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太赫兹6G通信8大挑战
2022年10月28日

太赫兹频段有望成为6G的新频率。印度Sheshgiri工程技术大学、S.G. Balekundri技术大学、印度理工学院达瓦德分校的学者在所承担的印度6G项目中,研究了太赫兹6G通信面临的8大挑战。

1、关于硬件组件,很难设计高效的射频电路(例如混频器、振荡器、放大器等)和高性能调制器,以在太赫兹频谱下高效运行。目前的研究已将石墨烯确定为可用于硬件设计的潜在材料,因为它具有高导热性和导电性以及等离子体效应。尽管芯片级太赫兹技术的研究在过去十年中有所加快,但太赫兹频段的固态电子学仍需要得到大量研究。此外,低功耗和高GS/s(Giga-samples/sec)使模数和数模转换器能够以低功耗以Tbps传输数据,需要被设计用于太赫兹通信。此外,与毫米波通信相比,太赫兹通信需要更多的天线,这将带来许多重大的实际问题。

2、太赫兹可重构智能表面(RIS)最近被提出作为一种有效的解决方案,通过在自定义方向上自适应地引导波束方向来克服障碍物造成的信号中断。除了缓解LoS(视距链路)阻塞问题外,RIS还可以通过①在太赫兹系统中充当中继和安全性以及②引导链路远离窃听者来提高覆盖范围。然而,对于太赫兹通信的RIS,仍然需要进行大量研究。最后,为了支持GHz宽带信道,正交频分复用(OFDM)是一种受欢迎的技术。然而,由于6G硬件存在上述限制,研究必须直接转向对替代方法的探索。

3、高效的太赫兹通信需要针对室内和室外情况实施准确的信道模型。然而,这种信道模型的设计具有挑战性,因为与低频信道相比,太赫兹信道将受到高度频率选择性路径损耗的严重影响,包括传播损耗和大气损耗(或分子吸收损失),这是由于太赫兹频率范围内存在氧和水的吸收线、漫散射和镜面反射、衍射、天气影响和闪烁效应,以及相互耦合和近场效应。此外,为了进行有效的信道估计,将需要超大规模的天线阵列,这将带来以下挑战:①空间非平稳性,以及②设计支持宽带宽所需的馈电网络和天线元件。另外,一方面,使用这种超大质量阵列将产生精确聚焦的波束;另一方面,这将导致通信受到LoS和精确反射路径的影响。因此,考虑到以合理的成本和能耗提供高动态范围和灵活性,需要优化用于波束赋型的架构。尽管研究界已将基于超材料的天线和RIS确定为波束赋型架构;在这方面仍需要进行大量研究。有调研报告称,6G将导致使用Rayleigh信道模型而不是Rician信道模型,还有调查表明混合模型可能是THz信道建模的解决方案,而不是重用窄带衰落模型(如瑞利或Rician模型),需要在太赫兹频段开发统计脉冲响应模型。此外,对于确定性的信道模型,可以获得具有高时间和资源消耗的高精度;而统计通道模型表明计算复杂度低但缺乏准确性。因此,有必要通过战略性地结合两种或多种方法的好处来开发一种适用于太赫兹通信的混合信道模型。

4、为了实现太赫兹通信中的定向组网,定向天线将受到青睐,因为它们能够将太赫兹信号能量集中在特定方向。定向天线支持长距离通信并最大限度地减少来自相邻节点的干扰。此外,还可以实施超大规模MIMO并结合波束赋型,以实现空间复用从而增加容量。然而,太赫兹频段定向组网存在许多挑战,包括时间异步系统的邻居发现的有效策略、拓扑控制算法、高接入容量使能和低资源利用率确保多重访问控制协议等。为了实现高效的Ultra Massive-MIMO通信、频谱效率和能量效率,需要综合考虑硬件复杂性。此外,考虑到太赫兹信号在大间距天线阵列上可能的球面传播,考虑到利用空间复用设计,还需要严格处理稀疏性问题。

5、网状网络对于扩展太赫兹通信的通信范围和网络覆盖范围至关重要。然而,由于太赫兹链路容易发生故障,挑战在于跨多跳路径提供稳定的端到端网络。为了确保网状网络的稳定性,关键将是通过有效的控制信令方法(通过带内、双频信令操作或两者兼而有之)主动进行链路和拓扑管理。因此,在太赫兹网状网络中,①链路层和物理层之间的跨层设计将是必要的,以确保链路级别和端到端级别的服务质量要求,以及②由于超高数据速率和低延迟要求,简化跨协议栈的交互将变得很重要。

6、一旦从多Gbps容量向太赫兹容量转变,通过6G网络的总流量将会增加。这反过来会导致传输层在拥塞控制和可靠的端到端传输方面的沉重负担。因此,鉴于处理流量的动态,需要对现有的TCP拥塞控制窗口进行重大修改。实现这一目标的一种方法是将网络和传输层与数据链路层合并。然而,将要求开发新的路由和传输协议,这将提高协议栈的效率,还将实现媒质接入控制、路由和传输功能的联合操作和优化。

7、关于媒质接入控制,存在重大问题,例如①由于非常集中和定向的波束而增加了对准发射器和接收器的问题,②由于传输覆盖和网络发现问题,控制信道必须搜索用于通信的频带(即毫米波段或太赫兹)和天线的半向或全向模式,③没有指定的小区边界,以及④使用密集网络的空间重用监测干扰和同时传输调度。上述问题可以通过在接收端同时实现长用户中心窗口(LUCW)方法和连续干扰消除来缓解。上述与波束赋形技术一起形成了太赫兹非正交多址接入(NOMA),具有优化空间、频谱和功率资源的巨大潜力;但是,这需要得到进一步研究。

8、在编码技术方面,需要增强现有的前向纠错(FEC)码。用于太赫兹通信的增强型FEC码也需要在先进的太赫兹芯片组中进行验证和演示。一旦了解了太赫兹通信中的错误源,还可以评估先进的最新代码,例如涡轮码、低密度奇偶校验码和极化码作为可能的候选码。作为现有编码方案的替代方案,还可以为太赫兹通信开发破坏性类型的超低复杂度信道编码方案。在设计有效的差错控制策略时,必须描述信道差错的性质。

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