Page 20 - 网络电信2022年4月刊
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太赫兹存在功率放大器非线性、同相  /  正交（I/Q）不                    多用户传输和容量提升。
            平衡、相位噪声严重等问题。此外，当前的物理层主要是针对                              在帧结构设计中，一般循环前缀（CP）持续时间是固定
            52.6 GHz 以下频谱进行优化的，对太赫兹频段的优化比较少。                     的，并且是根据最坏情况来设计的。这会对时延扩展小的用户
            因此，太赫兹相应的器件设计优化和基带处理算法仍需要进一                          造成负面影响，这一点在时延扩展大的太赫兹通信中尤为严
            步研究。                                                 重。
                1. 波形设计                                              为此，一种解决方案是：使用内部保护间隔来替换  CP，使
                在进行太赫兹频段的波形设计时，我们应考虑太赫兹的                         保护间隔和数据  传输的总持续时间固定，同时两者的比率可
            特有性质，例如路径损耗极高、信道稀疏、时间扩展严重、延                          以灵活变动，如图4所示。内部保护间隔可以动态扩展以处理时
            迟扩散大、载波频率偏移、相位噪声高、多普勒频移扩展变大                          序未对准问题，在不影响帧持续时间的情况下，为远近用户配
            等。这对带外发射等指标提出了更高的要求。此外，我们还需                          置不同的保护间隔，从而避免符号间干扰。
            要充分考虑随距离变化的频谱窗口，以获得适用于特定传输距
            离的太赫兹波形。                                              图4 帧结构设计
                由于太赫兹频段存在信道多径扩展的特点，多载波波形仍
            是太赫兹波形设计的重点。太赫兹通信系统面临相位噪声高、
            硬件受限严重的问题。这使得能够与现有系统更兼容的正交频
            分复用（OFDM）波形具有广阔的应用前景。其中，加窗  OFDM
            采用具有平滑边缘的非矩形脉冲形状来改善  OFDM  波的频谱形
            状，带外泄露相对较低，是太赫兹频段重要的波形之一。为了
            进一步克服太赫兹多载波波形的高峰均功率比（PAPR），我们
                                                                     2. 调制编码
            可以采用选择性映射、部分传输序列和选择合适码本等方法。
                                                                     太赫兹功率放大器在饱和区工作时会产生高水平失真。高
                单载波正交幅度调制（QAM）[14]  可以降低频率偏移灵敏
                                                                 PAPR  问题在太赫兹频率内表现得尤为突出。复杂基带信号包络
            度、相位噪声和  PAPR，还可以通过频率均衡器降低信号处理的
                                                                 的缓变会降低对功率放大器的线性要求。低复杂度的低包络变
            复杂度。然而，单载波 QAM 仅适用于全带宽方案。对此，载波
                                                                 化调制是太赫兹调制的优先选择。
            聚合可能是一种解决方案，但会带来灵活性受限的问题。这是
                                                                     π/4正交相移键控（QPSK）是QPSK和偏置正交相移键控
            因为载波聚合有着更多的信令开销和更为复杂的处理过程。
                                                                 （OQPSK）的折中，它允许的最大相变为135°。经过带通滤波
                单载波离散傅里叶变换（DFT）扩 展 OFDM（DFT-s-OFDM）
                                                                 的π/4 QPSK信号的包络波动比带通QPSK信号小。π/4 QPSK 旁
            波  形  可以将单载波的低  PAPR  和多载波频域的资源灵活分配
                                                                 瓣功率衰减速率比QPSK快，并且具有更高频谱效率。此外，基于相同
            结合起来，但该方法面临着由相邻符号间过渡不连续造成的大
                                                                 设计方法的π/4二进制相移键控（BPSK）也是一种低包络变化的信号
            量带外泄漏等问题。特定码字  DFT-s-OFDM[15]  采用旁瓣较低
                                                                 调制方法。低阶调制在大带宽太赫兹通信中受到更多关注。
            的滤波器以抑制DFT-s-OFDM符号尾部泄漏。在符号尾部生成特
                                                                     太赫兹频段严重的器件损伤和相位噪声可能会给传输带来
            定码字是一种可行的太赫兹单载波波形设计方案。表2给出了几
                                                                 不利影响。因此，研究降低相位噪声影响的调制方案是十分必
            种太赫兹波形的对比分析。
                                                                 要的。振幅移相键控属于线性调制，它的星座点被限制在一组
                                                                 同心环上，对非线性失真的敏感度较低。这有利于消除功率放
             表2 太赫兹波形对比分析
                                                                 大器的非线性失真。
                                                                     针对太赫兹微尺度通信，基于上百飞秒长脉冲的通断键控
                                                                 （OOK）开关设计     [16]  是一种可行的调制方案。该方法以静默方
                                                                 式来传输逻辑0信号，使用初始化前同步码和恒定长度的数据包
                                                                 来区分静默与非静默状态，对纳米器件之间的严格同步要求较
                                                                 低，能够避免分子吸收噪声带来的干扰，有效减少高频短脉冲
                                                                 下的复杂同步过程带来的干扰。
                分析距离与太赫兹频谱窗口之间的关系对波形设计十分重                            为设计低复杂度信道编码方案，我们需要研究传输速率与
            要。由于单个频谱窗口带宽约为几十吉赫兹，因此我们可以将                          解码时间之间的权衡关系。编码方案需要充分分析太赫兹多分
            每个频谱窗口划分为一组子带来进行多宽带传输。为对抗频率                          子吸收和多径衰落，并根据网络条件动态设置最佳编码权重。
            选择性衰落并改善  SINR，子带信息符号可以通过一系列极短脉                      目前，IEEE  802.15.3e（电气与电子工程师协会标准）针对
            冲来表示。                                                252～325  GHz  的频率范围制定了前向纠错（FEC）方案，并指
                其中，极性随机化脉冲可提供更强的抗干扰能力，并有助                        出在极高数据速率下 FEC 在硬件实现中具有很大的优势。
            于优化超宽带通信的频谱形状。针对多用户场景，子带中心频                              3. 超大规模多输入多输出（UMMIMO）技术
            段将被分配给长距离和高要求的用户，子带边缘频段将被分配                              UM-MIMO  能够解决太赫兹通信距离短的问题，进而提升太
            给小区中心和低要求的用户，以保证边缘用户传输性能，实现                          赫兹通信网络的可达容量。


                                                      网络电信 二零二二年三，四月                                           27
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