太赫兹空时频高速信号处理技术研究报告(2023)

报告出品方:IMT-2030(6G)推进组

——太赫兹频段具备超大带宽的天然优势，有望实现超高数据速率以及毫米级精度感知。基于太赫兹频段的通信感知技术将颠覆第六代及未来的无线通信系统，真正实现“万物智联”。为了充分发挥太赫兹频段的潜能，研究太赫兹空时频高速信号处理技术显得尤为重要，包括空域的波束管理、时频域的信号处理设计。

——相比于微波及毫米波频段，太赫兹频段存在更为严重的路径损耗，包括自由空间传播损耗、反射散射损耗、分子吸收损耗。如果不进行处理，这些损耗会极大限制通信和感知的最大距离，降低了频谱效率和感知精度。因此，当发射功率固定时，一般需要利用超大规模天线阵列产生定向波束来克服这些损耗。当天线数目较多时，需要研究高能效、低复杂度的波束赋形架构以及空域预编码算法。此外，定向波束的使用会限制感知的角域覆盖范围。在太赫兹频段，为了同时实现高速率的数据传输与全方位的高精度感知，需要设计高速有效的波束管理方案与空域信号处理技术。

1.信道时延特性：太赫兹频段较高的反射和散射损耗，可能导致非视距路径的功率损耗和数量衰减，此时太赫兹通信信道的时延扩展会有所减小，相关带宽有所增大。因此，在考虑太赫兹通信时，可以减少太赫兹信号的循环前缀长度以提高频谱效率。然而，与通信的时延扩展不同，在考虑太赫兹感知时，已有的信号处理方法要求最大感知距离的往返延迟小于循环前缀长度。此时，如果不研究新型信号处理方案，减小循环前缀的长度，会限制了太赫兹感知的最大距离。

2.多普勒效应：由于多普勒扩展效应与载波频率成正比，所以在太赫兹频段，特别是在高迁移率情况下，多普勒扩展效应更加严重。高多普勒频移的时频双选信道会破坏子载波的正交性，引起载波间干扰。一方面，通过增大子载波间隔可以抑制多普勒效应的影响。另一方面，也可以通过研究新型时频域信号处理技术提高系统对于多普勒效应的鲁棒性。

3.远近场信号处理：在太赫兹频段，当传输距离小于天线阵的瑞利距离时，需要考虑近场传播。在这种情况下，作为球面波传播近似模型的平面波传播模型就会失效，给波束赋形以及空域的信号处理带来了困难。

4.功率放大器：由于功率放大器的饱和输出功率随着载波频率的增加而迅速减小，太赫兹频段的功率放大效率和平均输出功率对太赫兹波段的峰均功率比更为敏感。为了优化发射机的发射功率和功率效率，通过有效的时频域基带信号处理，降低太赫兹发射信号的峰均功率比是实现高能效太赫兹通信的关键技术。

5.波束分裂效应：在太赫兹波段，一般利用超大规模天线阵列来提供高的波束增益。然而，在宽带UM-MIMO模拟或混合波束赋形系统中，可能会出现了波束分裂效应。在波束赋形预编码设计无法实现完全自由度的情况下，混合波束赋形结构利用移相器对所有频率进行相同的加权调整，因此非中心频率的波束方向可能会偏离中心方向并偏离目标或用户。此时，阵列增益大大降低，从而影响感知和通信的性能。

【报告领取方式见文末】

该份报告共44页

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