[论文解读] THz Precoding for 6G: Applications, Challenges, Solutions, and Opportunities

Jingbo Tan, Linglong Dai|arXiv (Cornell University)|May 21, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 13被引用 22

一句话总结

本文研究6G网络中的太赫兹（THz）预编码技术，解决路径损耗严重、波束分裂效应和高功耗等挑战。比较了模拟波束成形、混合预编码和时延-相位预编码，结果表明时延-相位预编码在用户数较少时能实现最高的能量效率，而可重构智能表面（RIS）则为太赫兹系统中的遮挡问题提供了有前景的解决方案。

ABSTRACT

Benefiting from the ultra-wide bandwidth, terahertz (THz) communication is becoming a promising technology for future 6G networks. For THz communication, precoding is an essential technique to overcome the severe path loss of THz signals in order to support the desired coverage. In this article, we systematically investigate the dominant THz precoding techniques for future 6G networks, with the highlight on its key challenges and opportunities. Specifically, we first illustrate three typical THz application scenarios including indoor, mobile, and satellite communications. Then, the major differences between millimeter-wave and THz channels are explicitly clarified, based on which we reveal the key challenges of THz precoding, such as the distance-dependent path loss, the beam split effect, and the high power consumption. To address these challenges, three representative THz precoding techniques, i.e., analog beamforming, hybrid precoding, and delay-phase precoding, are extensively investigated in terms of their different structures, designs, most recent results, pros and cons. We also provide simulation results of spectrum and energy efficiencies to compare these typical THz precoding schemes to draw some insights for their applications in future 6G networks. Finally, several important open issues and the potential research opportunities, such as the use of reconfigurable intelligent surface (RIS) to solve the THz blockage problem, are pointed out and discussed.

研究动机与目标

• 识别并分析太赫兹预编码中的关键挑战，这些挑战源于毫米波与太赫兹信道之间的差异。
• 基于结构、设计、性能和能量效率，评估并比较三种主流太赫兹预编码技术——模拟波束成形、混合预编码和时延-相位预编码。
• 提供频谱效率和能量效率的仿真结果，以指导未来6G网络的实际部署。
• 突出开放的研究问题，如遮挡、硬件损伤、用户移动性和大气闪烁效应等。
• 探索新兴机遇，特别是利用可重构智能表面（RIS）克服信号遮挡并降低功耗。

提出的方法

• 本文比较了三种太赫兹预编码架构：全模拟波束成形、混合模拟-数字预编码以及使用时延的数字波束成形（时延-相位预编码）。
• 分析了距离相关的路径损耗、波束分裂效应以及高功耗对太赫兹系统性能的影响。
• 通过系统级仿真，评估了在不同用户数量下，三种预编码方案的频谱效率和能量效率。
• 研究采用了适用于室内、移动和卫星太赫兹通信场景的真实信道模型。
• 提出采用RIS辅助的太赫兹预编码作为解决视 Line-of-Sight（LoS）遮挡问题的方案，通过无源波束成形实现非视 Line-of-Sight 链接。
• 讨论了相位噪声、I/Q不平衡和功率放大器非线性等硬件损伤及其对系统性能的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 太赫兹信道的传播特性与毫米波信道有何不同？这些差异为预编码带来了哪些新挑战？
• RQ2 在太赫兹系统中，模拟波束成形、混合预编码和时延-相位预编码在性能和功耗效率方面存在哪些权衡？
• RQ3 用户数量如何影响不同太赫兹预编码技术的能量效率，特别是在波束分裂效应存在的情况下？
• RQ4 可重构智能表面（RIS）在多大程度上能够缓解太赫兹通信中的遮挡问题并提升系统可靠性？
• RQ5 太赫兹预编码中的关键开放问题有哪些，包括硬件损伤、用户移动性和大气闪烁等环境效应？

主要发现

• 当用户数为四个或更少时，时延-相位预编码实现了最高的能量效率，原因在于波束分裂效应减弱且硬件复杂度更低。
• 混合预编码在频谱效率和功耗之间提供了良好的平衡，适用于多用户场景。
• 模拟波束成形虽然结构简单、复杂度低，但仅限于单流传输，且受波束端射（beam squint）和波束分裂效应的限制。
• 波束分裂效应导致宽带太赫兹系统性能下降，而时延-相位预编码通过使用时延而非移相器有效缓解了该问题。
• RIS辅助的太赫兹预编码在解决LoS遮挡方面展现出巨大潜力，可在非视 Line-of-Sight 环境中实现可靠通信。
• 由大气湍流引起的闪烁效应显著降低太赫兹信号质量，而当前关于建模与抑制的研究仍显不足，表明存在关键的研究空白。