【2018】【论文笔记】最后一米THz——

前言

类型
$太赫兹+通信$
期刊
$IEEECOMMUNICATIONSMAGAZINE$
作者
$VitalyPetrov,JoonasKokkoniemi,DmitriMoltchanov,JanneLehtom\ddot{a}ki,YevgeniKoucheryavy,MarkkuJuntti$

时间
$2018$

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研究目的

不断增长的无线数据需求对未来的通信系统提出了极高的要求。

除了物理层的改进，包括高级编码、大规模多输入多输出(大规模MIMO)和认知无线电系统，研究人员目前还在研究许多架构解决方案。

由于大部分流量是在室内产生的，因此预计未来的系统将依赖大量的室内小单元来从蜂窝网络中大规模地卸下沉重的流量

为了实现这一点，最近研究了28ghz、60ghz等毫米波频率。

然而，毫米波的使用仍然会导致某些限制，因为室内的共享吞吐量只会接近几个Gbit/s

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THz通信

$\stackrel{◯}{1}$THz发射器

THz通常由低频振荡器 + 倍频器的组合，或光信号源 + 分频器产生

这两种方法的总体效率比直接信号发生器低几个数量器

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• Si和SiGe技术适用于$200\sim 300GHz$，因为载流子通过材料 的传输时间限制了该器件的速度
• GaN、InP和变质技术，有高电子迁移率、高材料击穿电压——GaN HEMT和InP基的截止频率大于$600GHz$，最大振荡频率高于$1.2THz$
• 共振隧穿二极管RTD，也被用于构建THz半导体振荡器

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现在，提高太赫兹输出功率的努力包括iBROW项目
——该项目的目标是在具有Si的III-V平台上通过RTD传输超过1mW的功率
光电子RTD可以使毫米波或太赫兹毫微微蜂窝连接到高速光网络。便携式设备采用全电子RTD

DARPA THzE计划的目标是在1.03 THz下达到10 mW

最后，纳米等离子体技术
——即在小于光波长的尺度上控制电磁辐射，从而克服衍射极限，最近引起了特别关注

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$\stackrel{◯}{2}$THz传输

THz频带在通信中的适用性的挑战是THz信号随距离的衰减

自由空间路径损耗的频率依赖性来自接收器的频率依赖天线孔径。在1太赫兹时，有效天线孔径比在1 GHz时低一百万倍，从而导致60 dB的衰减（频率越高，有效天线孔径越小，衰减越大）
太赫兹的发射功率也可能更低，因此为了在几米的范围内实现可靠的连接，需要在Tx和Rx上安装高增益天线
——高增益天线更容易在更高的频率下构建？

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分子以共振频率吸收电磁能。对于毫米波来说已经很明显，分子吸收在太赫兹波段变得更加有害。根据比尔-朗伯定律，吸收损失在距离上呈指数关系
为了克服这一问题，最近提出了使用受分子吸收影响较小的子带，即所谓的 “透明带” （例如0.1–0.54THz）

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环境对能量的吸收导致所谓的分子噪声，因为吸收的能量被释放回环境。这种噪声在过去几年中得到了研究，因为它的存在可能会使链路和系统级分析复杂化

由于这种理论预测的现象从未在实际实验中观察到，因此对其影响还没有明确的结论。然而，大多数模型预测分子噪声的电平与接收功率电平成比例，因此随着距离的增加而迅速降低。

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THz通信原型？

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最后一米THz无线接入愿景

THz插头

该论文介绍了一种高数据速率的“最后一米”室内THz通信系统，其将现有的以太网基础设施重新用于互联网连接与无线局域网和蜂窝网络的大规模流量卸载

THz插头是一种低成本的THz热点，插入连接到标准以太网基础设施的以太网插座中，

如果使用铜线介质，则通过以太网供电PoE技术供电

如果将THz插头放在办公桌旁边，用户就可以可靠地将笔记本电脑或平板电脑连接到桌上任何位置或几米外的每秒千兆位无线链路

以太网基础设施已经部署在办公室和其他一些场所，从而实现了从高数据速率THz接口到/的高效且经济高效的数据卸载

• 由于WLAN技术的普及，以太网基础设施的利用率严重不足

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室内位置包括无线电波的困难传播环境

大量家具与墙壁和移动物体（如门，甚至人）相结合，可能会造成明显的阴影，从而导致信号质量的巨大空间变化。传统的室内通信系统，如无线局域网，通过微波频带提供足够的穿透特性来处理这些问题

移动到太赫兹波段，物体变得不透明，即使是小的结构，例如桌子上的杯子，也可能妨碍视距通信LoS，这是太赫兹通信的生命线。

为了评估所提出概念的潜力，我们需要了解太赫兹在室内环境中传播的主要好处和局限性。

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现场测量

• 材料越光滑，反射路径周围的峰值响应越高。表面粗糙度通过将能量分布在漫散射场上来降低反射路径能量
• 铝是最好的反射器，玻璃、塑料、硬纸板也没有那么糟糕

混凝土的性能与其他材料明显不同

只有在相对较低的频率下，混凝土才具有显著的反射分量
——这对太赫兹建模提出了挑战，必须考虑强反射和强扩散材料

该论文想强调的是，即使在极高的频率（如3THz）下，典型的办公材料仍有强烈的反射成分。这意味着即使在太赫兹频率下，通过第一反射的非视距通信也可能是可行的？？？（虽然反射少，但是还是能利用THz通信的）

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光线追踪评估

• 对于某表面的功率延迟分布PDP，视距通信LoS分量占主导，木质桌子和窗户的反射比LoS低于20dB，混凝土墙的反射光线散射较多，比LoS分量低$75\sim 120dB$

散射级别显著影响选定表面的PDP结构？

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实现路线图

1.连通性

在第一阶段，将讨论定向天线、波束学习/跟踪、调制、编码和即插即用操作

需要定向天线（例如用相控阵实现）来增加接收器的有效天线孔径。发射机还需要使用定向天线来补偿低发射功率

在毫米波方面，已经实现了微型相控阵，但在太赫兹方面取得的进展仍然有限，需要做更多的工作

朝着这个方向发展，太赫兹波段的小波长能够在一个小区域内封装数万个即将推出的 等离子体纳米天线元件 。这足以支持米距离链路。

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对于即插即用功能，网络必须将THz即插即放视为常规交换机

• 假设设想的设备是无IP的，所有数据转发都在链路层上执行

一个特别感兴趣的问题是保留以太网帧结构以便无缝服务扩展到空中接口的可能性。后者是非常理想的，以避免上行链路和下行链路业务的连续转码。

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2.移交

必须考虑支持用户宏移动性和切换功能

引入一个类似SDN的网络控制器，在专用区域内收集数据并管理所有THz插头

作用是不断监控用户的位置，并在接近离开当前连接时预选新的太赫兹插头以捕捉用户

这种类型的反馈可以通过波束配置和接收功率电平估计用户轨迹来实现

当用户到达其轨迹上最后可用的天线配置时，通过引导来自下一个太赫兹插头的接收波束来执行切换过程。

通过以太网接口将未发送的数据从当前太赫兹插头转发到下一个太赫兹插头。

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3.干扰缓解

当两个移动Rx非常接近时，可能会发生大规模干扰

IEEE 802.11ad标准化所积累的经验突出表明，具有定向天线的系统将需要全新的多址机制。这是电信研究中基本上“灰色”的领域之一，尚未提出全面的解决方案

• 除此之外，来自一条链路的反射/衍射/散射波可能会干扰另一条链路，这更难以预测。

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由于这些效应在具有节点移动性的组合中的存在，与较低频率相比，总干扰结构是全新的，接收信号质量的降低是不可预测的

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需要对高方向性太赫兹天线进行深入和准确的干扰建模，以了解和指定多用户太赫兹无线接入的干扰缓解技术

考虑功率控制和分频等传统缓解技术，以及针对高密度无线网络和太赫兹无线接入的新技术

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4.整合

根据HetNet概念，目前设想的接入网络集合集中控制“始终在线”宏基站接口，拟议的系统可以集成到现代无线世界中

HetNet：
是一套由大小单元所层叠的多层系统，可产生廉价带宽

此外，太赫兹无线接入可能成为最近引入的触觉互联网概念的网络控制技术推动者。与其他接入网络类似，该集成将需要一个内置网络控制实体与移动运营商基础设施接口
——每当用户靠近太赫兹插头或在用户离开覆盖范围时切换到较慢的技术时，数据平面都将以高速最后一米连接运行。

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结论

太赫兹插头是一种工作在太赫兹频段的设备，直接连接到以太网插座上

结合千兆以太网和未来的太赫兹无线接口将使大规模的无线数据传输成为可能

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尽管有理想的容量和数据速率值，太赫兹信号的高水平衰减和散射限制了通信范围，必须在LoS和nLoS(非视距通信)两种情况下通过使用具有动态波束形成的充分定向天线来缓解

这种天线、相关收发器以及高效波束跟踪算法的设计是充分利用太赫兹频段提供的巨大容量的关键挑战

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问题

为什么高增益天线更容易在更高的频率下构建？

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什么是比尔-朗伯定律？
比尔-朗伯定律是描述物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系
$$A=lg\frac{I_0}{I_t}=lg\frac{1}{T}=Klc$$
其中$I_0$是入射的单色光的强度，$I_t$是透射光强度，$l$是光程长度cm，$T$是透射比（透光度），$c$是吸光物质的浓度mol/L或g/L，$K$是吸光物质的吸收系数或摩尔吸收系数

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什么是功率延迟分布PDP？
PDP就是功率时延谱，描述信道在时间上的色散，是某一时延处的接收信号功率的期望

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