面向太赫茲通信的改進ＯＴＦＳ 波形調制與設計

摘 要：太赫茲（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ，ＴＨｚ）通信在６Ｇ 網絡中展現了潛在的重要性，具有高傳輸速率、強抗干擾能力和易于信號檢測等優點。回顧了已有的ＴＨｚ 信道建模工作，分析了關鍵參數如分子吸收效應和傳播距離的早期模型，以及基于納米網絡小粒子散射效應的時域和頻域信道模型。強調了ＴＨｚ 通信技術面臨的挑戰，如功率放大器效率和多普勒擴展效應，這些限制了ＴＨｚ 的傳輸距離和性能。鑒于這些挑戰，提出了對波形設計的新要求，對增強正交時頻空（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｔｉｍｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｐａｃｅ，ＯＴＦＳ）波形進行了設計和研究，以減少高速移動帶來的多普勒效應，搭建物理層仿真鏈路模型測量改進ＯＴＦＳ 的性能。通過仿真和性能比較，展示了所提增強ＯＴＦＳ 波形相對于傳統波形的優越性。

關鍵詞：太赫茲通信；正交時頻空調制；路徑損耗

中圖分類號：ＴＮ９１９． ２３ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０３－０５３５－０６

０ 引言

太赫茲（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ，ＴＨｚ）頻段為０． １ ～ １０ ＴＨｚ，占據微波和紅外區域之間的頻率范圍。ＴＨｚ 通信具有傳輸速率高、抗干擾能力強、信號檢測更容易等特點，有滿足未來６Ｇ 網絡Ｔｂｉｔ／ ｓ 傳輸需求的潛力［１］，國際電信聯盟發布的ＩＭＴ２０３０ 白皮書已將ＴＨｚ 通信列為６Ｇ 網絡潛在空中接口技術。

盡管ＴＨｚ 通信技術具有諸多方面的優勢，超高頻段的傳輸特性也給ＴＨｚ 通信的系統和組網設計帶來諸多挑戰。相比６ ＧＨｚ 以下頻段，ＴＨｚ 通信的傳輸路徑損耗更為嚴重，在ＴＨｚ 頻率下，１０ ｍ 鏈路的自由空間路徑損耗很容易超過１００ ｄＢ，這使得數十米以上的通信極具挑戰性［２］。同時，分子吸收損耗同樣會導致ＴＨｚ 進一步衰減。ＴＨｚ 頻段的大氣衰減比微波或毫米波頻段的大氣衰減更明顯［３］。此外，功率放大器在ＴＨｚ 頻段的效率和輸出功率限制也將制約ＴＨｚ 通信的傳輸距離［４］。綜上可知，ＴＨｚ通信在兼具寬頻帶、高速率等優勢的同時面臨著嚴重衰落的問題。

ＴＨｚ 通信系統面臨的另一個問題是多普勒擴展效應，由ＴＨｚ 發射器和接收器之間的相對運動引起。傳統ＴＨｚ 系統基于正交頻分復用（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＯＦＤＭ）技術實現寬帶傳輸，由于ＴＨｚ 系統頻段更高，多普勒效應將導致更嚴重的子載波間干擾，從而降低數字通信系統的性能。基于此，文獻［５－７］探討了用戶移動性對ＴＨｚ 通信的影響。文獻［５］通過現場實驗測量無人機在微、小、大尺度上的移動不確定性，分析了在存在移動不確定性的情況下可實現的太赫茲鏈路的容量。文獻［６］指明了微移動對ＴＨｚ 通信的影響，提出用于ＴＨｚ 蜂窩系統分析的微移動數學模型。文獻［７］分析了無人機移動性對ＴＨｚ 信道容量的影響。這些限制使得在ＴＨｚ 場景中實現可靠的通信變得困難。如果保持現有商用移動系統的當前波形和數字特性，將會導致ＴＨｚ 頻段的性能嚴重下降。因此，ＴＨｚ 通信對波形設計提出了新的要求。

文獻［８］表明全信道分集的提取使正交時頻空（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｔｉｍｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｐａｃｅ，ＯＴＦＳ）能夠大大簡化系統操作并顯著提高性能，特別是在具有高多普勒、短數據包和大型天線陣列的系統中。即使在非常高（速度５００ ｋｍ／ ｈ）的多普勒下，ＯＴＦＳ 也通過多輸入多輸出（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔ ＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）階次的吞吐量線性縮放來接近信道容量，而ＯＦＤＭ 在典型設計參數下的性能完全崩潰。

近兩年對改進ＯＦＤＭ 和ＯＴＦＳ 的研究中，文獻［９］提出離散傅里葉變換擴頻正交時頻空間（ＤｉｓｃｒｅｔｅＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ Ｓｐｒｅａｄ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｔｉｍｅ ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｐａｃｅ，ＤＦＴ-ｓ-ＯＴＦＳ）實現了比ＯＦＤＭ 和ＯＴＦＳ 更低的峰均功率比（Ｐｅａｋ-ｔｏ-Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ，ＰＡＰＲ），增強了對ＴＨｚ 損傷和多普勒擴頻的抗擾度，但復雜性成本增加。此外，ＤＦＴｓＯＦＤＭ 是一種很有前途的候選波形，可在低ＰＡＰＲ 和整體復雜度下提高對ＴＨｚ 損傷和相位噪聲的魯棒性。文獻［１０］針對ＴＨｚ 集成通信感知一體化（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｅｎｓｉｎｇ Ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＩＳＡＣ）提出了一種感知集成離散傅里葉變換擴展正交頻分復用（Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｓｐｒｅａｄ ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＳＩＤＦＴｓＯＦＤＭ）系統，該系統可提供比ＯＦＤＭ 更低的峰均功率比，并適應ＴＨｚ 信道的靈活時延擴展。文獻［１１］提出一種疊加導頻的ＤＦＴ-ｓ-ＯＴＦＳ 系統，以提高對多普勒效應的魯棒性，降低ＴＨｚ ＩＳＡＣ 的ＰＡＰＲ。

在ＴＨｚ 通信中，波形的選擇具有多樣性，并對射頻子系統的實施具有深遠的影響。波形設計需要綜合考慮多個因素，包括功率放大器（Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＰＡ）的補償能力、相位噪聲的抑制能力以及幀結構的設計和調度能力。

波形的時域信號動態范圍對功率放大器的性能及其最大輸出功率的工作范圍有直接影響。這意味著在設計波形時需要充分考慮功率放大器的補償能力，以確保在各種條件下都能實現穩定的功率輸出。振蕩器的不穩定輸出會導致相位噪聲的產生。因此，波形設計也需要具備對抗相位噪聲的能力，確保信號傳輸的穩定性。同時，ＴＨｚ 通信的波形設計需要充分考慮載波頻率、子載波間隔和循環前綴長度等多個參數的選擇。這些參數對整體系統的設計至關重要，因為它們將直接影響到信號的傳輸質量和通信系統的性能［１２］。

１ 增強ＯＴＦＳ 波形流程設計

增強ＯＴＦＳ 波形流程如圖１ 所示，包含了增強ＯＴＦＳ 發送端調制部分和增強ＯＴＦＳ 接收端解調部分。