常使用平面肖基特二極管進(jìn)行N次諧波混迭。本地振蕩信號(hào)頻率根據(jù)混頻器的性能進(jìn)行選擇，如文獻(xiàn)[27]中混頻器型號(hào)為WR2.8SHM，屬于次諧波混頻器，故所需的本地振蕩信號(hào)頻率為130～200 GHz，功率范圍為3～6 dBm。發(fā)送端的模塊選擇與接收端相似，信號(hào)產(chǎn)生模塊選擇Keysight 的M8195A 65 GSa/s 任意信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生25 GHz 帶寬的模擬信號(hào)。

當(dāng)頻率為300 GHz 時(shí)，文獻(xiàn)[15]指出太赫茲頻段信號(hào)特征可以由光學(xué)幾何原理很好地描述，并使用射線追蹤方法針對(duì)具體的場(chǎng)景進(jìn)行太赫茲信道測(cè)量。具體地，在室內(nèi)場(chǎng)景中，文獻(xiàn)[24-26,28]根據(jù)大量測(cè)試數(shù)據(jù)建立了太赫茲信道統(tǒng)計(jì)模型。文獻(xiàn)[29-30]使用射線追蹤方法，以火車(chē)站室外場(chǎng)景為例，分別對(duì)火車(chē)到火車(chē)、火車(chē)到車(chē)站為收發(fā)端進(jìn)行了太赫茲信道測(cè)量。文獻(xiàn)[29-30]中的研究場(chǎng)景分別如圖4 和圖5 所示，均在火車(chē)靜止的場(chǎng)景中進(jìn)行太赫茲信道測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，當(dāng)頻率為300 GHz、帶寬為8 GHz 時(shí)，均方根時(shí)延擴(kuò)展等參數(shù)都優(yōu)于一般WLAN 信道的情況。

圖3 太赫茲信道測(cè)量方案

圖4 火車(chē)靜止場(chǎng)景下太赫茲信道測(cè)量

圖5 火車(chē)到基礎(chǔ)設(shè)施的太赫茲信道測(cè)量

多輸入多輸出（MIMO，multiple input multiple output）技術(shù)由于可以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)吞吐量及保證通信的可靠性而被廣泛研究，太赫茲通信頻段卻鮮有文章涉及。目前只有文獻(xiàn)[31]考慮了在室內(nèi)LoS 場(chǎng)景的298～313 GHz 頻段使用2×2 MIMO 信道進(jìn)行太赫茲信道測(cè)量。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)收發(fā)端相距25 cm 時(shí)，使用MIMO 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)7 Gbit/s，優(yōu)于不使用MIMO 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率5.55 Gbit/s。

針對(duì)目前的太赫茲信道測(cè)量方面的研究，可以在以下幾方面進(jìn)行擴(kuò)展。1)擴(kuò)大場(chǎng)景，除了文獻(xiàn) [29-30]中收發(fā)端距離達(dá)到6.584 m，文獻(xiàn)[27]中收發(fā)端相距2 m，其余研究的測(cè)試場(chǎng)景收發(fā)端相距均不超過(guò)1 m。2)設(shè)置不同的測(cè)試場(chǎng)景，諸如設(shè)置不同的反射材料。由于太赫茲頻段射線對(duì)于不同的反射材料的反射損耗不同，設(shè)置不同的反射材料可以觀察到不同的信道多徑特征。3)將MIMO 系統(tǒng)加入太赫茲研究中，MIMO 信道可以進(jìn)一步提高信道的數(shù)據(jù)吞吐量，更好地保證通信的可靠性。以上幾種擴(kuò)展均可與太赫茲信道統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行聯(lián)合，得到針對(duì)某一具體場(chǎng)景下的太赫茲統(tǒng)計(jì)信道模型。

2.3 太赫茲信道估計(jì)

根據(jù)太赫茲的信道模型可知，目前提出的無(wú)論是通過(guò)射線追蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)的確定性太赫茲信道模型，還是通過(guò)信道測(cè)量后得到的統(tǒng)計(jì)太赫茲信道模型，都是在用戶(hù)靜態(tài)情況下得到的。而在實(shí)際生產(chǎn)生活中，移動(dòng)性較高已成為當(dāng)前用戶(hù)的一大特性。因此通過(guò)信道估計(jì)技術(shù)對(duì)用戶(hù)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，確保通信質(zhì)量就顯得尤其重要。目前對(duì)太赫茲頻段的信道估計(jì)分為兩類(lèi)：不使用大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的信道估計(jì)和使用大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的信道估計(jì)。

針對(duì)不使用大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的信道估計(jì)，目前研究以AoA 估計(jì)為主。為了補(bǔ)償太赫茲通信中信號(hào)極高的自由空間衰減，保證接收端接收信號(hào)的強(qiáng)度，在收發(fā)端配備具有高方向性的高增益天線設(shè)備是必不可少的。然而，實(shí)際應(yīng)用中，由于用戶(hù)的實(shí)時(shí)移動(dòng)性，使接收端的AoA 實(shí)時(shí)改變。為了保證接收端可以實(shí)現(xiàn)高天線增益，通過(guò)提前估計(jì)AoA的變化，調(diào)整接收端的自適應(yīng)定向天線接收方向，來(lái)保證接收端天線增益。由于太赫茲射線的高方向性導(dǎo)致的高分辨率，使系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間的掃描，降低了AoA 估計(jì)帶來(lái)的實(shí)用性，文獻(xiàn)[33-36]針對(duì)用戶(hù)的AoA 特性建立三維坐標(biāo)進(jìn)行描述，利用貝葉斯濾波器，結(jié)合多項(xiàng)技術(shù)對(duì)移動(dòng)用戶(hù)的AoA 進(jìn)行了高效率的估計(jì)。文獻(xiàn)[33]結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法對(duì)移動(dòng)用戶(hù)的AoA 進(jìn)行估計(jì)。文獻(xiàn)[34]中考慮到實(shí)時(shí)AoA 信息可以看作一階馬爾可夫過(guò)程，因此考慮貝葉斯濾波器結(jié)合似然和先驗(yàn)信息，并證實(shí)了似然和先驗(yàn)信息的結(jié)合提供了比單獨(dú)使用似然更精確的估計(jì)。文獻(xiàn)[35]考慮使用多個(gè)接入點(diǎn)對(duì)用戶(hù)移動(dòng)造成的AoA 改變進(jìn)行協(xié)同估計(jì)。由于同一個(gè)用戶(hù)的AoA 改變對(duì)于不同接入點(diǎn)而言存在空間上的關(guān)聯(lián)性，文獻(xiàn)[35]提出結(jié)合空間概率算法對(duì)AoA 進(jìn)行了實(shí)時(shí)估計(jì)。文獻(xiàn)[36-37]考慮到AoA 的角增益特性可以由功率角譜進(jìn)行表示，即需要使AoA 的估計(jì)結(jié)果落在接收端的主瓣范圍內(nèi)，且太赫茲通信設(shè)備具有低頻射頻前端的特點(diǎn)，作者提出了兩階段AoA估計(jì)算法：首先，在低頻范圍進(jìn)行粗略但快速的角頻率估計(jì)；然后，進(jìn)行AoA 精確搜索。由于天線主瓣較寬，因此可以將階段1 中較低頻率處的近似估計(jì)作為階段2 中有限的搜索范圍，并分別在不同的室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，這不僅通過(guò)精確搜索得到更準(zhǔn)確的估計(jì)結(jié)果，同時(shí)低頻估算有效地縮減了精確搜索的范圍，從而減少了估計(jì)時(shí)間。

而針對(duì)大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的信道估計(jì)，研究相對(duì)較少。大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的使用，可以有效提高太赫茲通信的信號(hào)增益。然而針對(duì)用戶(hù)的高移動(dòng)性，若要完全獲取大規(guī)模MIMO 實(shí)時(shí)、高速變化的信道信息，極具挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[38]針對(duì)太赫茲移動(dòng)通信場(chǎng)景，考慮太赫茲信道的稀疏特性，在終端進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)情況下，結(jié)合移動(dòng)用戶(hù)相對(duì)于基站的物理空間特征，利用波束空間技術(shù)，選擇充分代表大規(guī)模MIMO 信道的波束，對(duì)用戶(hù)的波束空間信道進(jìn)行信道估計(jì)與追蹤。波束空間技術(shù)在得到完整的大規(guī)模MIMO 信道信息的前提下，最大限度地節(jié)省了MIMO 系統(tǒng)中射頻鏈的使用數(shù)量，有效降低了MIMO 系統(tǒng)的能量損耗?？梢?jiàn)波束空間MIMO 系統(tǒng)將成為太赫茲通信發(fā)展重要的技術(shù)支撐。

針對(duì)目前太赫茲信道估計(jì)技術(shù)，有一些方向可以深入研究。首先，前文所述信道估計(jì)中多是僅依托于LoS 路徑進(jìn)行太赫茲通信模型建立，然后進(jìn)行信道估計(jì)，而考慮NLoS 路徑的僅有文獻(xiàn)[35]。其次，前文所述信道估計(jì)目前都是針對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行的，且結(jié)果驗(yàn)證也是結(jié)合室內(nèi)的太赫茲信道進(jìn)行測(cè)量，因此在室外場(chǎng)景中進(jìn)行太赫茲信道估計(jì)也值得深入探索。再次，針對(duì)波束空間MIMO 系統(tǒng)的太赫茲信道估計(jì)，相比于太赫茲通信，毫米波通信在波束空間MIMO 信道估計(jì)研究更廣泛，因此可以參考毫米波通信中波束空間MIMO 的信道估計(jì)相關(guān)研究。文獻(xiàn)[39]利用多信號(hào)分類(lèi)法（MUSIC,multiple signal classification）對(duì)波束的AoA 進(jìn)行估計(jì)，利用最小二乘法對(duì)路徑增益進(jìn)行估計(jì)；文獻(xiàn)[40]針對(duì)毫米波通信波束空間信道估計(jì)提出了自適應(yīng)的支持檢測(cè)（SD,support detection）算法，然而文獻(xiàn)[40]是在窄帶通信下提出的；文獻(xiàn)[41]則針對(duì)寬帶通信下波束空間信道估計(jì)提出了連續(xù)支持檢測(cè)（SSD，successive support detection）算法，該算法不僅減小了導(dǎo)頻序列的開(kāi)銷(xiāo)，還提高了信道估計(jì)的精確度；文獻(xiàn)[42]采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行信道估計(jì)。最后，可以結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)太赫茲信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。文獻(xiàn)[32]利用太赫茲通信多徑傳輸?shù)南∈杼攸c(diǎn)，通過(guò)使用壓縮感知（CS,compress sensing）技術(shù)對(duì)太赫茲信道進(jìn)行估計(jì)。然而當(dāng)感知序列中存在可變參數(shù)時(shí)，傳統(tǒng)的CS 技術(shù)不能很好地解決此類(lèi)問(wèn)題。文獻(xiàn)[43]提出了改進(jìn)意見(jiàn)，文獻(xiàn)[42]中提到在毫米波情況下，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)網(wǎng)格對(duì)信道中的AoD、AoA，以及接收端的信號(hào)到達(dá)時(shí)間進(jìn)行估計(jì)。為了得到精確的信道參數(shù)估計(jì)值，文獻(xiàn)[43]利用毫米波通信中角域及多徑時(shí)延的稀疏性設(shè)計(jì)了稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)方法，以此改善了傳統(tǒng)的CS 技術(shù)不能解決可變參數(shù)的問(wèn)題。

因5G 技術(shù)的發(fā)展，毫米波通信技術(shù)在大規(guī)模MIMO、信道估計(jì)等方面有很多研究成果，這些研究成果對(duì)太赫茲通信中信道估計(jì)的研究有極大的啟發(fā)意義。但需要注意的是，在太赫茲通信系統(tǒng)中，由于天線尺寸變小及更高的路徑損耗，天線數(shù)量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于毫米波通信系統(tǒng)的天線數(shù)量，從而出現(xiàn)超大規(guī)模MIMO[44]（ultra massive MIMO）。正如文獻(xiàn)[44]提到的，在1～10 THz 頻段，石墨烯基等離子體納米天線陣列可在幾平方毫米內(nèi)嵌入數(shù)千個(gè)陣列單元（例如在1 THz 頻段，1 mm2可嵌入1 024 個(gè)陣列單元)。因此，在借鑒毫米波大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)中相關(guān)研究技術(shù)的同時(shí)，需要考慮超大型天線陣列的分組和控制，以及超大陣列在收發(fā)兩端中的特性，以實(shí)現(xiàn)頻譜效率、能量效率和距離增強(qiáng)之間的性能權(quán)衡[45]。具體地，文獻(xiàn)[44]提出，在陣列方面，需要考慮相鄰納米天線之間的相互耦合，以及所需的信號(hào)分配網(wǎng)絡(luò)和時(shí)延/相位控制器的性能；同時(shí)，還需要開(kāi)發(fā)新的機(jī)制及適應(yīng)信道特性的新型導(dǎo)頻信號(hào)，以有效地估計(jì)成千上萬(wàn)的并行信道，實(shí)現(xiàn)陣列的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)操作。另一方面，由于太赫茲頻段中傳輸窗的出現(xiàn)，不同的傳輸窗在路徑損耗和時(shí)延擴(kuò)展方面表現(xiàn)出明顯不同的傳播特性，因此涉及太赫茲通信多頻段MIMO 技術(shù)，需要采取一種混合機(jī)制，結(jié)合載波之間的相關(guān)性，對(duì)各傳輸窗進(jìn)行分析，此時(shí)信道的具體參數(shù)和實(shí)時(shí)信道估計(jì)都變得更具挑戰(zhàn)性。

3 單用戶(hù)基本通信場(chǎng)景

由于較大的路徑損耗和較差的穿透能力限制了通信性，太赫茲頻段長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為不適合蜂窩通信。然而近年來(lái)，太赫茲信道測(cè)量和太赫茲無(wú)線通信性能研究顯示出它在實(shí)際蜂窩系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。在前文太赫茲信道傳播模型的基礎(chǔ)上，本節(jié)分析了太赫茲頻段下點(diǎn)到點(diǎn)通信這一基本場(chǎng)景。

3.1 太赫茲覆蓋范圍內(nèi)通信

相比微波頻段，太赫茲頻段信號(hào)由于自由空間損耗和水分子吸收，路徑損耗問(wèn)題顯得尤其突出，這極大地限制了有效通信的距離。近年來(lái)，學(xué)者們嘗試引入調(diào)制技術(shù)和波束成形技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。

3.1.1 直接調(diào)制技術(shù)

調(diào)制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的太赫茲頻段數(shù)據(jù)傳輸，也可以解決太赫茲頻段通信距離有限的問(wèn)題。太赫茲無(wú)線通信的調(diào)制方式主要分為直接調(diào)制和變頻調(diào)制兩大類(lèi)。直接調(diào)制是直接在載波上進(jìn)行內(nèi)部或外部調(diào)制。變頻調(diào)制包括光調(diào)制之后下變頻，以及基帶/中頻調(diào)制之后上變頻2 種。

文獻(xiàn)[9]提出了源輸入的直接振幅調(diào)制（如圖6所示），并針對(duì)太赫茲的高速調(diào)制器展開(kāi)了相關(guān)研究。首先，太赫茲發(fā)射機(jī)（固體電子源或真空電子源）產(chǎn)生連續(xù)的太赫茲載波。其次，將帶有串行數(shù)字高清視頻信號(hào)的基帶幅移鍵控（ASK,amplitude shift keying）調(diào)制信號(hào)加載到調(diào)制器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲載波的直接開(kāi)關(guān)鍵控（OOK,on-off keying）調(diào)制。與此同時(shí)，太赫茲波傳輸?shù)教掌澱{(diào)制器，使OOK 調(diào)制信號(hào)加載到載波上。再次，調(diào)制后的太赫茲波由拋物面鏡天線在空間中輻射，并由另一拋物面鏡天線接收。由于OOK 調(diào)制后的太赫茲波可以直接采樣，因此在此系統(tǒng)中可采用太赫茲?rùn)z波器或太赫茲混頻器作為接收端。最后，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、數(shù)字串行解碼等信號(hào)處理。

圖6 源輸入的直接振幅調(diào)制

3.1.2 高增益天線

針對(duì)太赫茲頻段較大的路徑損耗問(wèn)題，可以通過(guò)有效的天線技術(shù)和功率控制來(lái)解決。天線技術(shù)是無(wú)線通信中提高信號(hào)質(zhì)量、減少干擾、產(chǎn)生分集和降低發(fā)射功率的重要支撐。將發(fā)射功率集中在期望的方向上，可以增強(qiáng)接收機(jī)的接收信噪比。較高的發(fā)射功率則通過(guò)功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是一般情況下，太赫茲功率放大器需要消耗比較高的直流功率。因此，從能耗和性能提升的角度，采用高效的天線技術(shù)更加適合太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)。

太赫茲具有極高的頻率、極短的波長(zhǎng)，因此在收發(fā)機(jī)相同的物理區(qū)域內(nèi)可以部署更多的天線。在太赫茲通信中部署高增益天線，可以進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)抗高路徑損耗的能力。在各種高增益天線中，相控陣天線由于具有較好的性能及較高的靈活性而備受青睞[46]。相控陣天線由相同的天線單元組成，可以在高路徑損耗下改善接收信號(hào)質(zhì)量[47]。

目前相控陣天線的相關(guān)研究存在2 個(gè)主要挑戰(zhàn)。1) 相控陣天線的各個(gè)單元接收信號(hào)存在不同程度的時(shí)延，這種時(shí)延差異會(huì)導(dǎo)致相長(zhǎng)重疊或相消重疊。通過(guò)引入人為的時(shí)延來(lái)改變重疊的方向，即運(yùn)用波束成形技術(shù)可以解決這一問(wèn)題（波束成形技術(shù)見(jiàn)4.1.1 節(jié)）。2) 由于器件精度的要求隨頻率的增加而增加，用于太赫茲通信的相控陣天線精度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用于低頻通信的天線精度，而相控陣天線不精確的相移會(huì)導(dǎo)致在期望方向上不完全的信號(hào)重疊，從而導(dǎo)致天線增益的降低，這對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。文獻(xiàn)[47]研究了相控陣相移誤差對(duì)天線方向性的影響。

3.2 太赫茲通信增強(qiáng)覆蓋技術(shù)

由于太赫茲信號(hào)較大的路徑損耗和較差的穿透能力限制了通信性能，當(dāng)發(fā)射端與接收端之間的實(shí)際距離大于太赫茲頻段的有效通信范圍或者通信鏈路受到遮擋時(shí)，需要從中繼的角度出發(fā)，引入智能反射面（IRS,intelligent reflecting surface）/可重構(gòu)智能表面（RIS,reconfigurable intelligent surface）[48-51]、無(wú)人機(jī)（UAV,unmanned aerial vehicle）輔助通信，增強(qiáng)太赫茲通信覆蓋范圍。

3.2.1 IRS/ RIS 輔助通信

由于IRS 與RIS 在外形、工作原理、用途等方面相似，因此本文只對(duì)IRS 的相關(guān)原理和特性展開(kāi)介紹。

IRS 是由大量低成本、相位可調(diào)的無(wú)源反射元件組成的平面陣列，可以顯著提高無(wú)線通信系統(tǒng)的能效和頻譜效率[52]。IRS 的每個(gè)元件接收來(lái)自發(fā)射機(jī)的疊加多路徑信號(hào)，然后將振幅和（或）相位可調(diào)的組合信號(hào)從單一點(diǎn)源散射。相位調(diào)整通過(guò)IRS控制器執(zhí)行，并在2 種工作模式之間切換，即用于環(huán)境感知的接收模式（如信道狀態(tài)信息估計(jì)）和用于反射信號(hào)的反射模式[53]。具體地，IRS 控制器對(duì)同一無(wú)源陣列進(jìn)行周期性傳感，然后根據(jù)學(xué)習(xí)到的傳播環(huán)境，動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)反射元件的相移。因此，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整IRS 中所有元件的相移，反射信號(hào)可以在期望的接收端增加相干性以提高接收信號(hào)的功率，或者在非期望的接收端進(jìn)行破壞以避免干擾，以此增強(qiáng)無(wú)線通信系統(tǒng)的安全性和私密性[54]。

相比大規(guī)模MIMO 技術(shù)，由于IRS 所有反射元件的相移都可調(diào)，IRS 不需要使用有源發(fā)射機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)和干擾抑制的功能，降低系統(tǒng)能耗。相比傳統(tǒng)的放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF,amplify forward）中繼[55]，IRS 將接收到的信號(hào)通過(guò)無(wú)源陣列進(jìn)行反射，這種方式?jīng)]有自干擾，也不會(huì)產(chǎn)生發(fā)射功耗[56]。此外，由于IRS 具有輕量級(jí)的特點(diǎn)，因此它們可以很容易附著在墻上或天花板上，或者移除，這為實(shí)際實(shí)現(xiàn)提供了高度的靈活性和卓越的兼容性[57]。

所有這些優(yōu)點(diǎn)使IRS/RIS 成為提高未來(lái)一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)有吸引力的解決方案，特別是在體育館、購(gòu)物中心、展覽中心、機(jī)場(chǎng)等用戶(hù)密度高的室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景中具有巨大的前景。

目前，IRS/RIS 輔助的太赫茲通信，主要研究的場(chǎng)景為室內(nèi)/室外LoS路徑不可得的IRS/RIS輔助通信[58-61]，以及聯(lián)合LoS 路徑和IRS/RIS 輔助鏈路的通信[53,62-66]，其系統(tǒng)模型如圖7 所示。

圖7 IRS/RIS 輔助的太赫茲通信

通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射端的發(fā)射波束成形矩陣和IRS/RIS 的反射矩陣（相移矩陣），實(shí)現(xiàn)最大化和速率/最大化接收信號(hào)功率、最大化加權(quán)和速率及最小化總發(fā)射功率[58,61,64,66]。同時(shí)在物理層安全上，最大限度地提高保密速率和最小化安全傳輸功率[62-63]。文獻(xiàn)[60]對(duì)比了同一條件下IRS 與中繼系統(tǒng)的性能。同時(shí)以上研究都是基于IRS/RIS 反射元件的連續(xù)相移（比較理想狀態(tài)），但由于硬件的限制，實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。因此針對(duì)離散相移（有限數(shù)目相移）IRS/RIS 的研究，文獻(xiàn)[58-59,65-66]更加符合實(shí)際運(yùn)用的情況。

3.2.2 UAV 輔助通信

UAV 以其自主性、靈活性和適應(yīng)性在無(wú)線通信系統(tǒng)中顯示出了極大優(yōu)勢(shì)，并得到了廣泛的應(yīng)用。UAV 被認(rèn)為是空中基站/中繼，可以被優(yōu)化放置以避開(kāi)障礙物，并且通過(guò)建立與地面用戶(hù)的視距連接來(lái)支持超可靠和低時(shí)延的通信[67]。由于在空中特定位置按需部署的能力，使它可以提供潛在的高容量無(wú)線服務(wù)。此外，IRS 具有相位可調(diào)、無(wú)源反射、輕量級(jí)等優(yōu)勢(shì)。因此，可將IRS 與UAV 聯(lián)合，將IRS 附著在UAV 表面，以此構(gòu)建太赫茲室外可移動(dòng)輔助通信鏈路，緩解通信距離有限和易受遮擋問(wèn)題，進(jìn)而提高通信系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性。具體模型建立如圖8 所示。

圖8 UAV 和IRS 輔助的太赫茲通信

當(dāng)用戶(hù)與接入點(diǎn)（AP,access point）之間LoS路徑被遮擋時(shí)，附有IRS 的UAV 可以通過(guò)調(diào)整位置來(lái)建立輔助通信鏈路，并且隨著用戶(hù)的移動(dòng)，無(wú)人機(jī)也動(dòng)態(tài)調(diào)整位置，以此提供高性能的通信輔助。當(dāng)用戶(hù)與AP 的距離超出太赫茲通信范圍時(shí)，也可以通過(guò)IRS 與UAV 聯(lián)合的方法來(lái)應(yīng)對(duì)。值得注意的是，雖然這與IRS 中思路類(lèi)似，但是相比之下，由于可以動(dòng)態(tài)調(diào)整UAV 位置，使AP、用戶(hù)與UAV 在同一條直線上，因此圖8 所示的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的通信覆蓋范圍更廣。

4 多用戶(hù)復(fù)雜通信場(chǎng)景

在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，除了簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)通信外，還涉及多用戶(hù)的復(fù)雜通信場(chǎng)景。接下來(lái)，本文分析了點(diǎn)到多點(diǎn)通信場(chǎng)景，以及多點(diǎn)到多點(diǎn)通信場(chǎng)景。

4.1 點(diǎn)到多點(diǎn)通信

由于太赫茲波束具有極高的方向性與高路徑損耗，引入波束成形技術(shù)可以集中發(fā)射功率，提高無(wú)線通信的效率。同時(shí)，不同用戶(hù)由于到發(fā)射端的距離不同，可通信的頻段也不同，因此引入資源分配技術(shù)，也可以?xún)?yōu)化無(wú)線資源的利用效率。

4.1.1 波束成形技術(shù)

波束成形需要發(fā)射端為陣列天線，通過(guò)改變與每個(gè)天線連接的移相器的相位，利用波的干涉原理，使整個(gè)天線陣列感應(yīng)出一個(gè)或幾個(gè)指定方向的主波瓣，即將電磁波能量集中在某個(gè)或某幾個(gè)指定的方向[68]。這可以對(duì)抗太赫茲通信中高路徑損耗及陣列天線存在的時(shí)延差異問(wèn)題。同時(shí)波束成形技術(shù)形成的高增益波束，可以減少用戶(hù)設(shè)備之間的信號(hào)干擾。

較早使用的波束成形技術(shù)有數(shù)字波束成形和模擬波束成形。前者需要的射頻鏈數(shù)與天線數(shù)相等，這在天線數(shù)量極高的太赫茲通信系統(tǒng)中，會(huì)造成硬件制作造價(jià)高昂及系統(tǒng)運(yùn)行的巨大能耗[69]。后者只需要一根射頻鏈控制所有的天線，但這會(huì)造成系統(tǒng)性能的嚴(yán)重不足，如數(shù)據(jù)速率和頻譜效率不夠高。因此，有學(xué)者提出將數(shù)字波束成形和模擬波束成形結(jié)合，由此得到了混合波束成形。其在以上2 種技術(shù)中進(jìn)行了折中，在硬件成本和系統(tǒng)能耗可接受的同時(shí)，滿(mǎn)足通信性能的要求[70-73]?；旌喜ㄊ尚蔚暮诵乃枷胧菍⑷珨?shù)字預(yù)編碼器分解成一個(gè)大尺寸的模擬波束成形器（通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)）和一個(gè)小尺寸的數(shù)字波束成形器（需要少量射頻鏈）?；旌喜ㄊ尚蔚脑O(shè)計(jì)需要假設(shè)終端接收到了完美的信道狀態(tài)信息，這在算法中體現(xiàn)為已知信道矩陣，設(shè)計(jì)發(fā)射端波束成形矩陣和接收端的解碼矩陣。

現(xiàn)有的混合波束成形結(jié)構(gòu)大多在模擬波束成形部分采用移相器網(wǎng)絡(luò)，射頻鏈通過(guò)移相器與天線陣列相連[74]。為了進(jìn)一步降低能耗，一種用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)代替移相器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)被提出，這種結(jié)構(gòu)由于波束選擇的限制，降低了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度[75-76]。其中，模擬預(yù)編碼部分由逆變器和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)并連接到子陣列，數(shù)字預(yù)編碼部分具有少量的射頻鏈（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、混頻器等）。

4.1.2 基于距離的自適應(yīng)資源分配

太赫茲通信頻段為0.1～10 THz，超高的通信頻率使太赫茲通信不僅經(jīng)歷極大的自由空間損耗，還遭受信號(hào)傳播過(guò)程中分子吸收帶來(lái)的能量損耗。顯然，太赫茲通信頻段應(yīng)選擇在沒(méi)有遭受分子吸收的頻段。在這些頻段進(jìn)行通信時(shí)，路徑損失會(huì)相對(duì)較小，這些通信頻段就稱(chēng)為傳輸窗。太赫茲頻段傳輸窗帶寬各不相同且各個(gè)傳輸窗頻譜資源豐富，能完全滿(mǎn)足全球無(wú)線通信設(shè)備所需要的頻譜資源[77]，根據(jù)ITU-R P.676-9 建議書(shū)及自由空間損耗公式，太赫茲頻段路徑損耗如圖9 所示。因此，在多用戶(hù)接入的場(chǎng)景中如何對(duì)傳輸窗資源進(jìn)行合理劃分利用成為目前的研究熱點(diǎn)。

圖9 路徑損耗

文獻(xiàn)[78]發(fā)現(xiàn)傳輸窗的大小不僅與頻率有關(guān)，還與通信距離有關(guān)。具體地，通信距離越遠(yuǎn)，傳輸窗就越小，由此文獻(xiàn)[4,78-79]提出了距離感應(yīng)的多載波（DAMC,distance-aware multi-carrier）調(diào)制。令每個(gè)子傳輸窗帶寬為1 GHz，按照通信距離從遠(yuǎn)到近分配傳輸窗中從中心到兩邊的子傳輸窗通信頻段。其中，文獻(xiàn)[4,78-79] 分別研究了單發(fā)送端多接收端、單發(fā)送端多接收端且接收端動(dòng)態(tài)接入的場(chǎng)景，DAMC 調(diào)制一定程度上增大了太赫茲通信距離。為了進(jìn)一步抵抗太赫茲路徑損耗，增大通信距離，利用MIMO 混合波束調(diào)制是太赫茲通信發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。文獻(xiàn)[22-23]結(jié)合MIMO 混合波束調(diào)制和DAMC 調(diào)制，進(jìn)一步增大通信距離，且相比于文獻(xiàn)[4,78-79]，文獻(xiàn)[22-23]不限定子傳輸窗的帶寬，且允許較遠(yuǎn)距離的通信使用靠近中心的子傳輸窗，調(diào)制更加靈活，效率更高。

4.2 多點(diǎn)到多點(diǎn)通信

近年來(lái)，由于移動(dòng)通信和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能無(wú)線設(shè)備的技術(shù)及數(shù)量都呈現(xiàn)出顯著增長(zhǎng)。因此網(wǎng)絡(luò)中的用戶(hù)間干擾與協(xié)同變得極其突出。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向組網(wǎng)技術(shù)和媒體訪問(wèn)控制（MAC,media access control）層及上層架構(gòu)重新設(shè)計(jì)在多點(diǎn)到多點(diǎn)通信場(chǎng)景中極其重要。

4.2.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向組網(wǎng)技術(shù)

由于太赫茲波束比較窄，且在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的路徑損耗，因此，在太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)中部署全向天線顯得不適用，原因是全向天線易受干擾，且干擾強(qiáng)度大。此外，由全向天線實(shí)現(xiàn)的全向組網(wǎng)技術(shù)不能滿(mǎn)足快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、完成全向組網(wǎng)、節(jié)約系統(tǒng)能耗等要求[9]。相反，定向天線的使用具有提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和降低能量損耗的能力，能提供更長(zhǎng)的傳輸距離和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率[80]。通過(guò)限制能量在期望區(qū)域的分散和檢測(cè)，有效地減少了信號(hào)在不必要方向上的干擾，且由于能同時(shí)調(diào)度多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)的傳輸，大大提高了空間重用的能力[81-82]。基于以上多重考慮，在太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)中，需要部署定向天線完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向組網(wǎng)。

對(duì)于定向天線自組網(wǎng)，如果需要通信的2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的天線不指向?qū)Ψ剑ㄐ沛溌肪筒荒芙?。因此，?jié)點(diǎn)應(yīng)該首先發(fā)現(xiàn)周?chē)泥従樱@取鄰居的位置，并在網(wǎng)絡(luò)中保留自己的通信，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為鄰居發(fā)現(xiàn)[83-84]。鄰居發(fā)現(xiàn)是建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間連接的關(guān)鍵初始步驟，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該盡可能快地發(fā)現(xiàn)鄰居，由此允許其他協(xié)議（如拓?fù)淇刂啤⒚襟w訪問(wèn)和路由協(xié)議）快速執(zhí)行，使系統(tǒng)保持較高的能效。鄰居發(fā)現(xiàn)算法可分為非盲算法和盲算法。在非盲算法中，鄰居的位置信息可以通過(guò)GPS 提前獲得；在盲算法中，鄰居的位置信息通過(guò)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)天線方向的掃描來(lái)獲取[85]。

考慮到節(jié)點(diǎn)對(duì)鄰居沒(méi)有任何先驗(yàn)知識(shí)，即使使用全向天線，鄰居發(fā)現(xiàn)也不是一件容易的事情。在定向天線的網(wǎng)絡(luò)中，這一點(diǎn)更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)必須將天線對(duì)準(zhǔn)鄰居所在位置，才能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包。因此，使用定向天線的鄰居發(fā)現(xiàn)算法的效率不僅取決于節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的頻率，還取決于節(jié)點(diǎn)的方向和波束寬度等天線特性。

同時(shí)，由于太赫茲頻段下信號(hào)易被阻斷，以及傳輸距離有限，因此室外場(chǎng)景和室內(nèi)場(chǎng)景的組網(wǎng)會(huì)存在一定程度的差異。

由于太赫茲頻段有限的傳輸距離，因此可以將其應(yīng)用到室內(nèi)通信場(chǎng)景，如無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAD,wireless personal area network）和無(wú)線局域網(wǎng)。但是相比室內(nèi)環(huán)境，室外環(huán)境中對(duì)太赫茲通信產(chǎn)生干擾的因素更多。且在室外環(huán)境中，需要達(dá)到的通信距離往往會(huì)比在室內(nèi)環(huán)境中更遠(yuǎn)。因此，相比低頻通信，室外環(huán)境中的遠(yuǎn)距離太赫茲通信更具挑戰(zhàn)性。

綜上所述，太赫茲頻段下的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向組網(wǎng)技術(shù)極其重要，并且需要根據(jù)場(chǎng)景條件進(jìn)行區(qū)分設(shè)計(jì)，以最大限度地滿(mǎn)足通信系統(tǒng)的性能。

4.2.2 MAC 層及上層架構(gòu)重新設(shè)計(jì)

由于太赫茲頻段嚴(yán)重的路徑損耗，有限的發(fā)射功率與極高的數(shù)據(jù)速率，現(xiàn)有的MAC 層及上層協(xié)議在太赫茲頻段不再適用，需要重新設(shè)計(jì)滿(mǎn)足太赫茲頻段的協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)部署方案。

對(duì)于低頻系統(tǒng)的可用MAC 解決方案不能直接用于太赫茲頻段，主要是因?yàn)樗鼈儾荒懿东@太赫茲信道的特性、太赫茲通信和設(shè)備的能力。

而在毫米波系統(tǒng)中，如IEEE 802.11ad 和無(wú)線HD（high definition），使用準(zhǔn)全向天線模式來(lái)發(fā)現(xiàn)和發(fā)送信號(hào)。但由于太赫茲更強(qiáng)的方向性與所需的更高天線增益，需要強(qiáng)制使用射頻波束成形，因此毫米波系統(tǒng)中的方案不能滿(mǎn)足太赫茲天線增益要求[8]。

由于定向傳輸及太赫茲信道和物理層的特性，增加了MAC 設(shè)計(jì)的難度。雖然，通過(guò)使用定向天線，節(jié)點(diǎn)可以只接收來(lái)自特定期望方向的信號(hào)，使接收節(jié)點(diǎn)能夠避免來(lái)自干擾用戶(hù)的干擾，從而提高抗干擾的能力。但是，由于選擇性地接收信號(hào)，節(jié)點(diǎn)A 可能不知道其他節(jié)點(diǎn)（如節(jié)點(diǎn)B）正在嘗試與它進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)B 沒(méi)有收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)A 的響應(yīng)，會(huì)繼續(xù)重傳，因此無(wú)效的控制數(shù)據(jù)在傳輸中占用信道容量。并且，定向傳輸由于其更大的傳輸范圍，可能會(huì)潛在地對(duì)鄰近區(qū)域的通信產(chǎn)生干擾。

目前已經(jīng)有一部分研究設(shè)計(jì)了用于太赫茲頻段的MAC 協(xié)議[86-93]。文獻(xiàn)[86]中的太赫茲頻段MAC 協(xié)議利用轉(zhuǎn)向天線來(lái)克服收發(fā)機(jī)之間的“聽(tīng)不見(jiàn)”問(wèn)題。在文獻(xiàn)[87]中，提出了一種用于太赫茲通信的角分復(fù)用的MAC 協(xié)議。隨著多無(wú)線電收發(fā)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)分離控制面和數(shù)據(jù)面工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)控制面和數(shù)據(jù)面之間的解耦，是寬帶網(wǎng)絡(luò)中MAC 設(shè)計(jì)的一種新穎而有吸引力的方法。這個(gè)想法已經(jīng)被用于毫米波通信[88-89]和太赫茲系統(tǒng)[90]。文獻(xiàn)[91]提出了一種分布式太赫茲網(wǎng)絡(luò)中的多無(wú)線電輔助的MAC 層設(shè)計(jì)方案。在第一階段，節(jié)點(diǎn)使用全向的低頻段無(wú)線電（如2.4 GHz 或5 GHz）交換控制信息，建立網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)。在第二階段，基于對(duì)AoA 的處理，啟動(dòng)超高速數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，會(huì)出現(xiàn)低頻段和高頻段通信共存的情況，由于不同的數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)容量及發(fā)起請(qǐng)求服務(wù)要求，需要各個(gè)頻段協(xié)同，最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能效。由此，文獻(xiàn)[93]描述一個(gè)傳統(tǒng)的微波、毫米波和太赫茲共存的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種MAC 協(xié)議，用于在頻段之間切換，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

不僅如此，太赫茲信號(hào)易被阻斷且經(jīng)歷較高的路徑損耗，通信鏈路存在著極高的不可靠性風(fēng)險(xiǎn)。因此應(yīng)該結(jié)合太赫茲頻段的具體特性，研究新的錯(cuò)誤控制機(jī)制（例如編碼或重傳），開(kāi)發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)策略來(lái)提高覆蓋率，支持無(wú)縫連接。

5 未來(lái)研究方向

前面描述了太赫茲頻段的多個(gè)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在該頻段進(jìn)行通信有望有效緩解日益緊張的頻譜資源和當(dāng)前無(wú)線系統(tǒng)的容量限制。本節(jié)列舉了太赫茲通信的未來(lái)幾個(gè)研究方向，包括太赫茲傳播信道模型的標(biāo)準(zhǔn)化、太赫茲通信器件、太赫茲通信的安全、基于太赫茲的邊緣計(jì)算、未來(lái)通信系統(tǒng)中高低頻共存、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的太赫茲通信和太赫茲頻段下的室內(nèi)定位和追蹤。

5.1 太赫茲傳播信道模型的標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)調(diào)研，目前還沒(méi)有公認(rèn)的太赫茲傳播模型。因此，在未來(lái)的工作中，極大部分工作需要聚焦在這個(gè)問(wèn)題上。由于室內(nèi)、室外環(huán)境考慮的因素各有不同，因此針對(duì)太赫茲的傳播模型需要結(jié)合具體場(chǎng)景考慮。

如前所述，目前有2 種方法得到信道傳播模型，即基于射線追蹤或射線發(fā)射方法準(zhǔn)確捕獲太赫茲波的傳播現(xiàn)象，得到確定性信道模型，以及收集平均環(huán)境影響，基于隨機(jī)過(guò)程和隨機(jī)分布理論建立的太赫茲統(tǒng)計(jì)信道模型。前者可以提供比較精確的結(jié)果，但計(jì)算量較大，可擴(kuò)展性不好。后者具有極大的可移植性，總的工作量可以大幅度降低，但由于結(jié)果是基于經(jīng)驗(yàn)測(cè)量得到的，因此，準(zhǔn)確性不高，不能顯示出具體通信場(chǎng)景的特有特征。

由于以上2 種建模方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[19]提出將2 種方法結(jié)合，以此在計(jì)算量和準(zhǔn)確性上進(jìn)行折中。例如，在太赫茲里面的主要路徑，如直射和反射路徑通過(guò)確定捕獲建模方法來(lái)捕獲真實(shí)的波傳播，而其他路徑，如折射路徑和衍射路徑通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法建模。這種方案是合理的，因?yàn)樵谔掌潅鞑サ倪^(guò)程中，主要是通過(guò)直射和反射路徑傳輸，即使其他路徑的統(tǒng)計(jì)存在較小誤差，也不會(huì)對(duì)最后的結(jié)果產(chǎn)生很大影響。

5.2 太赫茲通信器件

作為新的頻譜資源，太赫茲通信應(yīng)用的發(fā)展極大地依賴(lài)于太赫茲器件的創(chuàng)新和突破；同時(shí)，太赫茲通信應(yīng)用也成為太赫茲器件發(fā)展的最大驅(qū)動(dòng)力之一。目前的太赫茲器件還不足以滿(mǎn)足超高性能的太赫茲通信技術(shù)要求，需要繼續(xù)突破。

首先，太赫茲射頻器件的發(fā)射功率有限，這制約了傳輸距離的提升。以太赫茲固態(tài)器件為例，工作在0.2 THz 以下的射頻功放輸出功率處于百毫瓦水平，工作在0.2 THz 以上的射頻功放輸出功率處于十毫瓦水平，均不足以滿(mǎn)足室外較遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓β室蟆?/p>

然后，由于太赫茲信號(hào)的傳輸損耗大，需要太赫茲天線具有較高的增益。目前的高增益太赫茲天線主要采用反射面天線技術(shù)，不能實(shí)現(xiàn)靈活的波束成形，限制了太赫茲通信的寬帶移動(dòng)接入應(yīng)用。因此，太赫茲相控陣列天線是迫切需要突破的技術(shù)難題，這需要從材料、器件和加工工藝等多個(gè)方面開(kāi)展創(chuàng)新研究和技術(shù)攻關(guān)。

最后，太赫茲核心芯片的發(fā)展對(duì)于太赫茲通信規(guī)?；瘧?yīng)用至關(guān)重要。第六代移動(dòng)通信技術(shù)（6G,sixth-generation mobile communication network）等應(yīng)用對(duì)太赫茲通信的小型化、低功耗和低成本都提出了高要求。目前的太赫茲器件體積較大、集成度不高，而成熟的硅基芯片在太赫茲高頻段的工作性能尚不能滿(mǎn)足通信系統(tǒng)要求，需要探索發(fā)展新的半導(dǎo)體材料和集成電路工藝。

5.3 太赫茲通信的安全

安全性是整個(gè)通信系統(tǒng)中重要的支撐，具有不可替代的作用，因此太赫茲安全通信的研究極具現(xiàn)實(shí)意義與價(jià)值。

太赫茲通信有限的傳輸距離和高定向的窄波束，使太赫茲頻段在保密通信系統(tǒng)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[19,94-96]。與較低頻率相比，這種技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是，攻擊者為了解碼數(shù)據(jù)，必須處在發(fā)射波束的范圍內(nèi)[96]，而攻擊者很難從較窄的太赫茲波束中進(jìn)行竊聽(tīng)[97]，這保證了消息的機(jī)密性。因此，傳輸數(shù)據(jù)的安全性不僅可以通過(guò)適當(dāng)?shù)募用芊桨竵?lái)保證，還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)本身的幾何形狀來(lái)加強(qiáng)。另一方面，太赫茲通信具有超高可用帶寬，可以很好地利用擴(kuò)頻技術(shù)、跳頻技術(shù)來(lái)對(duì)抗干擾攻擊，這增大了攻擊者阻塞系統(tǒng)的難度[98]。文獻(xiàn)[98-99]已經(jīng)表明，使用窄波束和物理層安全特定的編碼可以極大地降低數(shù)據(jù)在LoS 和NLoS 條件下被竊聽(tīng)的概率。文獻(xiàn)[100]介紹了太赫茲安全鏈路運(yùn)用到民用領(lǐng)域的例子，即從帶有無(wú)線身份驗(yàn)證的自動(dòng)取款機(jī)（ATM,automatic teller machine）進(jìn)行數(shù)據(jù)下載的kiosk 系統(tǒng)。

考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的物理層安全問(wèn)題。與傳統(tǒng)的竊聽(tīng)信道模型相比，系統(tǒng)引入了IRS，可以根據(jù)環(huán)境的變化通過(guò)被動(dòng)波束成形動(dòng)態(tài)地調(diào)整相位，在期望用戶(hù)端增加相干性以提高接收信號(hào)的功率，而在竊聽(tīng)端進(jìn)行破壞以增強(qiáng)安全性和私密性，以對(duì)抗通信中存在的安全性問(wèn)題。圖10 所示的IRS 輔助的物理層安全系統(tǒng)模型只是一個(gè)簡(jiǎn)單例子，太赫茲通信安全考慮的因素更復(fù)雜，需要長(zhǎng)期深入研究。

圖10 IRS 輔助的物理層安全系統(tǒng)模型

5.4 基于太赫茲的邊緣計(jì)算

根據(jù)IDC（International Data Corporation）預(yù)測(cè)，到2020 年全球數(shù)據(jù)總量將大于40 ZB，而物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生45%的數(shù)據(jù)都將在網(wǎng)絡(luò)邊緣處理。以云計(jì)算模型為核心的集中式處理模型將所有數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆朴?jì)算中心，利用云計(jì)算中心超強(qiáng)的計(jì)算能力來(lái)集中式解決計(jì)算和存儲(chǔ)問(wèn)題。但在萬(wàn)物互聯(lián)的背景下，新興應(yīng)用對(duì)響應(yīng)時(shí)間、用戶(hù)隱私性與數(shù)據(jù)量都有極高要求，這種集中式的處理方案顯得不足?；谝陨显颍吘売?jì)算受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。邊緣計(jì)算集合了數(shù)據(jù)采集、處理、執(zhí)行三大能力，避免了數(shù)據(jù)上傳下達(dá)所產(chǎn)生的時(shí)延弊端，提升了本地物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的處理能力和響應(yīng)速度，很好地解決了傳統(tǒng)云計(jì)算中心處理方案存在的問(wèn)題。

同時(shí)，在6G 網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)規(guī)模會(huì)呈現(xiàn)出變小的趨勢(shì)，移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC,mobile edge computing）配置在小區(qū)接入點(diǎn)，離用戶(hù)更近，可以更好地滿(mǎn)足本地用戶(hù)的需求。以VR/AR 為例，為了給用戶(hù)提供沉浸式的體驗(yàn)，核心處理器需要進(jìn)行視頻流高速處理。文獻(xiàn)[101]粗略估計(jì)了模擬人眼分辨率需要的視頻流的傳輸速率，若每秒傳輸120 幀圖像，每幀圖像的分辨率為6 400 萬(wàn)像素，通過(guò)將每個(gè)彩色像素存儲(chǔ)在36 位比特位中，并使用H.265 HEVC編碼進(jìn)行視頻壓縮，按照最大1:600 視頻壓縮率，需要高達(dá)1 Gbit/s 的傳輸速率來(lái)保證質(zhì)量。若要實(shí)現(xiàn)360度全向VR體驗(yàn)則需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。顯然，現(xiàn)有通信頻段不足以支撐這些應(yīng)用。

由于具有超高帶寬，太赫茲通信可以提供太比特每秒的傳輸速率，有條件提供超高數(shù)據(jù)傳輸速率、超低時(shí)延響應(yīng)的通信鏈路。因此，邊緣計(jì)算與太赫茲通信相結(jié)合，有潛力滿(mǎn)足VR/AR 等應(yīng)用對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的超高要求。另一方面，由于數(shù)據(jù)速率高和能耗大等問(wèn)題，太赫茲通信對(duì)移動(dòng)端設(shè)備的配置提出了更高的要求?？紤]到移動(dòng)端設(shè)備物理尺寸的限制，移動(dòng)終端的計(jì)算能力、電池容量及存儲(chǔ)能力有限，存在不足以滿(mǎn)足未來(lái)超高數(shù)據(jù)量的計(jì)算與交互的情況，因此，通過(guò)將任務(wù)卸載到MEC 端進(jìn)行處理，可以有效降低移動(dòng)終端的負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[102]對(duì)基于太赫茲通信的移動(dòng)邊緣計(jì)算進(jìn)行了分析，初步展示了邊緣計(jì)算與太赫茲結(jié)合能帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

5.5 未來(lái)通信系統(tǒng)中高低頻共存

由于極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，使太赫茲在未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)中具有難以替代的地位。但是由于其極大的路徑損耗、有限的傳輸距離、高精度的器件等需求，完全部署太赫茲通信也不是一個(gè)明智的選擇。低頻通信由于較遠(yuǎn)的通信距離、較低的器件精度和硬件成本，在短時(shí)間內(nèi)在通信系統(tǒng)中的部署不可或缺。例如，基站將系統(tǒng)信息廣播給眾多用戶(hù)，此時(shí)傳統(tǒng)的低頻通信更加適合。因此，在下一代無(wú)線通信系統(tǒng)中，太赫茲、毫米波等高頻段和傳統(tǒng)微波頻段將共存。由于在帶寬資源、傳輸速率、響應(yīng)速度等方面的極大不同，需要針對(duì)不同應(yīng)用提供不同需求的服務(wù)。因此，低頻通信和高頻通信需要緊密協(xié)作，最大化通信系統(tǒng)的性能。

5.6 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的太赫茲通信

將太赫茲技術(shù)用于無(wú)線通信，系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)的管理會(huì)面臨極大挑戰(zhàn)，如網(wǎng)絡(luò)流量和資源管理、大數(shù)據(jù)管理和能源效率。因此，需要新技術(shù)和策略以更高效、更智能的方式應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能輔助網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)新興領(lǐng)域，是管理大量數(shù)據(jù)的有效解決方案之一[103-104]。機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助解決存在的管理挑戰(zhàn)，提供更高、更智能的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用監(jiān)控和管理水平，提高運(yùn)行效率，進(jìn)一步使太赫茲通信系統(tǒng)智能化[105]。機(jī)器學(xué)習(xí)從大量原始數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值信息[106-107]，形成建議或者合理預(yù)測(cè)，巧妙地控制和優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)可以關(guān)聯(lián)多個(gè)數(shù)據(jù)源并找到相關(guān)內(nèi)容，還能揭示以前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的相互關(guān)系和依賴(lài)關(guān)系[108]。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以簡(jiǎn)單地分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)，監(jiān)督/無(wú)監(jiān)督表示數(shù)據(jù)庫(kù)中是否有帶標(biāo)簽的樣本。之后受行為心理學(xué)啟發(fā)，一種新類(lèi)型的機(jī)器學(xué)習(xí)算法——強(qiáng)化學(xué)習(xí)出現(xiàn)了。不同于前2 種方法，強(qiáng)化學(xué)習(xí)不需要預(yù)先給定任何數(shù)據(jù)，是智能體（agent）以“試錯(cuò)”的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)與環(huán)境進(jìn)行交互，獲得學(xué)習(xí)信息并更新模型參數(shù)，目標(biāo)是使agent 獲得的獎(jiǎng)勵(lì)最大。

機(jī)器學(xué)習(xí)方法成功應(yīng)用的典型問(wèn)題/場(chǎng)景包括圖像恢復(fù)和識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、網(wǎng)絡(luò)安全、客戶(hù)細(xì)分、預(yù)測(cè)維護(hù)（如工業(yè)工廠的機(jī)器）等[105]。在關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的太赫茲通信的研究中，可以針對(duì)2 個(gè)方面，即高效的資源分配技術(shù)和先進(jìn)的波束成形技術(shù)。

5.6.1 高效的資源分配技術(shù)

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，大量設(shè)備將被連接到網(wǎng)絡(luò)，它們?cè)谶B接時(shí)間和方式、連接優(yōu)先級(jí)和連接持續(xù)時(shí)間方面，有著不同的通信需求。另一方面，在有限資源的條件下，進(jìn)行高效的資源分配策略是提高通信系統(tǒng)頻譜利用率和功率利用率的關(guān)鍵。因此利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行優(yōu)化資源配置是非常有利的，允許網(wǎng)絡(luò)根據(jù)特定用戶(hù)的位置、時(shí)間和特定服務(wù)需求等參數(shù)來(lái)滿(mǎn)足預(yù)期的需求。

5.6.2 先進(jìn)的波束成形技術(shù)

如前所述，波束成形是下一代通信系統(tǒng)中提高覆蓋率和數(shù)據(jù)速率的一個(gè)重要技術(shù)組成部分。具有多個(gè)天線的波束成形系統(tǒng)可以同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，本節(jié)將機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的波束成形技術(shù)研究分為兩大場(chǎng)景：固定或低遷移率無(wú)線系統(tǒng)和支持高機(jī)動(dòng)性無(wú)線系統(tǒng)。

1) 固定或低遷移率無(wú)線系統(tǒng)。由于太赫茲頻段的高路徑損耗，需要采用定向傳輸，高效的波束對(duì)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)成功傳輸?shù)年P(guān)鍵?，F(xiàn)有的混合波束成形方案大多需要復(fù)雜的移相網(wǎng)絡(luò)[109]，每個(gè)射頻鏈通過(guò)高分辨率移相器連接到所有天線[74,110]，雖然這種架構(gòu)可以提供高設(shè)計(jì)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)接近最優(yōu)的性能，但它需要數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)高分辨率移相器，硬件成本高，能耗高。為了解決這個(gè)問(wèn)題，兩類(lèi)方案被提出。第一類(lèi)是直接采用有限分辨率移相器代替高分辨率移相器[111-112]。雖然可以在不造成明顯性能損失的情況下降低移相器網(wǎng)絡(luò)的能耗，但仍需要大量的移相器，且能耗較大。第二類(lèi)是利用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)代替移相網(wǎng)絡(luò)，雖然顯著降低硬件成本和能耗，但也存在明顯的性能損失[75-76,113]。

因此，可以結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研究高效節(jié)能的混合波束成形結(jié)構(gòu)。對(duì)于混合波束成形的每次選擇，可以將其視為機(jī)器學(xué)習(xí)中的一個(gè)訓(xùn)練過(guò)程，其中訓(xùn)練目標(biāo)是預(yù)測(cè)預(yù)編碼器與目標(biāo)預(yù)編碼器之間的交叉熵?fù)p失函數(shù)，并使預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的相對(duì)誤差達(dá)到最小[67]。

2) 支持高機(jī)動(dòng)性無(wú)線系統(tǒng)。在太赫茲系統(tǒng)中支持高機(jī)動(dòng)性可以實(shí)現(xiàn)廣泛的重要應(yīng)用，例如車(chē)輛通信和AR/VR。在目前毫米波車(chē)載通信中，建立和跟蹤波束是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，目前已取得許多相關(guān)的研究[114-117]。文獻(xiàn)[114]利用AoA 信息，通過(guò)基于深度和機(jī)器學(xué)習(xí)的模擬波束選擇方案來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)MIMO 毫米波通信系統(tǒng)的上行鏈路。文獻(xiàn)[115]建議利用機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)過(guò)去的波束訓(xùn)練數(shù)據(jù)，利用接收車(chē)輛及其鄰近車(chē)輛的位置和類(lèi)型來(lái)學(xué)習(xí)最佳波束對(duì)指數(shù)。文獻(xiàn)[116]研究了一種低訓(xùn)練開(kāi)銷(xiāo)的毫米波車(chē)輛傳輸智能波束跟蹤方案。具體地，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型，利用過(guò)去的信道狀態(tài)信息有效預(yù)測(cè)未來(lái)信道。使用這種預(yù)測(cè)信道狀態(tài)信息，基站減少了信道估計(jì)的次數(shù)，節(jié)省了導(dǎo)頻的開(kāi)銷(xiāo)。

然而，相比毫米波車(chē)載通信，太赫茲頻段的高機(jī)動(dòng)性無(wú)線系統(tǒng)的研究更加困難。要在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要克服幾個(gè)挑戰(zhàn)。1)窄波束的使用和太赫茲信號(hào)對(duì)阻塞的敏感性極大地影響了高機(jī)動(dòng)鏈路的覆蓋和可靠性。2)在密集的太赫茲部署中，具有高移動(dòng)性的用戶(hù)需要更加頻繁地在基站之間切換，這與關(guān)鍵控制和時(shí)延開(kāi)銷(xiāo)相關(guān)。3)在大型天線陣太赫茲系統(tǒng)中，確定最佳波束成形向量需要相當(dāng)大的開(kāi)銷(xiāo)，這對(duì)移動(dòng)通信的效率有很大影響。因此，為了減少開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)現(xiàn)更加精確的對(duì)準(zhǔn)，并與移動(dòng)用戶(hù)建立穩(wěn)定的鏈路，集成機(jī)器學(xué)習(xí)和波束成形技術(shù)可以幫助在太赫茲通信中實(shí)現(xiàn)高移動(dòng)性的應(yīng)用[118]。

5.7 太赫茲頻段下的室內(nèi)定位和追蹤

由于太赫茲頻段的高方向性，一旦信號(hào)發(fā)射方向產(chǎn)生偏差，接收用戶(hù)就不能收到信號(hào)，由此造成通信失敗及能量的不必要損耗。因此，在傳輸信號(hào)之前，收發(fā)端需要知道彼此的位置，以調(diào)整最好的天線角度收發(fā)信息[119]。同時(shí)，智能手機(jī)、平板電腦等便攜設(shè)備日益普及，并且集各種服務(wù)于一體。這些可移動(dòng)設(shè)備可以支持辦公、在線視頻播放、學(xué)習(xí)、網(wǎng)購(gòu)、實(shí)時(shí)交流等。因此，未來(lái)太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)中，很大部分需要考慮的服務(wù)對(duì)象是攜帶智能設(shè)備的用戶(hù)。由于系統(tǒng)中用戶(hù)數(shù)量龐大，并且具有高移動(dòng)性與隨機(jī)性，因此需要對(duì)這些便攜智能設(shè)備進(jìn)行追蹤，以實(shí)現(xiàn)高效地?zé)o線通信。

雖然全球定位系統(tǒng)（GPS,global positioning system）可以將用戶(hù)定位在開(kāi)放空間下4.9 m 以?xún)?nèi)，但在城市峽谷、室內(nèi)等障礙物環(huán)境下，GPS 定位精度較差[120]。當(dāng)前室內(nèi)定位研究主要依賴(lài)超寬帶和毫米波系統(tǒng)，然而，超寬帶和毫米波帶寬有限，在室內(nèi)進(jìn)行定位時(shí)會(huì)出現(xiàn)擁擠、干擾大、定位精度不夠等問(wèn)題[121]。太赫茲頻段由于其豐富的帶寬資源，可以極大地緩解上述問(wèn)題。其次，太赫茲波束具有高方向性，使用定向天線可以獲得高精度的角度信息，為定位的準(zhǔn)確提供有力的保障。最后，太赫茲支持超高數(shù)據(jù)傳輸速率，極大地降低了定位追蹤過(guò)程中信息交互的時(shí)間，這使太赫茲尤其適用于前文提到的高移動(dòng)性場(chǎng)景。

6 結(jié)束語(yǔ)

太赫茲通信由于極高的數(shù)據(jù)速率與巨大帶寬，在短距離超高速無(wú)線通信方面具有巨大的應(yīng)用前景，能夠解決當(dāng)前無(wú)線通信系統(tǒng)面臨的問(wèn)題，并滿(mǎn)足各種新興應(yīng)用的超高要求。發(fā)展太赫茲技術(shù)成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要介紹了太赫茲信道的研究現(xiàn)狀，包括當(dāng)前太赫茲傳播模型、太赫茲信道測(cè)量和太赫茲信道估計(jì)?；谔掌澬诺赖幕A(chǔ)上，首先，針對(duì)單用戶(hù)的簡(jiǎn)單通信場(chǎng)景，分析了其中存在的問(wèn)題，并從收發(fā)端和中繼這2 個(gè)方面出發(fā)，列舉了可能的解決方案。更進(jìn)一步地，將通信場(chǎng)景復(fù)雜化和實(shí)際化，描述了多用戶(hù)通信場(chǎng)景中可能面臨的問(wèn)題及解決方案。最后，基于前面的調(diào)研工作，展望了未來(lái)太赫茲頻段可能的研究方向，這些問(wèn)題將決定未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)中太赫茲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和部署。相信隨著對(duì)太赫茲技術(shù)深入全面的研究，最終太赫茲通信可以實(shí)現(xiàn)超高速無(wú)線通信。