感知協(xié)同太赫茲多天線移動(dòng)通信：原理、現(xiàn)狀與展望*

范玉衡，楊闖，彭木根

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

0 引言

隨著智能設(shè)備接入數(shù)量的飛速增長(zhǎng)、用戶傳輸速率需求不斷提升，傳統(tǒng)sub-6G 的頻譜資源已不能滿足未來(lái)移動(dòng)通信巨容量、超高速率的需求[1]。短缺的頻譜資源成為制約移動(dòng)通信發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。近年來(lái)，以毫米波、太赫茲為代表的高頻段傳輸技術(shù)被認(rèn)為是解決頻譜資源枯竭問(wèn)題的有效手段[2]。相較于毫米波，太赫茲頻段位于0.1 THz～10 THz，帶寬更大，能夠?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)提供幾十GHz 的帶寬資源，支撐未來(lái)超100 Gbps 的空口無(wú)線信號(hào)傳輸[3]。太赫茲能夠應(yīng)用于未來(lái)數(shù)字孿生[4]，6G 車(chē)聯(lián)網(wǎng)[5]，高速保密抗擾通信[6]，無(wú)線骨干網(wǎng)[7]等多種場(chǎng)景，具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

但太赫茲無(wú)線傳輸過(guò)程存在較大的自由空間損耗和強(qiáng)烈的大氣分子吸收[8]，嚴(yán)重制約通信距離。基于大規(guī)模多入多出（Massive MIMO,Massive Multiple-Input Multiple-Output）的波束賦形技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高增益且方向可調(diào)控的窄波束傳輸[9]，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲遠(yuǎn)距離移動(dòng)通信，支撐6G 業(yè)務(wù)場(chǎng)景。然而，移動(dòng)通信中窄波束容易失準(zhǔn)，使得通信鏈路容量急劇下降，甚至導(dǎo)致鏈路中斷[10]。

近年來(lái)，隨著通信感知一體化（ISAC,Integrated Sensing and Communications）技術(shù)的不斷發(fā)展，感知協(xié)同的多天線技術(shù)已成為當(dāng)前太赫茲移動(dòng)通信的關(guān)鍵解決方案[11]。通過(guò)賦予通信系統(tǒng)內(nèi)生感知能力，太赫茲多天線通信系統(tǒng)能實(shí)時(shí)獲取波束特性、用戶位置與移動(dòng)性等信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通信波束的實(shí)時(shí)調(diào)整，極大釋放了太赫茲超高速、巨容量移動(dòng)通信的潛力。

本文首先介紹了太赫茲多天線移動(dòng)通信的基本原理，分析了用戶移動(dòng)對(duì)太赫茲窄波束通信的重要影響。介紹快速、微弱與控制系統(tǒng)操作下的3 種用戶移動(dòng)模型，分析不同場(chǎng)景中存在的波束失準(zhǔn)現(xiàn)象及其特征。然后綜述當(dāng)前感知協(xié)同太赫茲多天線移動(dòng)通信技術(shù)的解決方案，詳細(xì)闡述相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與特征。最后結(jié)合當(dāng)前太赫茲波束追蹤應(yīng)用難題、太赫茲頻段器件特性、通信感知一體化波形設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，對(duì)感知協(xié)同太赫茲多天線移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)行未來(lái)展望。

1 太赫茲多天線移動(dòng)通信原理

如圖1 所示，與傳統(tǒng)頻段單天線移動(dòng)系統(tǒng)主要通過(guò)發(fā)射電磁信號(hào)對(duì)用戶區(qū)域進(jìn)行覆蓋不同，太赫茲多天線移動(dòng)通信系統(tǒng)通過(guò)多天線同時(shí)發(fā)射電磁信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)波束的調(diào)控。

圖1 太赫茲多天線移動(dòng)通信系統(tǒng)模型

圖2 為太赫茲多天線移動(dòng)通信系統(tǒng)模型，通過(guò)調(diào)整數(shù)字預(yù)編碼和太赫茲前端的移相器至賦形角度θ的整數(shù)倍，可實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)用戶的波束追蹤。其中，數(shù)字預(yù)編碼和移相器設(shè)置取決于信道估計(jì)結(jié)果。以上行鏈路的多用戶大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)為例[12]，假定Nr為基站配備天線數(shù)，Nt為單天線用戶數(shù)，則此時(shí)信道矩陣可以表示為H∈CNr×Nt。在此信道下基站側(cè)的接收信號(hào)y∈CNr×1可以表示為：

圖2 太赫茲多天線移動(dòng)通信系統(tǒng)模型

其中x∈CNt×1為發(fā)送信號(hào)，w為加性高斯白噪聲。太赫茲移動(dòng)通信信道H可以僅考慮視距方向上的通信信道，進(jìn)而將常用的Saleh–Valenzuela 信道模型可以簡(jiǎn)化為：

其中α為用戶導(dǎo)向矢量，對(duì)于用戶k∈[1,Nt]，基站Nr天線上的接收信號(hào)滿足α(θk)=[e-j2πθkm]m∈{0,…,Nr-1}，θk為第k個(gè)用戶對(duì)應(yīng)的波達(dá)角。β為傳輸中的信號(hào)衰弱，其主要由三部分決定[13]：

其中βl為傳輸路徑損耗，βf為多徑帶來(lái)的衰弱，βp為波束不對(duì)準(zhǔn)帶來(lái)的能量損失。

在太赫茲移動(dòng)通信中，由于符號(hào)周期短，在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)用戶位置變化小、多徑效應(yīng)弱，路徑損耗與多徑衰弱可被作與時(shí)間無(wú)關(guān)的系數(shù)，太赫茲通信時(shí)變性主要由波束角度偏差βp(t)決定。對(duì)于如圖3 所示的波束偏差，其能量損失如下[13]:

圖3 太赫茲波束失準(zhǔn)示意圖

其中r(t)為波束中心距離，A0為波束完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)的能量系數(shù)，weq為由通信雙方發(fā)射、接收波束寬度wd,a共同決定的等效波束寬度。由于太赫茲多天線通信波束極窄，容易發(fā)生波束失準(zhǔn)，導(dǎo)致接收信號(hào)能量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的衰弱。因此太赫茲多天線移動(dòng)通信中必須對(duì)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)的波束追蹤。

傳統(tǒng)對(duì)于用戶的多天線波束追蹤方案主要有兩種。一類是基于波束訓(xùn)練的方案，通過(guò)預(yù)先設(shè)置所有可能的波束方向，每次從中挑選部分波束進(jìn)行配對(duì)，檢測(cè)當(dāng)前信號(hào)峰值，從而實(shí)現(xiàn)通信波束的選擇[14,15]。但此類方法通常需要大量的導(dǎo)頻開(kāi)銷，且在太赫茲窄波束條件下，碼本復(fù)雜度極高，難以直接運(yùn)用。此外可以通過(guò)對(duì)上行鏈路反饋進(jìn)行信道估計(jì)獲取信道狀態(tài)信息，基于高斯-馬爾可夫模型預(yù)測(cè)信道狀態(tài)并實(shí)時(shí)調(diào)整波束方向，實(shí)現(xiàn)波束追蹤[16,17]，但由于模型要求信道隨機(jī)性高、時(shí)變性低，具有強(qiáng)烈統(tǒng)計(jì)特征。這一類方案不適用于空間稀疏、確定性強(qiáng)、高時(shí)變的太赫茲信道。

近年來(lái)，新興的感知協(xié)同技術(shù)，具備破解太赫茲波束追蹤的潛力[18]。太赫茲波束窄，能夠獲取高精度的感知數(shù)據(jù)，一方面可以利用感知信息實(shí)現(xiàn)用戶的預(yù)測(cè)和鎖定。另一方面基于感知先驗(yàn)信息也能夠很好輔助通信中快速信道估計(jì)與高效預(yù)編碼任務(wù)，極大降低太赫茲波束追蹤系統(tǒng)復(fù)雜度。上述優(yōu)勢(shì)使得感知協(xié)同的多天線技術(shù)成為了當(dāng)前太赫茲頻段波束追蹤的研究熱點(diǎn)。因此本文首先綜述基于感知協(xié)同太赫茲多天線通信中常見(jiàn)的用戶移動(dòng)建模，而后綜述感知協(xié)同太赫茲多天線移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，最后展望未來(lái)的發(fā)展方向。

2 太赫茲多天線通信用戶移動(dòng)模型

在太赫茲多天線移動(dòng)通信中，用戶移動(dòng)是波束偏差和鏈路中斷的關(guān)鍵因素。用戶移動(dòng)主要分為2 類：（1）快速移動(dòng)[19-22]。與傳統(tǒng)sub-6G 頻段類似，用戶運(yùn)動(dòng)可能引起視距方向上太赫茲鏈路的阻塞，從而導(dǎo)致通信速率的下降，甚至是中斷；（2）微弱移動(dòng)。由于太赫茲頻段波束極窄，用戶微弱的轉(zhuǎn)動(dòng)和抖動(dòng)會(huì)引起信道特性發(fā)生劇烈變化，從而影響通信質(zhì)量[23]。其中，快速移動(dòng)具有高度運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，可以進(jìn)行確定性建模和分析。而微弱運(yùn)動(dòng)的分析相對(duì)困難，當(dāng)前主要基于隨機(jī)移動(dòng)理論進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)建模[24]。

此外，還有部分研究將用戶移動(dòng)視作由控制系統(tǒng)決定的變量，提出了基于控制學(xué)理論的太赫茲移動(dòng)通信模型[25]。

2.1 用戶快速移動(dòng)模型

由于太赫茲多天線波束極窄，且太赫茲存在嚴(yán)重路徑傳輸損耗，主要考慮視距方向上的通信。因此在用戶快速移動(dòng)模型中，僅考慮角度上的對(duì)準(zhǔn)，常將運(yùn)動(dòng)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為角域運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行確定性研究。

如圖4 所示，勻速直線模型是運(yùn)動(dòng)學(xué)基本模型，可以表征通信時(shí)隙間隔短的太赫茲用戶移動(dòng)[19]。依據(jù)連續(xù)時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的幾何學(xué)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以得到角域運(yùn)動(dòng)的遞推模型：

圖4 太赫茲多天線移動(dòng)通信用戶勻速直線運(yùn)動(dòng)模型

其中，T是通信時(shí)隙間隔；θ為當(dāng)前物體實(shí)際方向；λt為運(yùn)動(dòng)角速度；ψt為實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)速度方向，可以通過(guò)前后三個(gè)連續(xù)時(shí)刻的角度確定。

近年來(lái)隨著太赫茲被用于高速空天通信，許多復(fù)雜非線性運(yùn)動(dòng)模型也被提出用于高速場(chǎng)景下的太赫茲移動(dòng)通信建模。文獻(xiàn)[20]中考慮了衛(wèi)星與飛行航空器之間的非線性運(yùn)動(dòng)模型；文獻(xiàn)[21]中考慮了無(wú)人機(jī)之間復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的模型。此外針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中的太赫茲通信，文獻(xiàn)[22]研究了高速軌道交通場(chǎng)景下太赫茲通信，在線性運(yùn)動(dòng)中考慮了不可忽略的列車(chē)長(zhǎng)度。上述模型均是在勻速直線運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行模型修正，能夠更好地適應(yīng)于實(shí)際場(chǎng)景下的太赫茲移動(dòng)通信。

2.2 用戶微弱移動(dòng)模型

除了用戶快速移動(dòng)導(dǎo)致的容量損失和鏈路中斷外，用戶的抖動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致太赫茲多天線通信信道產(chǎn)生不理想特性。在實(shí)際研究中，由于小尺度微觀運(yùn)動(dòng)難以使用動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行確定性分析，因此多采用統(tǒng)計(jì)學(xué)模型描述其特性。

文獻(xiàn)[23]提出使用布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)太赫茲微弱的隨機(jī)移動(dòng)進(jìn)行建模?？紤]如圖5 所示的太赫茲波束對(duì)準(zhǔn)模型，基站與用戶之間的中心偏移誤差Δx,Δy，角度偏移誤差Δφ,Δθ。假定初始時(shí)刻波束是對(duì)準(zhǔn)的，可利用布朗隨機(jī)移動(dòng)方程對(duì)波束移動(dòng)進(jìn)行建模：

圖5 基于隨機(jī)移動(dòng)理論的太赫茲多天線微弱移動(dòng)模型

其中，c(x,t) 為波束中心在t時(shí)刻位于x坐標(biāo)的概率，Dx為與波束運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)的失準(zhǔn)偏移系數(shù)。若此時(shí)設(shè)定產(chǎn)生衰弱的集合邊界為MXY，由此可以求得發(fā)生衰弱時(shí)間的概率密度為：

進(jìn)一步可以得到其概率分布函數(shù)Fx(t)，其余變量類似可得。聯(lián)合各參數(shù)，可得到多個(gè)參數(shù)變量的聯(lián)合概率分布函數(shù)fT(t)，其描述了由微弱移動(dòng)造成鏈路衰弱的可能性。

基于上述工作，文獻(xiàn)[24]利用激光模擬不同場(chǎng)景下太赫茲用戶微弱運(yùn)動(dòng)情況，分析了不同場(chǎng)景下太赫茲鏈路衰弱情況。結(jié)果表明，在微弱運(yùn)動(dòng)下，利用馬爾可夫隨機(jī)過(guò)程方式僅僅適用于觀影、通話等低速、純隨機(jī)場(chǎng)景，不適用于游戲等具有一定控制學(xué)特征的場(chǎng)景。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于微弱移動(dòng)下的太赫茲移動(dòng)通信模型和波束追蹤研究具有重要價(jià)值。

2.3 控制學(xué)下的用戶移動(dòng)模型

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在控制系統(tǒng)中的太赫茲波束追蹤，文獻(xiàn)[25]中提出無(wú)人機(jī)、車(chē)輛等移動(dòng)通信載體由控制系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)、角度等參數(shù)調(diào)整，因此可以認(rèn)為移動(dòng)、抖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等是由控制系統(tǒng)造成的，并非完全隨機(jī)的變量。

如圖6 所示，可以結(jié)合控制學(xué)模型對(duì)產(chǎn)生的通信衰弱進(jìn)行分析。假定當(dāng)前位置為y(t)，波束中心位置為y*(t)，那么可以得到波束偏移為：

圖6 控制學(xué)下的太赫茲多天線移動(dòng)模型

若此時(shí)控制系統(tǒng)沖擊響應(yīng)為c(t)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)為g(t)，那么可以得到此時(shí)：

對(duì)上式拉普拉斯變換并對(duì)其做極點(diǎn)的分解得到：

其中x1,x2,…xn為系統(tǒng)極點(diǎn)，an為常數(shù)系數(shù)。取前r階極點(diǎn)，并進(jìn)行拉普拉斯反變換得到波束偏移為：

其中，Ci為拉普拉斯反變換參數(shù)。上式描述了波束對(duì)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間的變化關(guān)系，這一變化由控制系統(tǒng)決定。

3 感知協(xié)同太赫茲多天線移動(dòng)通信波束追蹤技術(shù)

完成對(duì)用戶移動(dòng)性建模后，可以利用感知協(xié)同技術(shù)獲取用戶移動(dòng)的位置、速度等信息，再基于恰當(dāng)?shù)囊苿?dòng)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)施預(yù)測(cè)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)快速、高效的波束追蹤。如表1 所示，除去兩類傳統(tǒng)追蹤方案外，當(dāng)前感知協(xié)同的高頻窄波束追蹤技術(shù)主要可以分為3 類：

表1 太赫茲多天線通信波束追蹤方案對(duì)比

（1）基于信道感知協(xié)同的太赫茲多天線波束追蹤技術(shù)。此類技術(shù)直接從用戶發(fā)送導(dǎo)頻中提取信道狀態(tài)信息，并將其轉(zhuǎn)化為用戶的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而對(duì)用戶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)[26-29]。

（2）基于回波感知協(xié)同的太赫茲多天線波束追蹤技術(shù)。此類技術(shù)主要利用雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)，利用回波代替?zhèn)鹘y(tǒng)信道反饋信息，實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)頻開(kāi)銷的波束追蹤[30-33]。

（3）基于帶外感知協(xié)同的太赫茲多天線波束追蹤技術(shù)。此類技術(shù)在使用太赫茲作為通信頻段外，增添可見(jiàn)光、微波等頻段作為感知手段。實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的共存與增強(qiáng)[34,35]。

3.1 信道感知協(xié)同的波束追蹤

基于信道感知協(xié)同的波束追蹤技術(shù)經(jīng)歷了多個(gè)不同的發(fā)展階段。傳統(tǒng)sub-6G 為取得更好的通信效果常采用基于信道反饋的信道追蹤。由于sub-6G 通信中存在較強(qiáng)的多徑效應(yīng)，信道復(fù)雜，難以獲取信道狀態(tài)信息與用戶運(yùn)動(dòng)之間的直接關(guān)系。因此常采用基于隨機(jī)過(guò)程理論模型對(duì)信道進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中最為常用的是馬爾可夫模型，文獻(xiàn)[16]假定連續(xù)時(shí)刻內(nèi)信道變化滿足一階高斯-馬爾可夫模型，并基于卡爾曼濾波設(shè)計(jì)了一種低導(dǎo)頻的信道追蹤方案。文獻(xiàn)[17]基于線性回歸和粒子濾波技術(shù)對(duì)信道進(jìn)行預(yù)測(cè)追蹤。

但太赫茲由于波束較窄，隨機(jī)特性弱，難以直接使用傳統(tǒng)模型進(jìn)行分析。因此傳統(tǒng)基于信道的追蹤也被拓展至基于如圖7 所示的用戶物理實(shí)體感知信息的追蹤。文獻(xiàn)[26]在卡爾曼濾波中使用運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)和模型作為變量，獲得了更為準(zhǔn)確的估計(jì)。文獻(xiàn)[27]將移動(dòng)物體的位置、速度和信道變化聯(lián)系，大大降低了信道追蹤的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[19]中基于用戶線性運(yùn)動(dòng)模型，基于該模型對(duì)相鄰時(shí)隙內(nèi)角域變化進(jìn)行建模。

圖7 基于信道感知的波束追蹤

為進(jìn)一步提升追蹤精度，一方面可以使用更為復(fù)雜的信道模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)[28]充分考慮了多徑分量對(duì)信道的影響，拓展了傳統(tǒng)的追蹤方案。另一方面，部分研究通過(guò)對(duì)卡爾曼追蹤算法進(jìn)行改進(jìn)，使其更適用于信道追蹤任務(wù)，如文獻(xiàn)[29]提出可以使用無(wú)跡變換對(duì)模型進(jìn)行近似，能夠獲得更為準(zhǔn)確的估計(jì)量。

由于可以利用成熟的移動(dòng)性對(duì)用戶進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖8 所示，此類方案波束追蹤導(dǎo)頻開(kāi)銷小，精度高。但此類基于信道反饋信息與信道建模的方法能夠在特定場(chǎng)景下滿足通信需求，但依賴于對(duì)場(chǎng)景良好的運(yùn)動(dòng)建模分析，泛用性較差。

圖8 信道感知協(xié)同性能仿真

3.2 回波感知協(xié)同的波束追蹤

如圖9 所示，感知協(xié)同的太赫茲多通信中可以利用通信信號(hào)的回波代替頻繁的信道反饋。這一架構(gòu)不但有利于降低通信系統(tǒng)的復(fù)雜度和簡(jiǎn)化通信雙方的交互流程，而且基于雷達(dá)感知理論的信號(hào)處理能夠更為高效地追蹤物體，獲取物體的角度、位置、速度等參數(shù)，為信道估計(jì)提供高精度的先驗(yàn)信息，實(shí)現(xiàn)更為高效的追蹤與對(duì)準(zhǔn)。

圖9 回波感知輔助波束追蹤與對(duì)準(zhǔn)

文獻(xiàn)[30]研究了在隨機(jī)移動(dòng)條件下基于回波感知的通信雷達(dá)一體化系統(tǒng)的性能增益，說(shuō)明了感知協(xié)同通信工作模式下能夠提升系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[31]研究了在交通場(chǎng)景下利用感知輔助的回波，結(jié)合雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的跟蹤，并設(shè)計(jì)了一種通信感知的功率分配方案，從而實(shí)現(xiàn)了更為高效的波束追蹤。為降低系統(tǒng)導(dǎo)頻消耗，文獻(xiàn)[32]在回波輔助條件設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)虛擬波形，通過(guò)波形調(diào)節(jié)當(dāng)前通信與感知時(shí)域資源的分配，結(jié)果顯示在不影響通信速率的前提下，能夠極大提升感知精度。此外，針對(duì)波束訓(xùn)練導(dǎo)頻開(kāi)銷大，文獻(xiàn)[33]研究了利用回波作為感知信息，縮小碼本搜索范圍，從而實(shí)現(xiàn)快速波束訓(xùn)練，簡(jiǎn)化波束訓(xùn)練流程。

基于回波感知的波束追蹤不需要雙方復(fù)雜的交互和反饋流程，僅通過(guò)回波信號(hào)就獲得用戶的移動(dòng)信息。這一架構(gòu)能夠有效降低系統(tǒng)硬件組成的復(fù)雜度，而且利用回波替代頻繁的信道反饋實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)頻開(kāi)銷下的高精度波束追蹤。但此類方式由于太赫茲頻段衰減較大，如何提取太赫茲微弱回波信號(hào)依舊是當(dāng)前的難點(diǎn)。

3.3 帶外感知協(xié)同的波束追蹤

除對(duì)通信系統(tǒng)賦予內(nèi)生感知能力進(jìn)行波束追蹤與對(duì)準(zhǔn)外，部分研究使用額外的感知設(shè)備，如：光學(xué)攝像機(jī)、sub-6GHz 等進(jìn)行信息處理層面的感知通信一體化。

如圖10 所示架構(gòu)，可以通過(guò)光學(xué)設(shè)備和視覺(jué)進(jìn)行物體的定位從而輔助波束追蹤。文獻(xiàn)[34]通過(guò)在道路兩側(cè)布置雙視覺(jué)傳感器和基站，利用深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了一種車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下視覺(jué)輔助的太赫茲波束追蹤和切換方案。其算法結(jié)果顯示能夠大幅度提高當(dāng)前波束切換的速率。文獻(xiàn)[35]考慮使用sub-6G 進(jìn)行用戶位置的預(yù)測(cè)，其同樣使用深度學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行粗定位，并以此作為先驗(yàn)信息而后基于數(shù)據(jù)訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行太赫茲波束對(duì)準(zhǔn)角度的調(diào)整。

圖10 光學(xué)感知輔助波束追蹤與對(duì)準(zhǔn)

上述基于額外感知信息和深度學(xué)習(xí)算法的太赫茲波束追蹤方案能夠有效提升特定場(chǎng)景下太赫茲波束追蹤的效率、精度。但是此類方案目前依然存在一些問(wèn)題，其一是系統(tǒng)復(fù)雜度提升，引入了額外的硬件設(shè)備，能耗相較于其他方式都有所上升。其二是資源的浪費(fèi)，此種方式通常需要使用額外的感知資源進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的獲取、訓(xùn)練。最后，此類方法針對(duì)不同場(chǎng)景的泛用性差，難以適配所有場(chǎng)景需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集工作。

4 未來(lái)展望

研究現(xiàn)狀表明，感知協(xié)同太赫茲多天線通信能夠提升特定場(chǎng)景下的太赫茲移動(dòng)通信波束追蹤性能，但在信道受到干擾、發(fā)射功率不足條件制約下，上述系統(tǒng)方案都面臨極大的不確定性，亟需理論性能指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)。此外，太赫茲技術(shù)被應(yīng)用在實(shí)際場(chǎng)景中，器件存在的諸多不理想特性會(huì)制約現(xiàn)有方案的實(shí)施，需要進(jìn)一步考慮。最后，隨著未來(lái)6G 通信技術(shù)不斷推進(jìn)，太赫茲與正交時(shí)頻空等新物理層技術(shù)的結(jié)合值得重點(diǎn)關(guān)注。

4.1 感知協(xié)同多天線波束追蹤信息理論

太赫茲通信在不同移動(dòng)場(chǎng)景中的理論性能分析欠缺。在波束追蹤中，不同波束追蹤通信感知性能資源分配說(shuō)明尚不全面。且針對(duì)非理想條件下的太赫茲波束追蹤研究較少。非視距條件、非線性運(yùn)動(dòng)等更為具體場(chǎng)景下的波束追蹤和對(duì)準(zhǔn)的方案相關(guān)研究較少。針對(duì)未來(lái)常見(jiàn)移動(dòng)通信載具，如：無(wú)人機(jī)、車(chē)輛、行人等，可以構(gòu)建更為具體的運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)更為高效的波束追蹤理論研究和技術(shù)方案。

4.2 硬件缺陷制約下多天線波束追蹤技術(shù)

太赫茲頻段器件工藝尚不完全成熟，且通信帶寬較大，使得器件存在如下幾點(diǎn)不理想特性：

（1）時(shí)鐘完全同步困難。太赫茲通信中符號(hào)周期極短，使得收發(fā)端時(shí)鐘難以完全同步。并進(jìn)一步導(dǎo)致當(dāng)前的感知參數(shù)不完全準(zhǔn)確，對(duì)用戶運(yùn)動(dòng)位置、速度的估計(jì)和預(yù)測(cè)可能存在較大偏差。接收信號(hào)功率不確定。

（2）放大器非線性效應(yīng)強(qiáng)。由于太赫茲通信中信號(hào)帶寬較大，放大器頻率相應(yīng)不完全平坦，使得當(dāng)前信號(hào)存在非線性失真，并進(jìn)一步導(dǎo)致當(dāng)前感知信息不準(zhǔn)確，使得當(dāng)前波束追蹤出現(xiàn)偏差；

（3）同相正交（IQ,Inphase and Quadrature）路信號(hào)不均衡。由于太赫茲器件的局限性，使得IQ 兩路本振信號(hào)難以保持嚴(yán)格正交，從而引起基帶信號(hào)的相位偏移，導(dǎo)致基帶信號(hào)的失真。

上述難題均會(huì)對(duì)實(shí)際中感知協(xié)同的太赫茲移動(dòng)通信系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響，因此如何在非理想硬件條件下實(shí)現(xiàn)太赫茲波速追蹤是太赫茲實(shí)際應(yīng)用中的難題。

4.3 感知協(xié)同多天線波束追蹤調(diào)制技術(shù)

由于太赫茲頻段高，在高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中存在更大的多普勒效應(yīng)，使得信道具有嚴(yán)重的時(shí)頻雙選特征。在時(shí)頻雙選信道中，OFDM 中各個(gè)子載波之間的正交性被嚴(yán)重破壞，通信效率極大降低。為了解決上述難題，近年來(lái)正交時(shí)頻空（OTFS,Orthogonal Time Frequency Space）調(diào)制技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。

OTFS 通過(guò)在時(shí)延多普勒域上進(jìn)行信息傳輸，能夠獲得時(shí)間、頻率上全部分集增益，復(fù)雜時(shí)頻雙選信道呈現(xiàn)稀疏和近似靜止的特性，能夠支持高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的太赫茲通信。此外由于OTFS 調(diào)制使用典型的時(shí)延、多普勒作為信道參數(shù)，其可以獲得與調(diào)頻連續(xù)波近乎相同的感知性能，能夠有效支持感知輔助的太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)。但當(dāng)前OTFS 調(diào)制技術(shù)的峰均比較高，對(duì)太赫茲頻段硬件性能產(chǎn)生了極大挑戰(zhàn)。因此，目前峰均比低OTFS 技術(shù)有望破解太赫茲感知協(xié)同通信的難題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從當(dāng)前太赫茲移動(dòng)通信場(chǎng)景與需求出發(fā)，總結(jié)了當(dāng)前多天線太赫茲移動(dòng)通信需求。概述了太赫茲多天線移動(dòng)通信的基本原理，分析了波束追蹤的重要性。綜述了快速運(yùn)動(dòng)、微弱運(yùn)動(dòng)、控制下運(yùn)動(dòng)三類典型太赫茲通信用戶運(yùn)動(dòng)模型?；谏鲜瞿Ｐ?，綜述了當(dāng)前感知協(xié)同太赫茲波束追蹤技術(shù)的原理與發(fā)展現(xiàn)狀，分析了信道感知、回波感知、帶外感知三類技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足。最后結(jié)合未來(lái)6G 需求和太赫茲頻段特性對(duì)未來(lái)感知協(xié)同太赫茲多天線移動(dòng)通信技術(shù)做了展望，亟需重點(diǎn)研究感知協(xié)同太赫茲多天線移動(dòng)通信的基礎(chǔ)信息理論、硬件制約下的方案設(shè)計(jì)以及感知協(xié)同調(diào)制技術(shù)。