太赫兹宽带混合预编码是未来高速无线传输的关键技术. 太赫兹系统带宽较大, 因而存在严重的波束分裂现象, 限制了用户的通信速率. 已有方案主要研究如何克服信道径模型下的波束分裂现象, 在存在角度扩展的信道簇模型下性能损失严重. 本文揭示了太赫兹宽带预编码的一个重要挑战, 即簇模型的波束分裂问题. 文章首先对比了径模型和簇模型中波束分裂的区别, 结果显示簇模型的波束分裂更加复杂, 使得现在的太赫兹宽带预编码技术性能损失严重. 为了解决这一问题, 提出了时相联合优化算法, 通过对数字预编码矩阵、移相矩阵和延时矩阵的联合优化, 逼近理论最优的无约束宽带预编码, 从而匹配实际信道簇模型. 仿真结果显示所提算法可同时对抗径模型和簇模型的波束分裂问题, 且在簇模型下性能增益最为明显.
崔铭尧, 谭竞搏, 戴凌龙. 面向信道簇模型的太赫兹宽带混合预编码. 《中国科学:信息科学》, 2022, doi: 10.1360/SSI-2022-0137.
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太赫兹通信能够提供高达几十GHz的带宽, 可轻松满足未来6G的超高速传输需求. 由于太赫兹频段路径衰减极为严重, 常采用大规模多入多出(MIMO)技术, 通过预编码生成高增益定向波束, 增强太赫兹信号的覆盖范围, 以支持太赫兹宽带移动通信. 然而传统的全数字预编码技术使用了大量昂贵且高功耗的太赫兹射频链路, 因而难以应用于太赫兹大规模MIMO场景. 幸运的是, 混合预编码技术能以较少的射频链支持大规模MIMO, 因而被认为是未来太赫兹宽带无线移动通信的使能技术之一.然而, 受太赫兹信道的波束分裂和角度扩展两方面因素的影响, 经典的混合预编码也不易直接应用于太赫兹宽带通信. 一方面, 太赫兹系统带宽较大, 存在波束分裂现象, 即不同频点的波束将沿着不同的方向传播, 偏离目标用户所在方向, 严重限制了阵列的波束增益. 另一方面, 受角度扩展的影响, 信道在角度域呈现簇状不规则分布, 加剧了宽带波束赋形设计的难度. 因此, 如何解决簇模型下的波束分裂问题, 是太赫兹宽带预编码的关键.
为此, 本文提出了时相联合优化算法以实现针对信道簇模型的高增益太赫兹宽带预编码. 具体而言, 作者首先分析比较了径模型和簇模型下波束分裂的差异, 结果表明簇模型下不同频点的波束不仅发生了分裂, 还发生了畸变, 使得宽带预编码的设计更加复杂, 而已有的太赫兹宽带预编码方案难以应用到信道簇模型. 为了匹配实际簇模型, 作者在文献[11]提出的时相混合预编码的基础上, 将太赫兹宽带预编码建模为矩阵分解问题, 并提出了时相联合优化算法求解上述矩阵分解问题. 所提算法的基本思想是通过交替迭代的方式, 联合优化延时和相移, 使得宽带混合预编码矩阵逼近簇模型下的最优宽带全数字预编码矩阵, 从而实现高增益的太赫兹宽带预编码.
作者对比了各种预编码算法, 以验证所提时相联合优化算法的性能. 图5-6绘制了平均可达速率随传输信噪比变化.
图8显示所提算法的能量效率明显高于传统混合预编码的能量效率.
下图显示了对多用户预编码场景进行仿真实验的结果. 结果显示, 所提时相联合优化算法在多用户通信场景下依旧可以实现准最优的预编码性能, 相较现有的混合预编码算法约有20%的速率提升.
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《中国科学：信息科学》| SCIENCE CHINA Information Sciences
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