尉志青，馮志勇，李怡恒，馬昊，賈錦竹

（北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無(wú)線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

0 引言

頻段范圍為0.1～10 THz 的電磁波被稱為太赫茲電磁波[1]。太赫茲電磁波由于具備穿透性、低能性、瞬態(tài)性、“指紋”譜、寬帶性等特點(diǎn)[1]，被視作6G 的潛在頻段，獲得了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注[2]。各頻段電磁波承載的業(yè)務(wù)如圖1 所示。太赫茲電磁波具備超大帶寬超低時(shí)延通信的能力，在自動(dòng)駕駛等場(chǎng)景將獲得廣泛的應(yīng)用；太赫茲波長(zhǎng)短，太赫茲器件具備小型化潛力，在物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景有應(yīng)用潛力；太赫茲帶寬較大，結(jié)合超大規(guī)模天線，將獲得極高的距離、速度和角度分辨率，在感知方面具備較大的潛力，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器通信、數(shù)字孿生、沉浸式業(yè)務(wù)等方面。

圖1 各頻段電磁波承載的業(yè)務(wù)

IMT 2030(6G)推進(jìn)組將通信感知一體化技術(shù)視作未來(lái)6G 的潛在技術(shù)之一[3]。與目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，通信感知一體化技術(shù)有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度感知與高速率通信[4]。這將極大推動(dòng)未來(lái)6G時(shí)代機(jī)器通信、沉浸式業(yè)務(wù)等的發(fā)展。而太赫茲電磁波由于具備大帶寬通信和高精度感知的能力，是通信感知一體化技術(shù)最有潛力應(yīng)用的頻段之一，因此太赫茲通信感知一體化技術(shù)獲得了廣泛的關(guān)注。

在太赫茲通信感知一體化技術(shù)的研究中，通信感知一體化波形設(shè)計(jì)至關(guān)重要。通信感知一體化波形的研究面臨如下挑戰(zhàn)：1)通信感知一體化技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景是多樣的，不同場(chǎng)景對(duì)感知與通信的性能需求具有較大差異，因此，需要設(shè)計(jì)面向多樣化場(chǎng)景的靈活可重構(gòu)通信感知一體化波形；2)通信信號(hào)的隨機(jī)性與感知信號(hào)所需要的強(qiáng)自相關(guān)性存在矛盾，一體化波形設(shè)計(jì)需要權(quán)衡兩者的性能；3)通信感知一體化信號(hào)設(shè)計(jì)需要與數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層調(diào)度相匹配，需要考慮到多節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)能力。

面向太赫茲通信感知一體化的需求和研究挑戰(zhàn)，本文綜述了太赫茲通信感知一體化技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景、波形設(shè)計(jì)方法，并展望了未來(lái)太赫茲通信感知一體化技術(shù)的研究方向。

1 場(chǎng)景與需求

太赫茲結(jié)合超大規(guī)模天線，一方面提供了極高的傳輸速率和頻譜效率，另一方面超窄波束成形也給波束對(duì)準(zhǔn)和跟蹤帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。太赫茲通信感知一體化技術(shù)有望通過(guò)感知信息的輔助降低波束訓(xùn)練的復(fù)雜度，提高通信性能。此外，太赫茲通信感知一體化技術(shù)有助于催生一些新的業(yè)務(wù)應(yīng)用，并降低設(shè)備的體積和功耗，提高設(shè)備的成本效率。太赫茲通信感知一體化具備如下優(yōu)勢(shì)。

1)感知輔助通信性能提升。對(duì)于高度移動(dòng)的太赫茲通信環(huán)境，波束對(duì)準(zhǔn)與跟蹤的難度極大，而感知信息可以加快波束對(duì)準(zhǔn)與跟蹤的速度[5]；精準(zhǔn)態(tài)勢(shì)感知也可用于對(duì)通信資源進(jìn)行預(yù)測(cè)性分配；太赫茲通信感知一體化的本質(zhì)是感知和通信功能的動(dòng)態(tài)頻譜共享，在足夠大的太赫茲帶寬的基礎(chǔ)上可提高頻譜效率。

2)催生新業(yè)務(wù)場(chǎng)景。機(jī)器通信、沉浸式業(yè)務(wù)等需要物理空間與數(shù)字空間的高度統(tǒng)一，該類業(yè)務(wù)同時(shí)需要在物理空間的感知和數(shù)字空間的通信[6]。太赫茲通信感知一體化技術(shù)可以服務(wù)于這些業(yè)務(wù)，能夠同時(shí)提供即時(shí)高分辨率感知以及高數(shù)據(jù)速率的通信，加速這些新業(yè)務(wù)的落地實(shí)施。

3)提高成本效率。通信與感知功能通過(guò)復(fù)用硬件，可降低設(shè)備成本[7]，促進(jìn)設(shè)備的快速推廣。

因此，太赫茲通信感知一體化有豐富的場(chǎng)景與技術(shù)需求，亟須進(jìn)行深入的研究。下文針對(duì)其中的基礎(chǔ)性技術(shù)，即太赫茲通信感知一體化波形設(shè)計(jì)進(jìn)行綜述。

2 太赫茲通信感知一體化波形設(shè)計(jì)

頻段的寬度在很大程度上決定了數(shù)據(jù)的傳輸速度，信道寬度越寬，數(shù)據(jù)傳輸速率越快。與毫米波和Wi-Fi 頻段相比，太赫茲頻段具有更大帶寬、更窄波束，具有更優(yōu)秀的傳輸能力和更好的方向性。太赫茲通信感知一體化波形設(shè)計(jì)的目標(biāo)是同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的目標(biāo)感知和信息傳輸[8]，從而實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率和高精度感知[9]。感知信號(hào)通常是一些高發(fā)射功率的脈沖信號(hào)或周期連續(xù)波信號(hào)，接收端僅需要簡(jiǎn)單的信號(hào)處理；但是通信信號(hào)通常是一些隨機(jī)的調(diào)制信號(hào)，接收端的復(fù)雜度高[3]。因此設(shè)計(jì)一體化波形時(shí)，需要權(quán)衡兩者的性能，根據(jù)不同的需求對(duì)調(diào)制方式、發(fā)射功率、帶寬等進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整[10]。

2.1 基于通信波形的太赫茲通信感知一體化波形

太赫茲通信感知一體化技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)感知和通信的相互促進(jìn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[11]。但太赫茲的頻段較高，會(huì)帶來(lái)較大的路徑損耗，更適用于短距通信感知一體化場(chǎng)景。在基于通信波形的太赫茲通信感知一體化波形的設(shè)計(jì)中，峰值平均功率比（PAPR,peak to average power ratio）將是設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮的重點(diǎn)。

基于通信波形的太赫茲一體化波形有許多可能的選擇，并對(duì)射頻子系統(tǒng)的實(shí)施具有深遠(yuǎn)的影響。總體來(lái)看，需要考慮的因素包含功率放大器（PA,power amplifier）補(bǔ)償能力、相位噪聲的對(duì)抗能力以及幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和調(diào)度能力[12]。在PA 補(bǔ)償方面，波形所產(chǎn)生的時(shí)域信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍直接影響功率放大器的性能及其最大輸出功率的工作范圍；振蕩器所產(chǎn)生的輸出頻率不穩(wěn)定導(dǎo)致的相位噪聲現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致發(fā)射和接收信號(hào)的相位隨時(shí)間變化，由此產(chǎn)生的相位噪聲不容小覷[13]；同樣地，對(duì)于太赫茲范圍內(nèi)的載波頻率，子載波間隔和循環(huán)前綴長(zhǎng)度的選擇對(duì)整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要[14]。下面將從基于通信波形的太赫茲通信感知一體化波形在單載波和多載波2 個(gè)分類下進(jìn)行描述。

2.1.1 單載波波形

單載波比多載波具有更小的功率放大器回退，單載波波形具有PAPR 較低、節(jié)能、實(shí)施簡(jiǎn)單、可延長(zhǎng)用戶設(shè)備的電池壽命、適用于小范圍覆蓋場(chǎng)景等優(yōu)點(diǎn)[15]。二進(jìn)制相移鍵控（BPSK,binary phase-shift keying）、正交相移鍵控（QPSK,quadrature phase-shift keying）、M 進(jìn)制正交幅度調(diào)制（MQAM,multiple quadrature amplitude modulation）等調(diào)制方式在通信波形中經(jīng)常被采用?？傊谕ㄐ挪ㄐ蔚奶掌澮惑w化波形在單載波方面有以下幾種波形。

1)單載波頻域均衡（SC-FDE,single carrier frequency domain equalization）波形

SC-FDE 波形是簡(jiǎn)單的基于時(shí)域的調(diào)制信號(hào)[16]。與基于正交頻分復(fù)用（OFDM,orthogonal frequency division multiplexing）的一體化波形相比，SC-FDE波形降低了PAPR，瞬時(shí)功率更穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)對(duì)功率放大器引入的非線性穩(wěn)健性，同時(shí)可以抵抗頻率偏移[17]。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送復(fù)雜信號(hào)時(shí)，利用SC-FDE可以簡(jiǎn)單發(fā)送PSK 或QAM 調(diào)制信號(hào)，因此，發(fā)射機(jī)可實(shí)現(xiàn)極大簡(jiǎn)化，不需要多余的模數(shù)轉(zhuǎn)換器[18]。

2)離散傅里葉變換擴(kuò)頻正交頻分復(fù)用（DFT-s-OFDM,discrete fourier transform-spread orthogonal frequency division multiplexing）波形

DFT-s-OFDM 波形中，數(shù)據(jù)符號(hào)利用DFT 塊進(jìn)行擴(kuò)展，然后映射到IDFT 塊的輸入[19-20]。為了避免由于信道的多徑而引起的符號(hào)間干擾（ISI,intersymbol interference），并且允許在接收機(jī)處進(jìn)行頻域均衡，循環(huán)前綴（CP,cyclic prefix）會(huì)被預(yù)先設(shè)置到符號(hào)的開(kāi)頭。通過(guò)改變DFT 擴(kuò)展塊的大小，能夠合成具有不同帶寬的基于塊的單載波波形。當(dāng)使用多個(gè)DFT 擴(kuò)展塊時(shí)，可以允許在基于塊的多載波和單載波方案之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[21]證明DFT-s-OFDM 波形還可以包含內(nèi)部保護(hù)周期，該保護(hù)周期在不影響符號(hào)持續(xù)時(shí)間的情況下提供保護(hù)周期的持續(xù)時(shí)間的靈活性。

與基于 OFDM 的一體化波形相比，基于DFT-s-OFDM 的一體化波形PAPR 較低、實(shí)施簡(jiǎn)單，同時(shí)保留了OFDM 的主要優(yōu)點(diǎn)，即允許在接收機(jī)處使用多用戶聯(lián)合處理的頻分多址（FDMA,frequency division multiple access）和頻域均衡，同時(shí)降低每個(gè)用戶的PAPR，因此獲得更大的覆蓋范圍[22]。同時(shí)也可將基于DFT-s-OFDM 一體化技術(shù)與多輸入多輸出（MIMO,multi-input multi-output）相結(jié)合[23]，在多接收天線的條件下，可以獲得較好的傳輸性能。然而，對(duì)于使用QAM 調(diào)制下低調(diào)制階數(shù)的情況，此方案仍會(huì)表現(xiàn)出較高的PAPR。考慮到5G和6G 的極高數(shù)據(jù)速率要求，尤其是在高階調(diào)制不適用的情況下，如何保持基于DFT-s-OFDM 一體化波形的低PAPR 并提高其頻譜效率是波形設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

2.1.2 多載波波形

多載波波形的PAPR 值比較高，因此在波形設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常需要輔以降低PAPR 的波形優(yōu)化算法。例如，新增多載波距離感知（DMAC,distance-aware multi-carrier）調(diào)制方式，可以利用與距離和頻率有關(guān)的傳輸窗口，并提供自適應(yīng)的超廣域利用太赫茲波段的帶寬[24]。多載波波形主要包括循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用（CP-OFDM,cyclic prefix orthogonal frequency division multiplexing）和濾波器組多載波（FBMC,filter bank multi-carrier）2 種。

1)CP-OFDM 波形

OFDM 波形不受高頻率選擇性太赫茲信道的影響，有較高的頻譜利用率和較低的計(jì)算復(fù)雜度，并且可以在頻域內(nèi)對(duì)子載波進(jìn)行編碼和交織，使OFDM 系統(tǒng)在面對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤時(shí)有較強(qiáng)的穩(wěn)定性[25]。而CP-OFDM 在OFDM 波形的基礎(chǔ)上加入了循環(huán)前綴CP，插入了CP 后有較高的頻譜效率，能夠抵抗多徑效應(yīng)，被廣泛應(yīng)用于許多通信標(biāo)準(zhǔn)，諸如LTE、5G NR 和IEEE 802.11 系統(tǒng)[26]。采用CP-OFDM 技術(shù)的通信感知一體化信號(hào)中各子載波具有良好的正交性，同時(shí)其子載波的數(shù)量與頻率間隔可靈活調(diào)整，理想情況可以得到“圖釘形”的模糊函數(shù)，改善距離-多普勒的模糊性，可滿足對(duì)通信傳輸效率較高要求下的高性能感知。但是CP-OFDM 的PAPR較高，對(duì)于功率受限的太赫茲系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性。因此需要設(shè)計(jì)降低PAPR 的算法，但同時(shí)也增加了計(jì)算復(fù)雜度，在波形設(shè)計(jì)中需要權(quán)衡復(fù)雜度與波形的性能。

2)FBMC 波形

FBMC 波形的特點(diǎn)是沒(méi)有循環(huán)前綴。因此，通過(guò)避免CP 開(kāi)銷，F(xiàn)BMC 波形可以具備更高的傳輸效率。FBMC 波形在發(fā)射端和接收端添加濾波器來(lái)處理相鄰多載波符號(hào)之間的重疊，使子載波不需要保持正交性，帶外頻譜衰減快，降低了子載波間的干擾[25]。FBMC 波形由于濾波器組的存在具有較好的時(shí)延分辨率，同時(shí)濾波器組的存在保證FBMC 波形不存在多普勒旁瓣，提高測(cè)速的準(zhǔn)確性。但多普勒頻移分辨率受到濾波器組的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行優(yōu)化[27]。

3)OTFS 波形

正交時(shí)頻空（OTFS,orthogonal time frequency space）波形是面向高速移動(dòng)場(chǎng)景下的一體化波形設(shè)計(jì)方案，通常應(yīng)用于V2X（vehicle-to-everything）通信，它通過(guò)將信道映射到時(shí)延-多普勒域?qū)垢叨嗥绽疹l移對(duì)信號(hào)的影響，同時(shí)OTFS 波形可以滿足高吞吐量、高數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延的通信需求[28]。作為一種頻譜高效的波形設(shè)計(jì)方案，相比于CPOFDM，OTFS 一個(gè)幀結(jié)構(gòu)中只需要加入一個(gè)CP[28]。

OTFS 波形的PAPR 和參與OTFS 調(diào)制的符號(hào)個(gè)數(shù)有關(guān)，可以通過(guò)對(duì)符號(hào)個(gè)數(shù)的調(diào)整優(yōu)化波形的PAPR，與CP-OFDM 相比降低了PAPR[29]。OTFS波形的PAPR、復(fù)雜度、解碼時(shí)延、誤碼率（BER,bit error rate）與每幀中OTFS 符號(hào)數(shù)成正相關(guān)，因此需要在PAPR、復(fù)雜度、解碼時(shí)延和BER 之間權(quán)衡，針對(duì)不同場(chǎng)景選擇每幀中最優(yōu)的OTFS 符號(hào)數(shù)[30]。

從sub-6G 到THz 頻段，多普勒頻移隨之顯著提高，高多普勒頻移不僅對(duì)CP-OFDM 波形的同步產(chǎn)生影響，而且容易破壞子載波之間的正交性。OTFS 在時(shí)延-多普勒域的信道提升了波形對(duì)多普勒頻移的容忍性，這對(duì)THz 下的通信感知一體化波形設(shè)計(jì)具有重要意義[31]。

2.2 基于感知波形的太赫茲通信感知一體化波形

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)太赫茲通信感知一體化波形的研究較少，絕大多數(shù)太赫茲感知波形均圍繞調(diào)頻連續(xù)波（FMCW,frequency-modulated continuous wave）展開(kāi)研究。感知波形相較于通信波形PAPR較低[32]，因此設(shè)計(jì)復(fù)雜度低。基于感知波形的太赫茲通信感知一體化波形設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)感知波形調(diào)制通信信息來(lái)完成通信功能[33]。

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射功率低，容易實(shí)現(xiàn)高距離分辨率，且不存在距離盲區(qū)，由于太赫茲具有大帶寬特性，利用FMCW 波形的太赫茲雷達(dá)具有極高的距離分辨率，且具一定的透視性，應(yīng)用前景廣泛[34]。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在對(duì)利用FMCW 波形的太赫茲雷達(dá)展開(kāi)深入研究。實(shí)際上，絕大多數(shù)太赫茲雷達(dá)采用FMCW 波形[35-39]來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)測(cè)距。

在太赫茲雷達(dá)波形的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中，大量的文獻(xiàn)研究補(bǔ)償波形中的非線性相位誤差[35,40-41]。例如，根據(jù)校準(zhǔn)器的回波進(jìn)行相位補(bǔ)償[41]，使用直接數(shù)字波形合成技術(shù)進(jìn)行預(yù)失真補(bǔ)償[42]；在波形設(shè)計(jì)方面，太赫茲FMCW 雷達(dá)波形廣泛采用鋸齒波與三角波的結(jié)合或者梯形波與三角波的結(jié)合[43]。鋸齒波容易產(chǎn)生較嚴(yán)重的距離-速度耦合問(wèn)題，三角波在多目標(biāo)檢測(cè)時(shí)容易產(chǎn)生虛假目標(biāo)，而梯形波與三角波的結(jié)合可以解決上述問(wèn)題[43]。FMCW 體制的太赫茲雷達(dá)具備工作穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是太赫茲雷達(dá)的主要波形。

FMCW 信號(hào)時(shí)帶寬積較大，且PAPR 較低。此外，相較于微波頻段的FMCW 波形，太赫茲頻段的FMCW 波形具有更高的距離分辨率，感知性能更高。因此，在基于感知波形的太赫茲通信感知一體化波形設(shè)計(jì)方向，可以優(yōu)先考慮FMCW 波形。

2.3 通感融合的太赫茲通信感知一體化波形

太赫茲通信感知一體化波形的設(shè)計(jì)需要綜合考慮太赫茲電磁波的傳播特點(diǎn)、太赫茲器件的特點(diǎn)、通信與感知對(duì)波形的要求等因素，以此來(lái)評(píng)估并選擇通信感知一體化波形方案。

文獻(xiàn)[44]分析了幾種通信感知一體化波形，包括FMCW 信號(hào)和OFDM 信號(hào)及其單邊帶譜信號(hào)在太赫茲一體化條件下的性能。OFDM 信號(hào)被廣泛用于4G 和5G 系統(tǒng)中，但是其較高的PAPR 會(huì)降低發(fā)射機(jī)的能效。6G 預(yù)計(jì)將包括超過(guò)100 GHz 的高載波頻段，即亞太赫茲頻率范圍[45]，在這些頻段中功率放大器功率效率低，輸出功率有限，更加需要解決PAPR 問(wèn)題。傳統(tǒng)的FMCW 信號(hào)也具有很低的PAPR，同樣可以作為太赫茲一體化信號(hào)的候選波形。FMCW 雷達(dá)在太赫茲頻段的優(yōu)勢(shì)在于其較寬的頻率擺幅范圍[46]，比微波頻段的FMCW 雷達(dá)具有更好的距離分辨率[47]。但是FMCW 波形在通信方面的數(shù)據(jù)速率較低，隨機(jī)性較差，導(dǎo)致信號(hào)處理難度較 OFDM 波形更大。半周期單載波波形SC-OFDM 在OFDM 上添加了DFT 擴(kuò)展，適用于NR Rel-16 中定義的52.6 GHz 高頻段[48]。單載波頻域均衡技術(shù)可以降低其PAPR，這是SC-OFDM 之外另一個(gè)具有低PAPR 的波形變體方案[49]。

波形可以分為單載波波形和多載波波形。FMCW 和OFDM 在進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)處理時(shí)，基于多載波技術(shù)和二維傅里葉變換[50]可以獲得時(shí)延或多普勒信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的感知。但單載波波形只能使用基于相關(guān)的接收處理，此時(shí)時(shí)延和多普勒不能通過(guò)相關(guān)處理解耦，增加了雷達(dá)信號(hào)處理的復(fù)雜度。短程雷達(dá)要求在同一頻率上發(fā)射和接收，而OFDM 和單載波信號(hào)[51]都是時(shí)分雙工（TDD,time-division duplex）或頻分雙工（FDD,frequency-division duplex）體制，不會(huì)以相同的頻率同時(shí)發(fā)射和接收，這就產(chǎn)生了大量需要處理的自干擾。立足于移動(dòng)通信系統(tǒng)，通信感知一體化波形優(yōu)先選擇OFDM，而較高的PAPR 是OFDM 存在的問(wèn)題，因此波形優(yōu)化必不可少。此外，單載波波形可能也適合用來(lái)設(shè)計(jì)太赫茲通信感知一體化波形[44]。太赫茲波段進(jìn)行波形一體化設(shè)計(jì)還需考慮信道的稀疏性和時(shí)延擴(kuò)展引起的大相干帶寬和時(shí)間展寬效應(yīng)等特點(diǎn)[52]。

文獻(xiàn)[52]對(duì)比了OFDM 和FMCW-SC 一體化信號(hào)的性能，發(fā)現(xiàn)二者具有相似的測(cè)距性能，但OFDM 信號(hào)的距離分辨率較差，且旁瓣幅度值較大，因此較FMCW-SC 波形具有更高的PAPR，不利于目標(biāo)感知。因?yàn)楫?dāng)噪聲過(guò)大時(shí)，主瓣有可能會(huì)被較高幅度的旁瓣淹沒(méi)。且波束寬度更寬，不利于方位角的測(cè)量，會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)角誤差。考慮到不同場(chǎng)景對(duì)感知的性能要求，基于FMCW-SC 的太赫茲通信感知一體化波形更具優(yōu)勢(shì)[53]。然而，該信號(hào)體制與目前移動(dòng)通信的信號(hào)體制差異較大。在太赫茲測(cè)距和成像領(lǐng)域，使用FMCW 波形進(jìn)行通信時(shí)，信號(hào)的非線性會(huì)導(dǎo)致模糊和離焦現(xiàn)象，影響感知性能[22,54]。

綜上所述，太赫茲通信感知一體化波形的設(shè)計(jì)需要綜合考慮場(chǎng)景需求和不同波形體制在通信與感知方面的性能。在空間通信場(chǎng)景，利用基于OFDM 的太赫茲一體化技術(shù)進(jìn)行無(wú)損傳輸，用較小發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信任務(wù)，并獲取相應(yīng)的感知性能。為保證通信性能，可考慮使用OFDM 波形進(jìn)行太赫茲一體化信號(hào)的設(shè)計(jì)。對(duì)于室內(nèi)場(chǎng)景，為實(shí)現(xiàn)成像級(jí)別的定位精度，可使用FMCW-SC 實(shí)現(xiàn)太赫茲一體化波形的設(shè)計(jì)。

3 未來(lái)展望

3.1 太赫茲通信感知一體化波形設(shè)計(jì)

OFDM 仍然是移動(dòng)通信系統(tǒng)的主流信號(hào)體制。與現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)更兼容的OFDM 在通信感知一體化波形設(shè)計(jì)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，然而，該方案需要進(jìn)行波形優(yōu)化，以提升感知性能。其中加窗OFDM 采用具有平滑邊緣的非矩形脈沖形狀來(lái)改善OFDM 波的頻譜形狀，具有相對(duì)較低的帶外泄露[55]，為了進(jìn)一步克服太赫茲多載波波形的高峰均功率比，還可以采用選擇性映射、部分傳輸序列和選擇合適碼本[56]等方法進(jìn)行波形優(yōu)化。

關(guān)于調(diào)制方法，太赫茲調(diào)制方法優(yōu)先選擇低包絡(luò)變化調(diào)制。π/4 QPSK、π/4 BPSK 是一種低包絡(luò)變化的信號(hào)調(diào)制方法，低階調(diào)制在大帶寬太赫茲通信中受到更多關(guān)注[57]。在相位噪聲抑制方面，太赫茲頻段的相位噪聲可能會(huì)給傳輸帶來(lái)不利影響[56]，降低相位噪聲影響的調(diào)制方案是十分必要的。振幅移相鍵控屬于線性調(diào)制，它的星座點(diǎn)被限制在一組同心環(huán)上，對(duì)非線性失真的敏感度較低[58]。

在面向6G 的通信感知一體化設(shè)計(jì)中，基于移動(dòng)通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)感知功能的同時(shí)，通信仍為首要任務(wù)。為保證通信功能不受影響，未來(lái)基于收發(fā)分離的感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)將會(huì)取得廣泛應(yīng)用。使用不同天線陣列分別進(jìn)行感知與通信信號(hào)的接收與處理，以此獲取通信和感知功能的同時(shí)優(yōu)化。在感知性能提升方面，將太赫茲雷達(dá)波形FMCW 與OFDM 進(jìn)行結(jié)合是一個(gè)可行的研究方向。FMCW 信號(hào)時(shí)帶寬積較大，有助于提升感知性能；OFDM 頻譜效率較高，有助于提升通信性能，而兩者的結(jié)合可以聯(lián)合提升通信與感知的性能[59]。

3.2 結(jié)合超大規(guī)模天線陣列的波形優(yōu)化

為了增加通信距離，太赫茲需要結(jié)合超大規(guī)模陣列天線技術(shù)，以滿足實(shí)際移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋需求。但是超大規(guī)模天線需要超窄波束成形，超窄波束成形一方面提升了感知的角度分辨率性能，另一方面提高了波束訓(xùn)練的開(kāi)銷。因此，可以將感知信息和波束訓(xùn)練相結(jié)合，以加快波束對(duì)準(zhǔn)與跟蹤[60]，提升通信性能。在太赫茲波段，利用超大規(guī)模天線形成感知與通信多功能波束，通過(guò)分配OFDM 時(shí)頻資源和波束資源，可以根據(jù)任務(wù)的不同，靈活優(yōu)化時(shí)頻空資源，從而實(shí)現(xiàn)面向任務(wù)的波形優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從場(chǎng)景、波形設(shè)計(jì)方法、未來(lái)展望的角度總結(jié)了太赫茲通信感知一體化波形的研究。首先，本文概括了太赫茲一體化波形設(shè)計(jì)所面臨的場(chǎng)景與需求，包括感知輔助通信場(chǎng)景、感知催生的新業(yè)務(wù)場(chǎng)景等。然后，本文從體現(xiàn)通信與感知功能的太赫茲通信感知一體化波形入手，從太赫茲電磁波的傳播特點(diǎn)、太赫茲器件的特點(diǎn)、通信與感知對(duì)波形的要求等方面，分析了太赫茲通信感知一體化波形的特點(diǎn)，綜述了太赫茲通信感知一體化波形的研究現(xiàn)狀。最后，本文指出了太赫茲通信感知一體化波形的未來(lái)研究方向。