[论文解读] Wireless Connectivity in the Sub-THz Spectrum: A Path to 6G

Simon Bicaïs, Jean‐Baptiste Doré+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2022

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 4

一句话总结

本文研究了太赫兹无线通信（30–300 GHz）的物理层技术，以支持6G网络，提出先进的调制方案和大规模MIMO系统，以实现高谱效率和低复杂度。结果表明，混合波束成形与频谱效率高的调制技术可在真实传播环境中支持每秒数千兆比特的数据速率，使太赫兹成为未来高容量无线系统的一种可行路径。

ABSTRACT

Wireless communication in millimetre wave bands, namely above 20 GHz and up to 300 GHz, is foreseen as a key enabler technology for the next generation of wireless systems. The huge available bandwidth is contemplated to achieve high data-rate wireless communications, and hence, to fulfil the requirements of future wireless networks. In this paper, we discuss and illustrate new paradigms for the sub-THz physical layer, which either aim at maximizing the spectral efficiency, minimizing the device complexity, or finding good tradeoff. The solutions offered by appropriate modulation schemes and multi-antenna systems are assessed based on various potential scenarios.

研究动机与目标

• 通过探索30–300 GHz的太赫兹频段，解决未来6G网络对超高速数据速率的需求。
• 克服太赫兹频段中路径损耗和大气吸收等传播挑战。
• 开发在谱效率、能量效率和硬件复杂度之间取得平衡的物理层技术。
• 评估太赫兹通信中系统性能与实现复杂度之间的权衡。
• 为下一代无线网络中太赫兹系统的实际部署提供基础。

提出的方法

• 提出结合模拟与数字波束成形的混合波束成形架构，以减少射频链路数量，同时保持高方向性。
• 评估太赫兹频段中频谱效率高的调制方案，如高阶QAM和PAM，以最大化谱效率。
• 使用包含路径损耗、阴影衰落和多径 fading 的真实信道模型，模拟真实传播条件。
• 分析在不同信噪比（SNR）和带宽条件下的系统级性能指标，如谱效率、能量效率和误比特率。
• 采用链路级仿真评估视 Line-of-Sight（LoS）和非视 Line-of-Sight（NLoS）场景下多天线系统的性能。
• 在实际收发器架构设计中考虑硬件限制，如相位噪声和I/Q不平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用先进调制和波束成形技术时，太赫兹频段的可实现谱效率是多少？
• RQ2 与完全数字或仅模拟的解决方案相比，混合波束成形架构在谱效率和硬件复杂度方面表现如何？
• RQ3 在包含路径损耗和大气吸收的真实传播条件下，太赫兹通信的性能极限是什么？
• RQ4 不同调制格式如何影响高频带宽太赫兹系统中的谱效率和鲁棒性？
• RQ5 在太赫兹收发器设计中，谱效率、能量效率和硬件复杂度之间存在哪些权衡？

主要发现

• 在200 MHz带宽的视 Line-of-Sight 太赫兹链路中，混合波束成形可实现超过40 bps/Hz的谱效率。
• 在有利传播条件下，高阶QAM（如256-QAM）可实现高于8 bps/Hz的谱效率，且误比特率较低。
• 通过使用宽带信号和定向波束成形，太赫兹系统可在短距离内支持超过10 Gbps的数据速率。
• 大气吸收和路径损耗显著限制覆盖范围，但波束成形和高增益天线可缓解这些影响。
• 大规模MIMO与混合预编码相结合，可在保持高谱效率的同时降低硬件复杂度。
• 相位噪声和I/Q不平衡对谱效率构成实际限制，尤其在高频段和高速率下更为明显。