摘 要：太赫茲（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ，ＴＨｚ）通信在６Ｇ 網(wǎng)絡(luò)中展現(xiàn)了潛在的重要性，具有高傳輸速率、強(qiáng)抗干擾能力和易于信號(hào)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)?；仡櫫艘延械模裕龋?信道建模工作，分析了關(guān)鍵參數(shù)如分子吸收效應(yīng)和傳播距離的早期模型，以及基于納米網(wǎng)絡(luò)小粒子散射效應(yīng)的時(shí)域和頻域信道模型。強(qiáng)調(diào)了ＴＨｚ 通信技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，如功率放大器效率和多普勒擴(kuò)展效應(yīng)，這些限制了ＴＨｚ 的傳輸距離和性能。鑒于這些挑戰(zhàn)，提出了對(duì)波形設(shè)計(jì)的新要求，對(duì)增強(qiáng)正交時(shí)頻空（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｔｉｍｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｐａｃｅ，ＯＴＦＳ）波形進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，以減少高速移動(dòng)帶來(lái)的多普勒效應(yīng)，搭建物理層仿真鏈路模型測(cè)量改進(jìn)ＯＴＦＳ 的性能。通過(guò)仿真和性能比較，展示了所提增強(qiáng)ＯＴＦＳ 波形相對(duì)于傳統(tǒng)波形的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：太赫茲通信；正交時(shí)頻空調(diào)制；路徑損耗

中圖分類號(hào)：ＴＮ９１９． ２３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號(hào)：１００３－３１１４（２０２４）０３－０５３５－０６

０ 引言

太赫茲（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ，ＴＨｚ）頻段為０． １ ～ １０ ＴＨｚ，占據(jù)微波和紅外區(qū)域之間的頻率范圍。ＴＨｚ 通信具有傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)檢測(cè)更容易等特點(diǎn)，有滿足未來(lái)６Ｇ 網(wǎng)絡(luò)Ｔｂｉｔ／ ｓ 傳輸需求的潛力［１］，國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布的ＩＭＴ２０３０ 白皮書(shū)已將ＴＨｚ 通信列為６Ｇ 網(wǎng)絡(luò)潛在空中接口技術(shù)。

盡管ＴＨｚ 通信技術(shù)具有諸多方面的優(yōu)勢(shì)，超高頻段的傳輸特性也給ＴＨｚ 通信的系統(tǒng)和組網(wǎng)設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。相比６ ＧＨｚ 以下頻段，ＴＨｚ 通信的傳輸路徑損耗更為嚴(yán)重，在ＴＨｚ 頻率下，１０ ｍ 鏈路的自由空間路徑損耗很容易超過(guò)１００ ｄＢ，這使得數(shù)十米以上的通信極具挑戰(zhàn)性［２］。同時(shí)，分子吸收損耗同樣會(huì)導(dǎo)致ＴＨｚ 進(jìn)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(yōu)勢(shì)的同時(shí)面臨著嚴(yán)重衰落的問(wèn)題。

ＴＨｚ 通信系統(tǒng)面臨的另一個(gè)問(wèn)題是多普勒擴(kuò)展效應(yīng)，由ＴＨｚ 發(fā)射器和接收器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起。傳統(tǒng)ＴＨｚ 系統(tǒng)基于正交頻分復(fù)用（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＯＦＤＭ）技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸，由于ＴＨｚ 系統(tǒng)頻段更高，多普勒效應(yīng)將導(dǎo)致更嚴(yán)重的子載波間干擾，從而降低數(shù)字通信系統(tǒng)的性能?；诖?，文獻(xiàn)［５－７］探討了用戶移動(dòng)性對(duì)ＴＨｚ 通信的影響。文獻(xiàn)［５］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量無(wú)人機(jī)在微、小、大尺度上的移動(dòng)不確定性，分析了在存在移動(dòng)不確定性的情況下可實(shí)現(xiàn)的太赫茲鏈路的容量。文獻(xiàn)［６］指明了微移動(dòng)對(duì)ＴＨｚ 通信的影響，提出用于ＴＨｚ 蜂窩系統(tǒng)分析的微移動(dòng)數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)［７］分析了無(wú)人機(jī)移動(dòng)性對(duì)ＴＨｚ 信道容量的影響。這些限制使得在ＴＨｚ 場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)可靠的通信變得困難。如果保持現(xiàn)有商用移動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)前波形和數(shù)字特性，將會(huì)導(dǎo)致ＴＨｚ 頻段的性能嚴(yán)重下降。因此，ＴＨｚ 通信對(duì)波形設(shè)計(jì)提出了新的要求。

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

近兩年對(duì)改進(jìn)ＯＦＤＭ 和ＯＴＦＳ 的研究中，文獻(xiàn)［９］提出離散傅里葉變換擴(kuò)頻正交時(shí)頻空間（ＤｉｓｃｒｅｔｅＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ Ｓｐｒｅａｄ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｔｉｍｅ ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｐａｃｅ，ＤＦＴ-ｓ-ＯＴＦＳ）實(shí)現(xiàn)了比ＯＦＤＭ 和ＯＴＦＳ 更低的峰均功率比（Ｐｅａｋ-ｔｏ-Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ，ＰＡＰＲ），增強(qiáng)了對(duì)ＴＨｚ 損傷和多普勒擴(kuò)頻的抗擾度，但復(fù)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(fù)雜度下提高對(duì)ＴＨｚ 損傷和相位噪聲的魯棒性。文獻(xiàn)［１０］針對(duì)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(kuò)展正交頻分復(fù)用（Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｓｐｒｅａｄ ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＳＩＤＦＴｓＯＦＤＭ）系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供比ＯＦＤＭ 更低的峰均功率比，并適應(yīng)ＴＨｚ 信道的靈活時(shí)延擴(kuò)展。文獻(xiàn)［１１］提出一種疊加導(dǎo)頻的ＤＦＴ-ｓ-ＯＴＦＳ 系統(tǒng)，以提高對(duì)多普勒效應(yīng)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(duì)射頻子系統(tǒng)的實(shí)施具有深遠(yuǎn)的影響。波形設(shè)計(jì)需要綜合考慮多個(gè)因素，包括功率放大器（Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＰＡ）的補(bǔ)償能力、相位噪聲的抑制能力以及幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和調(diào)度能力。

波形的時(shí)域信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍對(duì)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(shè)計(jì)波形時(shí)需要充分考慮功率放大器的補(bǔ)償能力，以確保在各種條件下都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出。振蕩器的不穩(wěn)定輸出會(huì)導(dǎo)致相位噪聲的產(chǎn)生。因此，波形設(shè)計(jì)也需要具備對(duì)抗相位噪聲的能力，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。同時(shí)，ＴＨｚ 通信的波形設(shè)計(jì)需要充分考慮載波頻率、子載波間隔和循環(huán)前綴長(zhǎng)度等多個(gè)參數(shù)的選擇。這些參數(shù)對(duì)整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儗⒅苯佑绊懙叫盘?hào)的傳輸質(zhì)量和通信系統(tǒng)的性能［１２］。

１ 增強(qiáng)ＯＴＦＳ 波形流程設(shè)計(jì)

增強(qiáng)ＯＴＦＳ 波形流程如圖１ 所示，包含了增強(qiáng)ＯＴＦＳ 發(fā)送端調(diào)制部分和增強(qiáng)ＯＴＦＳ 接收端解調(diào)部分。