[论文解读] Terahertz Communications (TeraCom): Challenges and Impact on 6G Wireless Systems

Chong Han, Yongzhi Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 12被引用 100

一句话总结

论文综述了太赫兹波段的优点与挑战，调查了器件技术进展，并概述了太赫兹通信对6G的影响，包括UM-MIMO、波束成形、MAC、路由和太赫兹mesh网络。

ABSTRACT

Terahertz communications are envisioned as a key technology for 6G, which requires 100+ Gbps data rates, 1-millisecond latency, among other performance metrics. As a fundamental wireless infrastructure, the THz communication can boost abundant promising applications, including next-generation WLAN systems like Tera-WiFi, THz wireless backhaul, as well as other long-awaited novel communication paradigms. Serving as a basis of efficient wireless communication and networking design, this paper highlights the key THz channel features and recent advancements in device technologies. In light of these, impact and guidelines on 6G wireless communication and networking are elaborated. We believe the progress of THz technologies is helping finally close the so called THz Gap, and will realize THz communications as a pillar of 6G wireless systems.

研究动机与目标

• 将太赫兹通信作为6G的关键驱动之一，并实现Tbps级数据传输速率和超低时延。
• 总结太赫兹通道特性及其对6G系统设计的影响。
• 综述太赫兹收发器、天线和RIS的进展，以缩小太赫兹差距。
• 为6G网络提供指南，包括UM-MIMO、调制、MAC、路由和网状网络。

提出的方法

• 将太赫兹通道特性与微波和自由空间光进行比较，以突出优点与局限性（表I）。
• 评述用于太赫兹收发器、天线和纳米天线的硬件性能与器件技术（表II）。
• 讨论太赫兹RIS作为控制传播、克服常规视线问题的手段。
• 提出对太赫兹UM-MIMO、调制/编码、MAC和网状网络的跨层设计考虑。

实验结果

研究问题

• RQ1 太赫兹信道的基本传播特性及其对6G设计的影响是什么？
• RQ2 哪些硬件技术能够实现实际的太赫兹收发器和天线，它们的权衡是什么？
• RQ3 如何将UM-MIMO、调制、MAC和路由适配到太赫兹频段，以满足6G要求？
• RQ4 RIS与网状网络在扩展太赫兹覆盖范围与可靠性方面可以发挥什么作用？

主要发现

• 太赫兹具有宽带宽和潜在Tbps级链路，但面临高扩散和大气损耗，导致频谱窗口和距离限制。
• 超大规模MIMO（高达1024x1024）配以极窄波束和混合波束成形架构，可以在稀疏的太赫兹信道中实现空间多路访问。
• 太赫兹器件包括电子/光子收发器和基于石墨烯的纳米天线，具有不同的发射功率、接收灵敏度和数据速率能力。
• RIS与超表面可以主动引导太赫兹传播，克服障碍，提升覆盖与安全性。
• 太赫兹网状网络需要MAC、PHY和路由之间的跨层优化，仿真显示来自基于频率-距离选择性资源分配的性能提升。