【2021】【论文笔记】6G技术愿景——OTFS调制技术
前言
类型
太赫兹 + 通信
期刊
物理学报
作者
冯伟,韦舒婷,曹俊诚
时间
2021
目录
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前言
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研究目的
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- THz波
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6G关键技术
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- 新型波束技术
- 多址接入技术
- 信道编码
- 大规模MIMO技术
- 频谱管理
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6G技术趋势
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\bigstarTHz信道
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结论
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问题
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研究目的
为了实现6G，现在世界各国提出了各种方案，包括THz技术、新型波束技术、多址接入技术、信道编码技术、大规模MIMO技术、频谱管理等
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THz波
THz桥接了红外和微波波段
与红外通信相比, THz 波能穿透烟雾和浮尘, 对不同环境适应能力强, 不易受到天气因素的影响, 因此THz通信更容易对光束进行跟踪和校准
THz 波还能穿透像木料、陶瓷、塑料、脂肪等非金属和非极性器件, 因此 THz 通信不易受阻挡物干扰而中断, 适应情境更广.
与X射线（频率比紫外线高）相比, THz 波的能量较小, 对人体不易造成伤害,故其安全性能更高.
与毫米波段相比, THz 的方向性能比较好 , 未经授权的用户很难从较窄的 THz波束中进行窃听, 这保证了消息的机密性
THz 通信还可以很好地利用扩频、跳频技术来对抗干扰攻击 , 提升攻击者窃取信息的难度
THz 地面通信多适用于局域近距离通信, 具有高数据率和低延迟的特点
THz 通信可以实现几百 Gbit/s 到几十个 Tbit/s的高数据传输速率, 可满足人们对数据流量指数级增长的需求. 采用 100 Gbit/s 的无线连接, 一秒钟内就能下载大约 25GB 的蓝光电影
THz 波不仅能在空气中传播, 还能在等离子体介质中传播
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6G关键技术
新型波束技术
功率放大器 (PA) 的非线性特性限制了系统的设计
需要新型波束设计
在高阶调制不适用的情况下，非正交波形 (NOW) 可改善离散傅里叶变换，扩频，正交频分复用 (DFT-s-OFDM) 的频谱效率
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正交时频空间 (OTFS) 调制技术 是一种综合了码分多址 (CDMA) 和正交频分复用(OFDM) 性能的新型调制方案. 研究发现该调制技术在高多普勒信道、大天线阵列或在高频率的信道中, 每个传输符号都能获得接近恒定的信道增益, 且在 延迟-多普勒信道 范围内, OTFS 显示出明显低于 OFDM 的错误率
时延-多普勒信道：
傅里叶变换中，
时域t\leftrightarrow 多普勒\nu \\ \\ 频域f \leftrightarrow 时延\tau
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多址接入技术
利用大相控阵波束，将毫米波 、 非正交多址接入（NOMA） 结合起来
NOMA在上下行链路上，同时为多个用户提供服务，大大提高了频谱利用率。NOMA还提高最优的吞吐量？
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信道编码
5G 采用了极性码作为控制信道编码的方式
——高可靠性、高频谱效率
在数字通信系统中，使用正电平、负电平或零电平表示二进制信息“1”和“0”的码型称为极性码
极性码的代码构造涉及特定的信道特性, 直接影响到译码算法的性能和复杂性
极性码在衰落信道中性能较差, 而通过使用动态冻结符号 获得的代码可提供 0.8 dB 的增益
5G 移动通信标准中, 数据通道目前采用分组码-低密度奇偶校验码 (BC-LDPC), 但这种方案译码收敛速度慢, 译码复杂度高, 译码延迟长, 编码长度短, 码率低
卷积码 LDPC (CC-LDPC) 在这些方面则具有明显优势, 在未来 6G 移动通信中适应度高
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大规模MIMO技术
有节能、高安全性、低延时、高效利用频谱能量
天线数量\uparrow + SNR\uparrow \;\; \Longrightarrow 容量\uparrow
另外，大规模MIMO技术使用了空间多路复用SM技术，将容量提高十倍以上
增加更多的远程天线单元（RAUs）和用户的布局密度，使得整体频谱效率更高!
石墨烯天线
在THz频段下, 由于石墨烯的等离子体纳米天线阵列技术的发展, 仅占用1 mm^2的阵列就能实现1 THz的1024\times 1024超大规模的MIMO系统
无蜂窝大规模MIMO系统
无蜂窝大规模 MIMO 系统在吞吐量方面, 显著优于小蜂窝系统, 无蜂窝的大规模 MIMO的每个用户 95% 的可能吞吐量几乎是小蜂窝系统的 20 倍
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频谱管理
5G 时代, 监管机构引入了 多种频谱管理方法 ，允许部署新的蜂窝网络
因为6G的频谱频段多样，传播特性不同，因此频谱管理的方法多样
6G既要追求新频段，又要保护现有频谱用户 。6G共享频谱的需求比以前任何时候都要高，将6G与传感、通信、人工智能融合
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5G技术的发展过程中均采用相控阵波束和大规模MIMO 技术来提高通信容量和补偿严重的路径损耗, 但存在制造成本高、功耗高等问题
为了进一步扩大通信容量和提高数据传输速率, 6G 将扩大用于移动通信的频率范围
2019 FCC决定开放 95 GHz—3 THz 的频段作为6G 试验频段, 目前研究人员实现的近百 Gbit/s 传输速率的太赫兹通信系统多集中于 300—500 GHz的频段范围内.
可见光通信是一种频段范围在 400—800 THz的高速通信技术, 该频谱无须授权, 运营商和设备商可自由应用
可见光通信也是未来实现6G技术的关键频谱资源之一
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6G技术趋势
6G 无线通信技术希望获得比 5G 高10\sim 100倍的数据传输速率
- 通过提高频谱效率
- 利用较大的频带带宽或频谱资源
根据C=Blog_2(1+S/N)可知，要达到1Tb/s的传输速率，带宽最小要0.2THz
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\bigstarTHz信道
THz频带比毫米波频段有更严重的路径损耗、大气吸收、漫反射
现在THz信道的测量都集中在100\sim 300GHz附近，场景多集中在室内
LOS视距传播：点对点的直线信号传播
NLOS非视距传播：有遮挡、反射、衰减、衍射、路径损耗的信号传播
如果 LOS 路径为主通信信道, NLOS 路径与 LOS 路径相比非常弱, 可被忽略（视距传播中的损耗比较小）
NLOS 路径损耗指数主要取决于材料对主通信信道的反射损耗
瓷砖、中/高密度纤维板等材料，反射能量主要集中在镜面方向， 非镜面方向的反射能量与镜面方向相比至少有40dB的衰减，且无论入射角为多大，在非镜面反射方向都会出现大幅度衰减
当地面是固体混凝土表面时, NLOS 路径干扰对 BER 影响更大, 而由于草表面对 THz 波的吸收要高些, 所以对 BER 的影响较小, 这就导致了 LOS 路径受到镜面NLOS路径（与地面反射有关）的干扰, 而这种干扰信号 对地面特性比较敏感
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结论
THz 通信具备高数据传输速率和宽带宽等优点, 信息传输过程中安全性能高, 有望引入 6G 系统中.
探索THz产生的新方法、发展新天线技术来提高 THz 信号的 增益 , 优化系统资源分配（节约体积、功耗、成本） , 进而实现 小型化、低功耗和低成本 的 THz 通信系统, 增加通信覆盖面, 提升数据传输速率和传输距离
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问题
光纤通信与可见光通信的不同？
- 光纤中使用的光波波长分别为：850nm、1310nm、1550nm这三种
- 可见光的部分波长范围为：390nm~760nm，其中大于760nm的部分为红外光，小于390nm部分是紫外光
由于光导纤维材料本身存在材料色散、模式色散、波导色散等因素，而色散在850nm、1310nm和1550nm这三种波长时的损耗为极小值，采用了这三种不可见光的波长
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LOS视距传播中的菲涅尔区域是怎样的？
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