新的太赫茲頻段是第六代（6G）通信的關(guān)鍵組成部分。由于太赫茲頻段的超寬帶寬，可以實現(xiàn)許多高級應(yīng)用，例如具有短距離、高吞吐量和低延遲數(shù)據(jù)流的虛擬現(xiàn)實。全面了解太赫茲傳播信道是開發(fā)相應(yīng)太赫茲無線系統(tǒng)必不可少的第一步。6G太赫茲信道模型應(yīng)該是動態(tài)的、空間一致的，并揭示物理環(huán)境和信道特征之間的對應(yīng)關(guān)系。現(xiàn)有的太赫茲信道測量發(fā)展?fàn)顩r如何？未來有哪些研究方向、挑戰(zhàn)和措施？隆德大學(xué)Marie Sk?odowska-Curie研究員Xuesong Cai（從事毫米波和太赫茲信道及相關(guān)應(yīng)用的研究），北京大學(xué)博雅特聘教授、IEEE Fellow程翔（研究興趣包括信道建模、無線通信和數(shù)據(jù)分析），以及隆德大學(xué)的正教授Fredrik Tufvesson（也是IEEE Fellow）撰文進行了介紹和分析，主要內(nèi)容如下。

1、現(xiàn)有的太赫茲信道測量

總體上看來，太赫茲信道測量在現(xiàn)有文獻中仍然很少見。大多數(shù)現(xiàn)有研究工作中使用的信道測量儀都是基于VNA和上/下轉(zhuǎn)換器。由于電纜連接和電纜中的高功率損耗，測量距離通常不大，例如僅10m。在一些研究工作中也使用了時域信道測量儀，其中測量距離可以更大，例如100m。對于單輸入單輸出配置，研究的信道特性通常包括路徑損耗、延遲擴展和功率延遲分布。為了捕捉空間太赫茲信道特征，幾乎所有相關(guān)研究工作都使用了機械旋轉(zhuǎn)高增益喇叭天線的方案?？梢赃M一步研究MPC、延遲擴展、角度擴展、集群等。然而，由于高增益太赫茲天線的波束寬度較窄且需要許多旋轉(zhuǎn)步長，從而即使在低速時也難以測量具有發(fā)射、接收或散射體移動的動態(tài)太赫茲信道。因此，幾乎所有現(xiàn)有的太赫茲信道測量都是以靜態(tài)方式完成的。例如，即使對于車到車通信的太赫茲信道，測量實際上是在一個有靜態(tài)汽車的房間內(nèi)進行的。此外，還有一些研究太赫茲波段的衍射、穿透、散射和反射的工作，采用理論模型，例如散射的定向散射模型，用測量數(shù)據(jù)進行了分析。準(zhǔn)確理解這些基本機制對于模擬工具和對測量觀測結(jié)果的解釋都很重要。

測量表明，在大多數(shù)情況下，THz頻段的路徑損耗指數(shù)接近2，尤其是在視距場景中。路徑損耗截距，即1m處的路徑損耗，隨著頻率的增加而迅速增加。由于墻壁、汽車等造成的阻塞損耗可能會大到幾十dB，這意味著可能會發(fā)生嚴(yán)重的陰影衰落。此外，由于太赫茲的波長非常短，微小的移動可以將MPCs的建設(shè)性添加更改為破壞性添加，導(dǎo)致深度衰落。散射取決于表面和撞擊角度，并且可以用定向散射模型很好地表征。散射功率相對于反射功率隨頻率和表面粗糙度的增加而增加，反射系數(shù)隨著入射角的增加而線性增加。像干的墻這樣的光滑表面可以建模為簡單的反射表面，尤其是當(dāng)入射角很大時。至于衍射，測量表明它可以很好地用衍射的均勻幾何理論建模。由于嚴(yán)重的路徑損耗和阻塞損耗，MPC和集群的數(shù)量通常并不多。還觀察到簇散布很小。然而，由于不同角度的散射體，復(fù)合角度擴展可能很大。盡管有證據(jù)表明太赫茲信道可能很稀疏，但這可能是由于通道測量儀的低動態(tài)范圍。在大型天線陣列下。即在信道測量中應(yīng)用大的有效區(qū)域，可能會發(fā)現(xiàn)更多的路徑。這些路徑可以在與超大規(guī)模MIMO（UM-MIMO）的太赫茲信道中被利用。太赫茲信道的稀疏性不應(yīng)該過早地被肯定。

2、未來研究方向

①新型通道測量儀

中長距離太赫茲應(yīng)用需要具有更長測量距離和更大動態(tài)范圍的通道測量儀?？赡艿慕鉀Q方案是利用先進的太赫茲設(shè)備，例如行波管作為功率放大器，提供高達(dá)40 dBm的輸出功率，并為時域信道測量器設(shè)計具有高序列增益的適當(dāng)信號。此外，切換天線陣列或?qū)崟r波束旋轉(zhuǎn)，例如調(diào)整具有可重構(gòu)智能表面的喇叭天線的波束，對于建立具有空間一致性的動態(tài)太赫茲信道模型至關(guān)重要。此外，迄今為止，尚未在測量中應(yīng)用大規(guī)模陣列，這阻礙了對幾個重要的太赫茲信道特性的理解，包括球面波傳播、陣列中的信道演化以及信道與物理散射體之間的對應(yīng)關(guān)系。從這個角度來看，具有時域信道測量的大型開關(guān)天線陣列將是用于通感一體化應(yīng)用的太赫茲信道測量儀的最優(yōu)選設(shè)計。此外，對太赫茲波段各種材料的電磁參數(shù)了解甚少，阻礙了基于仿真的信道建模的應(yīng)用。需要解決這個問題。

②低復(fù)雜度HRPE算法

超寬帶寬和大規(guī)模天線陣列可以為區(qū)分MPC帶來顯著優(yōu)勢。然而，由于更多的參數(shù)域和更大的測量數(shù)據(jù)，HRPE算法的復(fù)雜性可能會大幅地增加。例如，對于動態(tài)雙向超寬帶UM-MIMO THz信道測量，要為一個MPC估計的信道參數(shù)包括延遲、多普勒頻率、方位角/離場/離場仰角、方位角/到達(dá)/離場仰角、球面到達(dá)/離開距離和極化幅度，即總共16個參數(shù)。此外，窄帶和平面波假設(shè)不再有效，這使得難以將參數(shù)解耦以將問題分解為多個一維估計問題。因此，低復(fù)雜度的新型HRPE算法是必不可少的。一種有前途的解決方法是利用跨UM-MIMO陣列的MPC的延遲軌跡來實現(xiàn)快速初始化和有效的干擾消除，從而可以在信道參數(shù)估計中顯著減少搜索空間。

③空間一致的太赫茲信道模型

適用于6G中的通信、感知和定位的太赫茲信道模型應(yīng)該很好地描述幾何結(jié)構(gòu)以解決物理環(huán)境和太赫茲信道之間的對應(yīng)關(guān)系，描述空間一致性以呈現(xiàn)平滑的信道變化，并描述MPC、集群和物理散射體的生死行為（the birth-death behavior），以跟蹤和識別環(huán)境中的對象。然而，現(xiàn)有的太赫茲信道模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。除了缺乏太赫茲信道測量儀來測量這些特性外，還需要一個新的太赫茲信道建?？蚣?。簡單地說，最有希望的一種方法是對物理散射體的演化行為進行建模，并為散射體生成的MPC添加統(tǒng)計屬性。

④人工智能輔助太赫茲信道探測

人工智能（AI）尤其是機器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以應(yīng)用于許多方面，例如使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行傳播場景識別和信道預(yù)測，以及使用生成對抗網(wǎng)絡(luò)進行信道再現(xiàn)。除此之外，我們設(shè)想了一種新的有前途的太赫茲信道人工智能輔助的探測。也就是說，空間太赫茲信道可以從環(huán)境的照片或光學(xué)掃描中推斷出來，因為它們固有地包含環(huán)境中物理散射體的信息。挑戰(zhàn)在于訓(xùn)練 AI 模型將照片或掃描映射到真實的太赫茲信道，這不僅需要先進的太赫茲信道測量儀，還需要照片系統(tǒng)或光學(xué)系統(tǒng)來獲得大量適當(dāng)?shù)臏y量數(shù)據(jù)。

編輯：黃飛

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