太赫茲技術(shù)發(fā)展及其應用于6G的挑戰(zhàn)分析

劉利平 菅夢楠 陳藝戩

摘要：作為6G潛在技術(shù)之一，太赫茲技術(shù)對數(shù)據(jù)速率提升、超密集連接、低時延傳輸?shù)染哂蟹e極作用。首先闡述了太赫茲技術(shù)的傳播特性和信道建模方法。根據(jù)傳播特性確定了大尺度、小尺度和微尺度3個維度的太赫茲應用場景。接著，針對太赫茲特殊的頻譜特性，設計了物理層波形、調(diào)制編碼、超大規(guī)模多輸入多輸出（UM-MIMO），以及媒體接入控制（MAC）層波束管理方案。最后，關(guān)注了適用于太赫茲頻段的智能超表面（RIS）技術(shù)，探討了RIS關(guān)鍵使能技術(shù)與方案設計。

關(guān)鍵詞：太赫茲；傳播模型；應用場景；基帶處理；智能超表面

Abstract： As one of the potential technologies for 6G system， terahertz technology facilitates data-rate improvement， ultra-dense connection and low-latency transmission. The propagation characteristics and channel modeling methods of terahertz band are studied in this paper. Based on the special spectrum characteristics of terahertz， three kinds of terahertz application scenarios including macro-scale， micro-scale and nano-scale are analyzed. Then， potential schemes to design physical layer waveform， modulation and coding， ultra-massive multiple-input multiple-output （UM-MIMO）， and media access control （MAC） layer beam management in terahertz system schemes are given. Finally， the reconfigurable intelligent surface （RIS） technology is introduced which is applicable to the terahertz frequency. The key enabling technologies and solutions for RIS are discussed.

Keywords： terahertz； propagation model； application scenario； baseband signal processing； reconfigurable intelligent surface

在未來6G網(wǎng)絡中，增強現(xiàn)實、五感通信、萬物互聯(lián)等智能服務要求數(shù)據(jù)速率有千倍提升，以實現(xiàn)低時延、高可靠、可擴展的無縫連接[1]。作為6G潛在的基礎(chǔ)技術(shù)，太赫茲是指100 GHz～10 THz的頻段資源，它被業(yè)界評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一[2]。太赫茲具有連續(xù)可用的大帶寬，將有助于構(gòu)建6G短距離、高速率的傳輸系統(tǒng)，支持超高速率的數(shù)據(jù)傳輸，滿足超密集設備的連接需求，增強網(wǎng)絡連接的可靠性，并支撐高能效的終端網(wǎng)絡[3-4]。

2020年，國際電信聯(lián)盟（ITU）啟動6G研究工作。其中，太赫茲技術(shù)發(fā)展及其在6G中的應用與挑戰(zhàn)成為一個研究熱點。此外，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）將對95 GHz～3 THz進行為期10年的開放性測試；歐盟制定了Horizon計劃并已啟動多項針對太赫茲頻段的研究項目；日韓等國也相繼開展了對太赫茲器件和無線通信技術(shù)的研究[5]。太赫茲架構(gòu)的設計和相關(guān)硬件器件的研發(fā)是太赫茲技術(shù)發(fā)展的重點。由于缺乏有效的太赫茲波產(chǎn)生和檢測技術(shù)，目前業(yè)界對太赫茲的研究仍處于探索階段。本文中，我們針對太赫茲的傳輸特性、應用場景、基帶處理和相關(guān)智能超表面（RIS）技術(shù)進行分析研究。

1 太赫茲傳輸特性

如圖1所示，太赫茲處于毫米波和紅外光波之間，屬于電子和光子的過渡區(qū)域。相比于毫米波，太赫茲具有頻率更高、帶寬更大、路徑損耗大、分子吸收嚴重、漫散射豐富和波束極窄的特點。與毫米波存在寬帶波束偏移現(xiàn)象不同，太赫茲存在波束寬帶分束現(xiàn)象[5]。

1.1 傳播模型分析

頻率的提高使傳播路徑損耗明顯增大，室外通信在受到雨霧天氣影響時也會帶來額外損耗。此外，發(fā)射機功放功率低、低噪聲放大器噪聲系數(shù)高、高增益天線設計加工難度大等都極大地限制了太赫茲波的傳輸范圍。太赫茲的典型應用場景是短距離通信。通過與多天線技術(shù)結(jié)合，太赫茲可借助極窄波束來克服路徑衰落問題和擴展傳播距離。

太赫茲的波長會引起分子吸收現(xiàn)象。這是因為太赫茲波長接近灰塵、雨、雪和大氣中的氣體分子尺寸，大氣氣體造成的共振會導致特定頻段受到分子吸收的影響。在長距離的高頻傳輸中，分子吸收損耗甚至會超過傳播路徑損耗。由于水蒸氣衰減是分子吸收的主要原因之一，因此雨和云霧對太赫茲衰減的影響是不可忽略的。此外，對流層對太赫茲衰減的主要影響是折射效應[6-7]。

太赫茲波段存在的噪聲包括乘法器和混頻器的熱噪聲、振蕩器的相位噪聲，以及由分子吸收產(chǎn)生的噪聲等。由于各類分子的共振頻率不同，噪聲的功率譜密度會存在多個吸收峰值。分子吸收噪聲僅在太赫茲信號傳輸時出現(xiàn)。我們可以利用這一性質(zhì)來設計新型調(diào)制和信道編碼。分子吸收效應導致多個路徑損耗峰，這意味著會存在多個處于路徑損耗峰之間的頻譜窗口。表1分析了0.1～1.03 THz頻段的頻譜窗口及其對應的可用帶寬[3]。

隨著傳播距離的增加，頻譜窗口會變窄。為了獲得更好的傳輸性能，短距離傳輸可以使用太赫茲，而長距離傳輸則采用中低頻傳輸。針對不同頻譜窗口，我們應當充分利用衰落平坦的頻段來分段制定傳輸策略，并通過智能共享信道來實現(xiàn)對太赫茲大帶寬、非連續(xù)頻段的利用。

1.2 太赫茲信道建模

1.2.1 確定性信道模型

基于傳播理論，確定性信道模型首先需要傳播環(huán)境的詳細幾何信息，然后才可以準確地捕獲電磁波傳播以進行精確建模。

射線追蹤（RT）方法利用了幾何光學原理。太赫茲的極短波長使通過射線光學方法進行精確信道建模成為可能。太赫茲波在傳播過程中容易受到空間物體的阻擋，存在傳播衰落和分子吸收問題。如圖2所示，微粒特性使太赫茲波擁有多種傳播路徑：視距傳播（LOS）、反射、漫散射和衍射等[8-9]。與太赫茲入射波相比，低頻下的光滑表面則呈現(xiàn)出粗糙的特點。漫反射徑能量甚至超過鏡面反射徑能量。在散射測量中我們可以觀察到反向散射波瓣。

時域有限差分（FDTD）方法能夠借助數(shù)值方式來求解麥克斯韋方程，并且使用迭代方式來更新模擬區(qū)域。這種方法不僅可以很好地解決太赫茲中粗糙表面帶來的復雜漫散射問題，還可以對小范圍場景進行建模。然而，為了準確捕獲太赫茲傳播的幾何特征，F(xiàn)DTD方法除了需要應對極高的計算復雜度外，還需要確定材料特性，開發(fā)3D RT模擬器，分析時變特性等。

1.2.2 統(tǒng)計信道模型

統(tǒng)計信道建模方法通過隨機分布對信道參數(shù)進行建模。常用的參數(shù)包括路徑增益、到達方向、延遲、路徑衰減和耦合等。該類方法借助經(jīng)驗信道測量的統(tǒng)計方式對太赫茲信道進行建模，避免了確定性信道建模的高計算復雜度。對此，一種廣泛應用的處理方法為：用抽頭延遲線公式來表征無線傳輸，并為路徑參數(shù)（如到達角方向、到達時間和復路徑增益）指定統(tǒng)計分布。統(tǒng)計信道建模需要滿足時間展寬效應分析、群集行為建模、時空聯(lián)合建模等要求。

1.2.3 混合信道模型

混合信道建模方法是確定性方法和統(tǒng)計方法的組合，旨在尋求準確性和復雜度之間的平衡。其中，隨機分布和射線追蹤混合方法（SSRTH）隨機放置散射體，并使用RT技術(shù)對多徑傳播進行跟蹤和建模，以構(gòu)建基于幾何的隨機信道模型；RT-FDTD混合方法使用FDTD來分析靠近復雜不連續(xù)點的區(qū)域，同時使用RT方法來跟蹤區(qū)域中不包含的射線，以解決RT方法在復雜不連續(xù)點區(qū)域中的不準確問題。如何實現(xiàn)在FDTD和RT方法之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換并融合邊界結(jié)果是當前亟待解決的問題。

2 太赫茲應用場景

未來6G網(wǎng)絡中太赫茲系統(tǒng)的可能應用包括無線通信、認知、傳感、成像、定位和導航等，如圖3所示。本節(jié)將重點分析太赫茲技術(shù)在未來6G無線通信中的應用場景。

2.1 大尺度應用場景

太赫茲可應用于傳輸距離大于100 m的室外場景，包括回傳/前傳鏈路、太空應用、車載網(wǎng)絡等。由于室外太赫茲傳播容易受到水蒸氣、雨、云霧等因素的影響，因此在設計時需要預留額外的鏈路增益。

超密集網(wǎng)絡部署和多點傳輸協(xié)作驅(qū)動大容量無線回程鏈路的發(fā)展。因此，太赫茲無線回傳應運而生。國際移動通信（IMT）2020和下一代通信系統(tǒng)都要求前傳鏈路的傳輸容量必須遠大于10 Gbit/s，而太赫茲可以很好地滿足這一要求。由于存在極高的傳輸損耗和器件限制，因此太赫茲在應用于室外回傳/前傳等時需要配備高增益指向性天線。

未來車與車、車與基礎(chǔ)設施通信的大帶寬連接，要求無人駕駛汽車具有實時信息服務和數(shù)據(jù)批量下載的能力。雖然太赫茲是支持車載網(wǎng)絡通信的可靠技術(shù)，但它仍需要滿足車輛調(diào)度、自主鏈路建立、區(qū)域間車輛控制切換、地圖規(guī)劃，以及太赫茲頻譜的有效利用等需求。

為了滿足空間通信網(wǎng)絡的需求，我們可以使用太赫茲頻譜資源以獲得超高數(shù)據(jù)速率和較低能耗。將太赫茲應用于僅考慮自由空間損耗的衛(wèi)星應用場景[10]可以擺脫分子衰落等因素帶來的衰減，并擴大可連續(xù)利用的頻譜帶寬。盡管如此，太赫茲目前仍然面臨著高增益極窄定向波束難以對準的問題。

2.2 小尺度應用場景

小尺度應用場景是指太赫茲技術(shù)在1～100 m傳播距離的應用場景。

太赫茲頻段通信可用于6G蜂窩小區(qū)，在10 m的覆蓋范圍內(nèi)能夠提供超高速率的數(shù)據(jù)通信，并實現(xiàn)超高速有線網(wǎng)絡與無線設備之間的無縫連接。此外，太赫茲還適用于室內(nèi)和室外場景，可以支持靜態(tài)和移動用戶通信。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心面臨著復雜度、可靠性、功耗、維護成本、空間占用等多方面的挑戰(zhàn)。引入無線太赫茲鏈路，并在數(shù)據(jù)中心內(nèi)提供可重新配置的路由，可以增強系統(tǒng)的靈活性，并在不減少帶寬的情況下降低布線成本。

太赫茲在實現(xiàn)超高速有線網(wǎng)絡與個人無線設備之間的無縫高速互連時，能夠提供太比特無線局域網(wǎng)（WLAN）、高清全息視頻會議等服務[11]。無線個域網(wǎng)（WPAN）可以通過太赫茲建立附近設備間的太比特每秒鏈路，在室內(nèi)桌面等范圍支持個人設備之間的超高速率數(shù)據(jù)傳輸。

在小尺度應用場景中，太赫茲通信可以實現(xiàn)超寬帶安全通信鏈路，相關(guān)應用主要包括無人爆炸物探測、有毒氣體檢測、雷達通信和極窄波束防竊聽等。

2.3 微尺度應用場景

通信距離小于1 m的微尺度通信是太赫茲通信的特色應用，它可以有效避免由太赫茲波段高路徑衰減和分子衰減帶來的負面影響。

自助服務機（KIOSK）系統(tǒng)要求終端具有高速率數(shù)據(jù)傳輸能力。KIOSK可以將大量數(shù)據(jù)下載到用戶終端，并在火車站、購物中心等公共區(qū)域提供服務。用戶與自助服務終端之間的距離通常小于10 cm。在進行微尺度通信時，太赫茲需要滿足近距離傳輸范圍和點對點（P2P）網(wǎng)絡拓撲要求。

高速太赫茲無線鏈路可以連接多個印制電路板（PCB），也可以連接設備內(nèi)部同一PCB上的芯片。通過平面納米天線，太赫茲可以實現(xiàn)無線片上網(wǎng)絡的可擴展形式，創(chuàng)建超高速鏈路，以滿足面積受限和通信密集片上場景的嚴格要求[12]。

由于太赫茲波長與分子尺寸接近，我們可以通過納米傳感器來監(jiān)測膽固醇、癌癥生物標志物等，還可以通過構(gòu)造納米傳感器網(wǎng)絡來收集有關(guān)用戶的健康數(shù)據(jù)。通過納米傳感器與微型設備之間的無線接口，可以實現(xiàn)健康數(shù)據(jù)的上報[13]。與伽馬射線等健康檢測方法相比，太赫茲健康監(jiān)測具有更高的安全性。

3 太赫茲基帶處理算法

太赫茲存在功率放大器非線性、同相/正交（I/Q）不平衡、相位噪聲嚴重等問題。此外，當前的物理層主要是針對52.6 GHz以下頻譜進行優(yōu)化的，對太赫茲頻段的優(yōu)化比較少。因此，太赫茲相應的器件設計優(yōu)化和基帶處理算法仍需要進一步研究。

3.1 波形設計

在進行太赫茲頻段的波形設計時，我們應考慮太赫茲的特有性質(zhì)，例如路徑損耗極高、信道稀疏、時間擴展嚴重、延遲擴散大、載波頻率偏移、相位噪聲高、多普勒頻移擴展變大等。這對帶外發(fā)射等指標提出了更高的要求。此外，我們還需要充分考慮隨距離變化的頻譜窗口，以獲得適用于特定傳輸距離的太赫茲波形。

由于太赫茲頻段存在信道多徑擴展的特點，多載波波形仍是太赫茲波形設計的重點。太赫茲通信系統(tǒng)面臨相位噪聲高、硬件受限嚴重的問題。這使得能夠與現(xiàn)有系統(tǒng)更兼容的正交頻分復用（OFDM）波形具有廣闊的應用前景。其中，加窗OFDM采用具有平滑邊緣的非矩形脈沖形狀來改善OFDM波的頻譜形狀，帶外泄露相對較低，是太赫茲頻段重要的波形之一。為了進一步克服太赫茲多載波波形的高峰均功率比（PAPR），我們可以采用選擇性映射、部分傳輸序列和選擇合適碼本等方法。

單載波正交幅度調(diào)制（QAM）[14]可以降低頻率偏移靈敏度、相位噪聲和PAPR，還可以通過頻率均衡器降低信號處理的復雜度。然而，單載波QAM僅適用于全帶寬方案。對此，載波聚合可能是一種解決方案，但會帶來靈活性受限的問題。這是因為載波聚合有著更多的信令開銷和更為復雜的處理過程。

單載波離散傅里葉變換（DFT）擴展OFDM（DFT-s-OFDM）波形可以將單載波的低PAPR和多載波頻域的資源靈活分配結(jié)合起來，但該方法面臨著由相鄰符號間過渡不連續(xù)造成的大量帶外泄漏等問題。特定碼字DFT-s-OFDM[15]采用旁瓣較低的濾波器以抑制DFT-s-OFDM符號尾部泄漏。在符號尾部生成特定碼字是一種可行的太赫茲單載波波形設計方案。表2給出了幾種太赫茲波形的對比分析。

分析距離與太赫茲頻譜窗口之間的關(guān)系對波形設計十分重要。由于單個頻譜窗口帶寬約為幾十吉赫茲，因此我們可以將每個頻譜窗口劃分為一組子帶來進行多寬帶傳輸。為對抗頻率選擇性衰落并改善SINR，子帶信息符號可以通過一系列極短脈沖來表示。其中，極性隨機化脈沖可提供更強的抗干擾能力，并有助于優(yōu)化超寬帶通信的頻譜形狀。針對多用戶場景，子帶中心頻段將被分配給長距離和高要求的用戶，子帶邊緣頻段將被分配給小區(qū)中心和低要求的用戶，以保證邊緣用戶傳輸性能，實現(xiàn)多用戶傳輸和容量提升。

在幀結(jié)構(gòu)設計中，一般循環(huán)前綴（CP）持續(xù)時間是固定的，并且是根據(jù)最壞情況來設計的。這會對時延擴展小的用戶造成負面影響，這一點在時延擴展大的太赫茲通信中尤為嚴重。為此，一種解決方案是：使用內(nèi)部保護間隔來替換CP，使保護間隔和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偝掷m(xù)時間固定，同時兩者的比率可以靈活變動，如圖4所示。內(nèi)部保護間隔可以動態(tài)擴展以處理時序未對準問題，在不影響幀持續(xù)時間的情況下，為遠近用戶配置不同的保護間隔，從而避免符號間干擾。

3.2 調(diào)制編碼

太赫茲功率放大器在飽和區(qū)工作時會產(chǎn)生高水平失真。高PAPR問題在太赫茲頻率內(nèi)表現(xiàn)得尤為突出。復雜基帶信號包絡的緩變會降低對功率放大器的線性要求。低復雜度的低包絡變化調(diào)制是太赫茲調(diào)制的優(yōu)先選擇。

π/ 4正交相移鍵控（QPSK）是QPSK和偏置正交相移鍵控（OQPSK）的折中，它允許的最大相變?yōu)?35°。經(jīng)過帶通濾波的π/ 4 QPSK信號的包絡波動比帶通QPSK信號小。π/ 4 QPSK旁瓣功率衰減速率比QPSK快，并且具有更高頻譜效率。此外，基于相同設計方法的π/ 4二進制相移鍵控（BPSK）也是一種低包絡變化的信號調(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。

太赫茲頻段嚴重的器件損傷和相位噪聲可能會給傳輸帶來不利影響。因此，研究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，它的星座點被限制在一組同心環(huán)上，對非線性失真的敏感度較低。這有利于消除功率放大器的非線性失真。

針對太赫茲微尺度通信，基于上百飛秒長脈沖的通斷鍵控（OOK）開關(guān)設計[16]是一種可行的調(diào)制方案。該方法以靜默方式來傳輸邏輯0信號，使用初始化前同步碼和恒定長度的數(shù)據(jù)包來區(qū)分靜默與非靜默狀態(tài)，對納米器件之間的嚴格同步要求較低，能夠避免分子吸收噪聲帶來的干擾，有效減少高頻短脈沖下的復雜同步過程帶來的干擾。

為設計低復雜度信道編碼方案，我們需要研究傳輸速率與解碼時間之間的權(quán)衡關(guān)系。編碼方案需要充分分析太赫茲多分子吸收和多徑衰落，并根據(jù)網(wǎng)絡條件動態(tài)設置最佳編碼權(quán)重。目前，IEEE 802.15.3e（電氣與電子工程師協(xié)會標準）針對252～325 GHz的頻率范圍制定了前向糾錯（FEC）方案，并指出在極高數(shù)據(jù)速率下FEC在硬件實現(xiàn)中具有很大的優(yōu)勢。

3.3 超大規(guī)模多輸入多輸出（UMMIMO）技術(shù)

UM-MIMO能夠解決太赫茲通信距離短的問題，進而提升太赫茲通信網(wǎng)絡的可達容量。

表面等離極化激元（SPP）波屬于受限電磁波，它常出現(xiàn)在金屬和電介質(zhì)間由電荷的整體振蕩產(chǎn)生的界面上，其波長遠小于自由空間波長。石墨烯SPP波通常適用于頻率高于1 THz的通信場景。等離子體超材料天線在100 GHz～1 THz頻段下可能會替代傳統(tǒng)天線。SPP波在石墨烯中的傳播特性取決于結(jié)構(gòu)尺寸和費米能量。動態(tài)調(diào)整限制因子能夠使天線陣列諧振頻率可調(diào)。

在UM-MIMO波束賦形中，大量納米天線集成為小尺度陣列，同時高增益窄波束指向最強的傳播路徑，以補償極高的路徑衰減。在太赫茲波段，基于碼本的混合波束賦形策略是可能的解決方案之一。該方案的過程大致包括：首先選擇傳輸窗口，進行預掃描和用戶分組，然后進行距離感知多載波傳輸，精確模擬波束賦形，最后選擇天線子陣列，進行功率分配和混合波束成形。

在UM-MIMO空間復用中，我們可以將超大規(guī)模天線陣列劃分為不同的子陣列。子陣列的數(shù)量、天線元素數(shù)目、星座圖之間的權(quán)衡都有助于實現(xiàn)不同的傳輸目標。在短距離通信時，天線元素級空間復用更有優(yōu)勢。在長距離傳輸時，子陣列的數(shù)量需要根據(jù)實際需求來配置。基于空域太赫茲信道存在多條不相關(guān)傳播路徑的特點，通過空間多路復用可以提高用戶數(shù)據(jù)的傳輸速率。

利用太赫茲傳輸多窗口可以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量。等離子體納米天線陣列的諧振頻率可調(diào)性使多傳輸窗口的協(xié)同應用成為可能。這種方法的基本思路是：首先以虛擬方式將納米天線陣列分成多個子陣列，然后獨立地調(diào)整每個子陣列元素的動態(tài)復電導率，以使子陣列元素在不同的中心頻率上工作，最后通過選擇特定元素或交錯方式來創(chuàng)建不同頻率的虛擬子陣列[17]。

3.4 波束管理

太赫茲波長短的特點使得在小面積內(nèi)集成大量天線成為可能。雖然太赫茲波束極窄，但容易產(chǎn)生波束指向誤差。由于射頻鏈路數(shù)量受限且太赫茲器件不成熟，因此部分具有混合波束賦形的連接結(jié)構(gòu)更具有潛力。

太赫茲信道具有天然稀疏特性，可以通過兩步波束子集優(yōu)化和線性波束搜索來減少搜索空間。對此，一種可行的方案為：通過壓縮感知等稀疏信號處理方法來減少波束選擇的訓練負擔。具有較低復雜度的正交匹配追蹤（OMP）算法、近似消息傳遞（AMP）算法都是候選方法。在波束極窄的情況下，原子范數(shù)超分辨率壓縮感知的方法[18]能夠提升波束訓練性能。此外，數(shù)據(jù)驅(qū)動波束選擇方法可以降低波束管理的復雜度。數(shù)據(jù)模型雙驅(qū)動的深度學習方法可以將無線傳輸模型和深度學習的優(yōu)點進一步結(jié)合，是一種待挖掘的波束訓練方法。

用戶的移動性會導致太赫茲波束空間發(fā)生快速變化。因此，利用時變信道時間相關(guān)性的信道追蹤方法是研究方向之一?；谙闰炐畔⒌牟ㄊ粉櫡桨竿ㄟ^實際用戶運動模型，來挖掘基站與用戶之間的物理方向時間變化規(guī)律，并利用先前時隙中獲得的波束空間信道來預測時變波束空間信道。智能波束追蹤方案[19]借助機器學習的訓練和預測過程，并利用過去信道狀態(tài)信息（CSI）來有效地預測未來波束方向和用戶CSI，使波束追蹤精度得到進一步提升。

由于太赫茲信號衰減嚴重且衍射能力較弱，因此太赫茲出現(xiàn)阻塞的概率遠高于毫米波波段。對此，我們可以采用基站間協(xié)作的方案來應對波束阻塞。越區(qū)切換和阻塞預測是這種方案的主要手段。該方案構(gòu)造序列標記并解決相關(guān)問題，利用監(jiān)督學習等方法來獲取阻塞發(fā)生時下一次最可能切換的基站信息，以防止由阻塞導致的突然鏈路斷開。太赫茲信道的多徑特性使得波束間協(xié)作成為解決波束阻塞問題的另一種思路?；谶@種思路的方案可以建立針對LOS和（非視距傳播）NLOS路徑的波束對列表。當檢測到堵塞時，系統(tǒng)將首先選擇一個新波束對，然后立即進行切換。RIS的引入不僅使得改變傳輸環(huán)境和獲得期望路徑成為可能，還使波束協(xié)調(diào)方案的可行性得到進一步提升。當多個RIS協(xié)同工作時，可靠傳輸波束對將獲得進一步增強。這使得波束協(xié)同方案在解決波束阻塞問題時更加具有吸引力。

4 RIS技術(shù)

無線信道是一種不可控的隨機連接，本身具有一定的不可靠性。此外，環(huán)境通常也會對通信效率產(chǎn)生負面影響。隨著智能無線電磁環(huán)境概念的提出，控制無線環(huán)境成為超越傳統(tǒng)通信的可行方法。這為無線通信系統(tǒng)增加了新的自由度。

RIS由特殊設計的超材料單元按照一定規(guī)則排列組成，是一種具有可編程電磁特性的二維薄層人工電磁表面。改變RIS陣子的電磁特性可以控制無線電波的散射、反射和折射，克服多徑衰落和自然環(huán)境無線傳播的負面影響。無需復雜的編譯碼和射頻處理，RIS技術(shù)就可實現(xiàn)對入射電磁波的定向反射，并形成振幅、相位、頻率可控的電場。

全球有不少高校和企業(yè)開展了對RIS技術(shù)的研究工作。例如，東南大學崔鐵軍院士團隊和麻省理工大學H. BALAKRISHNAN教授團隊等均對基于RIS的6G超大規(guī)模無線發(fā)射機、新型無線中繼、智能電磁墻等新應用展開了深入研究[20-22]。歐洲遠程教學創(chuàng)作與銷售網(wǎng)聯(lián)盟（ARIADNE）正在通過RIS先進連接技術(shù)來探究100 GHz以上的D波段頻率。

4.1 RIS優(yōu)勢分析

RIS技術(shù)不僅具有低成本、大面積、易部署、連續(xù)表面、強兼容性、全雙工的優(yōu)點，還具有頻譜效率增強、無源被動反射和全頻段工作的突出特點[23]。將RIS應用于太赫茲頻段是未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。

太赫茲信號容易受到阻擋物干擾，同時嚴重的分子吸收和路損衰減會影響太赫茲信號的可靠性。對此，RIS能夠通過重新配置無線傳播環(huán)境來補償功率損耗，以克服非視距限制，進而構(gòu)建智能可控的無線環(huán)境。RIS技術(shù)可以顯著增加復用層數(shù)和容量，提高異構(gòu)網(wǎng)絡的服務質(zhì)量，改善移動邊緣計算的網(wǎng)絡延遲性能。

將RIS密集地分布在室內(nèi)和室外空間中會對太赫茲覆蓋空洞產(chǎn)生積極作用。具體來說，RIS可以在用戶與服務基站（或接入點）之間創(chuàng)建虛擬視線鏈接，以克服局部空洞問題，改善惡劣的傳播環(huán)境。這種方法具有低成本和環(huán)境友好的優(yōu)點。

太赫茲衰減嚴重的缺點限制了其覆蓋范圍，這使太赫茲面臨小區(qū)邊緣用戶服務差和多小區(qū)同頻干擾的問題。對此，我們可以將RIS部署在小區(qū)邊緣，通過被動波束賦形來提高目標信號功率并抑制干擾，進而實現(xiàn)覆蓋范圍擴大和動態(tài)用戶追蹤。

對希望降低電磁干擾的場景（如醫(yī)院、機場等），RIS不僅可以通過智能控制無線環(huán)境來控制多徑，還可以通過有效干擾控制來降低電磁輻射水平。作為發(fā)射機應用時，RIS可以降低對射頻鏈路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）的高需求。這將有助于應對目前太赫茲面臨的硬件技術(shù)難題。

此外，RIS還可用于太赫茲頻段的定位、感知，以及其他新場景。RIS的極大陣子數(shù)目可以顯著提高空間分辨率，從而獲得超高定位精度[24-25]。例如，RIS不僅可以用于無人機太赫茲通信，提升無人機網(wǎng)絡性能，還可以用于增強太赫茲物聯(lián)網(wǎng)場景，構(gòu)建智能無線傳感器網(wǎng)絡。

4.2 RIS關(guān)鍵技術(shù)分析

RIS引入了從基站到RIS、從RIS到用戶的分段信道，具有不同于大規(guī)模MIMO的信道特征。根據(jù)實際網(wǎng)絡的幾何結(jié)構(gòu)、超表面面積和工作波長等，RIS包括近場工作模式和遠場工作模式[26]。這兩種工作模式的信道具有不同的特征。這給RIS信道的表征與簡化帶來了新的挑戰(zhàn)。雙偏振反向散射信道模型和空間散射信道模型是RIS常用的模型。從發(fā)射機到RIS，再到接收機，這一過程的路徑損耗非常高。對這一損耗進行合理建模是十分必要的。

獲取RIS與收發(fā)機之間的信道狀態(tài)信息對基站主動波束賦形、RIS被動波束賦形、安全傳輸，以及被動信息傳輸?shù)戎陵P(guān)重要。被動RIS不具備信號處理能力，且單元數(shù)量多導致下行鏈路反饋開銷巨大。這可能會導致I/Q不均衡、相位噪聲、放大器非線性等問題。因此，設計反饋開銷友好的魯棒信道估計方案是非常有必要的。由于太赫茲信道散射徑比較豐富，并且受分子吸收影響嚴重，因此在設計信道估計算法時需要對此加以考慮。太赫茲信道稀疏特性為信道估計帶來了便利。信道缺秩、雙結(jié)構(gòu)化稀疏等性質(zhì)可以用來進行低導頻開銷的信道估計。同時，RIS分塊[27]、信道估計和波束匹配協(xié)同方案可以適配更實際的應用場景。

RIS獨特的可編程特性為波束賦形提供了極大的便利。信道的分段特性需要對基站的主動波束賦形和RIS的被動波束賦形進行聯(lián)合設計。對此，基本的處理思路為：從信號處理的角度出發(fā)，將波束賦形設計問題轉(zhuǎn)化為特定目標的優(yōu)化問題，如使接收功率和數(shù)據(jù)速率達到最大化，使發(fā)射功率達到最小化等。此外，基于數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模型雙驅(qū)動的人工智能為RIS無線通信波束賦形的設計帶來了新的處理方法。降維與分塊是衡量波束賦形精度和計算復雜度的有效方法。集中式和分布式RIS部署與組網(wǎng)設計是下一步的研究方向。

5 結(jié)束語

探索新頻段是6G研究的重點方向。隨著新場景的引入和垂直行業(yè)的發(fā)展，探索太赫茲頻段的高效利用方式顯得愈加重要。探究太赫茲特殊頻段特性、設計太赫茲基帶處理算法、研究太赫茲與其他新技術(shù)的結(jié)合、發(fā)展新一代超高速率通信系統(tǒng)都是未來研究的重點。

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作者簡介

劉利平，中興通訊股份有限公司無線軟件算法研發(fā)中心副主任；負責4G/5G無線基帶系統(tǒng)方案的設計和開發(fā)工作，具有10余年無線通信技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗；擁有多項蜂窩移動通信授權(quán)專利。

菅夢楠，中興通訊股份有限公司無線算法部技術(shù)預研工程師；主要研究領(lǐng)域為6G技術(shù)預研；發(fā)表論文8篇。

陳藝戩，中興通訊股份有限公司技術(shù)預研資深專家、青年領(lǐng)軍人才、深圳市地方級領(lǐng)軍人才；主要研究領(lǐng)域為6G技術(shù)預研；發(fā)表論文10篇，獲授權(quán)專利50項。