感知协同太赫兹多天线移动通信：原理、现状与展望

宽带巨容量太赫兹通信作为6G的关键技术之一，与多天线结合有望实现Tbps量级高速率移动通信，支持6G车联网、无人机抗扰回传、无线骨干网等。然而太赫兹多天线窄波束移动追踪滞后，严重制约太赫兹移动通信的落地应用。为此，首先分析太赫兹多天线移动通信的基本原理，指出波束追踪为制约移动的关键难题，亟需感知协同方式破解难题；然后阐述感知协同所需的用户运动模型，包括快速移动、微弱移动和控制辅助的移动；之后综述现有感知协同的太赫兹多天线波束追踪技术，包括信道感知、回波感知和带外感知；最后分析感知协同太赫兹多天线移动通信尚未解决的难题，展望未来可能的发展方向，包括感知协同多天波束追踪信息理论、太赫兹硬件缺陷制约下的多天线波束追踪和感知协同调制技术。     

时分MIMO滑坡雷达稀疏成像算法

针对现用于成像的MIMO山体滑坡雷达均匀线性阵列数目过多、数据处理复杂度高的问题，引入稀疏阵列时分地基MIMO雷达模型，提出一种基于逆傅里叶变换和混合匹配追踪算法的成像方法。首先通过对雷达回波信号作逆傅里叶变换实现距离向压缩，并进行近似相位补偿，然后采用一种基于时延补偿因子稀疏基的压缩感知算法实现方位向压缩。同时针对多目标成像的伪影点问题，方位向数据压缩引入子空间追踪算法和正交匹配追踪算法的结合算法重构出高分辨率且没有伪影的二维图像。根据真实的山体滑坡监测成像场景参数，通过数值仿真验证了该方法能够在低于传统均匀阵列的天线数目情况下实现目标高质量成像，且具有一定的抗噪性。     

太赫兹超大规模3D MIMO系统中的波束斜视补偿技术

太赫兹通信技术凭借超大带宽的优势成为未来6G的关键技术之一。超大规模天线技术可以提供巨大的空间分集,提升频谱效率,同样在6G无线通信系统中起到关键作用。在基于移相器的大规模MIMO（multiple-input multiple-output）混合预编码中,由于太赫兹频段的超大带宽,不同频率的子载波信道具有不同的等效空间方向,发射端波束形成时,将带来严重的波束斜视问题。与此同时,随着天线规模的不断增长,超大规模天线技术的应用更进一步扩大了波束斜视造成的影响。针对超大规模天线阵列带来的波束斜视现象放大问题,本文利用3D MIMO平面天线阵列来改善这一状况。为进一步改善太赫兹频段超大带宽引起的波束斜视,在3D大规模MIMO系统的基础上,本文提出了基于两层移相器结构的混合预编码方案,利用第二层移相器,对不同频率的子载波进行补偿。实验结果表明,本方法可以有效地弥补波束斜视带来的阵列增益损失,实现接近最优的系统性能。      

智能反射面辅助的太赫兹卫星通信鲁棒安全波束成形算法

本文针对智能反射面辅助的太赫兹卫星通信系统，提出一种基于用户非完美信道状态信息的鲁棒安全波束成形算法，以提升系统的物理层安全性能.首先，在智能反射面辅助的太赫兹卫星系统采用多播传输技术向多个合法用户发送信号，并且在其覆盖区域内存在多个窃听者的场景下，建立以卫星发射功率最小化为目标函数，合法用户的可达速率和可达安全速率满足要求为约束的联合优化问题.其次，考虑到非完美信道状态信息导致可达速率和可达安全速率均为非凸的概率约束，提出采用二阶泰勒展开和S程序方法对其进行转化，并进一步通过半正定规划完成智能反射面的相移矩阵和卫星发射功率的联合优化设计.最后，计算机仿真验证了所提算法的有效性和优越性.     

IRS多分区辅助太赫兹多子阵列波束成形设计

在智能反射表面（IRS）辅助太赫兹（THz）通信系统中，为突破信道稀疏性对系统空间多路复用增益的限制，提出收发端采用宽间隔多子阵列混合波束成形架构，设计IRS多分区辅助THz多子阵列的传输方案。首先，基于频谱效率最大化原则，构建一个含有多变量耦合和非凸约束的非凸目标函数；然后，将优化问题解耦成2个易于求解的子问题，即IRS反射系数矩阵设计问题和收发端混合波束成形矩阵设计问题；最后，采用黎曼流形优化算法计算IRS反射系数矩阵，并通过数理推导得到混合波束成形矩阵的闭式解。仿真结果表明，与基准方案相比，所提方案可以获得更好的频谱效率。     

一种宽带高增益太赫兹透镜天线及其组阵设计

给出了一种宽带高增益的太赫兹介质透镜天线的设计方法，该太赫兹透镜的中心工作频率为220 GHz,工作带宽超过20 GHz,透镜外形为边长118 mm的方形。太赫兹透镜采用平凸透镜形式，透镜材料选用低损耗的氧化铝陶瓷，介质透镜前后表面带有阻抗匹配层，起到减小空气-介质交界面电磁波反射的作用。综合采用上述3种设计手段的太赫兹透镜天线实现了高增益和高效率。在太赫兹透镜天线容差分析的基础上，加工了太赫兹馈源网络和透镜样机，并进行了实物测试。实测太赫兹馈源网络的驻波、极化隔离度、天线增益和天线方向图均与仿真较为接近。进一步，将该阵列单元用于组阵以继续提高太赫兹天线增益，给出了周期组阵和非周期组阵2种布阵设计。计算结果表明，通过非周期组阵设计的透镜阵列天线，可以将栅瓣电平由-8.38 dB抑制到-13.69 dB。     

太赫兹技术发展及其应用于6G的挑战分析

作为6G潜在技术之一,太赫兹技术对数据速率提升、超密集连接、低时延传输等具有积极作用。首先阐述了太赫兹技术的传播特性和信道建模方法。根据传播特性确定了大尺度、小尺度和微尺度3个维度的太赫兹应用场景。接着,针对太赫兹特殊的频谱特性,设计了物理层波形、调制编码、超大规模多输入多输出(UM-MIMO),以及媒体接入控制(MAC)层波束管理方案。最后,关注了适用于太赫兹频段的智能超表面(RIS)技术,探讨了RIS关键使能技术与方案设计。     

基于双策略差分进化算法的太赫兹MIMO阵列雷达优化

太赫兹波由于其高分辨率、高穿透性和高安全性等特点，太赫兹MIMO阵列雷达结合了多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)阵列技术，能够实现实时高分辨率成像，在人体安检等领域得到了广泛应用。然而，由于太赫兹波波长更短以及稀疏布阵使阵元间距远大于发射信号半波长，使阵列雷达波束方向图中出现高栅旁瓣电平问题，影响成像质量。针对该问题，文中在差分进化算法的基础上提出了一种双策略自适应差分进化算法(Dual Strategy Adaptive Differential Evolution,DSADE)用于阵列优化：首先，改进种群初始化方法，使用Kent混沌序列生成初始种群，该方法能够使初始个体基因在解空间中分布更加均匀；其次，提出了一种双变异策略，使算法能够根据迭代次数和个体适应度值选择合适的变异策略；最后，对参数进行了自适应改进，使参数能够根据个体进化情况进行自主调整。为验证DSADE算法收敛性选取了8组标准函数对算法进行了测试，DSADE算法在所有测试函数上均能取得最好的收敛效果。此外，使用DSADE算法对太赫兹MIMO雷达进行了仿真优化实验，该算法...     

新型太赫兹波束分离器的设计

近年来,随着射电望远镜外差式阵列接收机的发展,基于相位光栅技术的波束分离器在亚毫米波长范围内得到了重要的应用,它能够将单个本地振荡器信号经过分束同步传送到超导SIS/HEB混频器阵列接收机中。由于太赫兹频段相位光栅的特征尺寸在亚微米级,其加工精度直接影响器件性能,给微加工技术带来巨大挑战。基于此,笔者所在课题组结合相位编码超材料技术设计了一种新型的太赫兹四波束分离器,仅需利用单层超材料编码单元便可实现宽带电磁波束的分离,波束转换效率高,结构简单且易于加工,同时反射波束的方向可灵活调节。为了与实际测试系统相匹配,着重研究了不同入射角度下的波束分离,并得到了最佳的斜入射角度范围（小于30°）,相对工作带宽可达52%,反射的四个波束功率相差不超过10%,这为太赫兹频段射电望远镜超导混频器阵列接收机的本振信号功率分配提供了新的解决方案,也有利于其他新型太赫兹功能器件的设计和发展。     

大型阵列降维-和差多波束形成的联合优化算法

 大型、超大型相控阵列由于具有高增益、指向性强等优点得到越来越广泛的应用,数字波束形成具有抗干扰、波束切换灵活等优点,而基于大型全阵列数字波束形成需要庞大馈电网络与接收/发射通道而面临高成本、低实时性等缺点.针对此,本文提出了一种用于大型阵列的阵列降维-和差数字多波束形成的联合优化算法,该算法对大型阵列采用模拟和数字联合和差多波束形成,通过基于模拟退火、遗传算法和粒子群智能优化算法的子阵划分优化和子阵级与阵元级的和差联合加权逼近优化,保证在模拟子阵方向图内无栅瓣的同时,获得尽可能好的和差波束主副比及差波束零陷深度,且增益损失较小.最后仿真实验和性能分析验证了所提算法的有效性和可行性.     

基于协方差矩阵特征分解的MIMO阵列多目标检测方法

正交波形MIMO雷达各阵元发射相互正交的信号波形,采用低增益的宽波束照射探测空域。利用信号和噪声特征值大小以及特征增量之间的差异,提出了MIMO阵列特征门限（ET）多目标检测方法（MIMO-EI）,并与常规阵列算法做比较,通过计算机仿真说明MIMO-ET方法双目标检测能力优于传统相控阵ET方法。     

基于波导缝隙阵列的新型太赫兹频率扫描天线

为缩短太赫兹系统成像时间,该文提出将频率扫描天线应用于太赫兹成像系统中,并设计了一种基于波导缝隙阵列的太赫兹频率扫描天线。该文采用泰勒综合法降低副瓣电平,通过软件仿真结合功率传输法设计最优的缝隙分布。太赫兹波导缝隙阵列天线具有加工简单、成本低的优势,通过太赫兹准光测试系统对天线性能进行测试,实测天线扫描角度可达40°,增益约为15 dB,副瓣电平抑制优于–20 dB。测试结果表明太赫兹波导缝隙天线具有扫描角度大和副瓣低的优良特性,在太赫兹成像和目标探测等领域有巨大的应用价值。      

面向无人机小区覆盖的毫米波波束优化设计

为了提高无人机毫米波波束覆盖区域内的通信容量,改善覆盖区域内用户通信质量,本文结合均匀平面阵列天线,提出采用一种基于目标覆盖区域量化的波束优化设计方法。该方法首先将目标区域进行量化,根据理想波束增益得到理想混合预编码向量;其次,以实际预编码向量与理想预编码向量之间的均方误差最小化为目标获得最优波束,进一步利用改进的正交匹配跟踪算法去拟合产生适合实际系统的波束成形矢量。仿真表明该波束设计方法在收敛速度和收敛精度上均优于传统方法,并可以获得更好的波束形状和波束增益,从而提高无人机目标覆盖区域内用户的通信质量。      

太赫兹超材料相控阵天线波束宽度调控方法

太赫兹超材料相控阵由于其强大的波束操纵能力在探测与通信一体化系统中具有重要的应用价值。为了提升系统的通信和探测性能,需要太赫兹超材料相控阵能够实现宽波束和窄波束的灵活切换。提出了一种基于反相位间隔(反相)编码的太赫兹超材料相控阵天线波束宽度调控方法。通过天线3 dB波束宽度表达式和目标波束宽度逆推阵列规模,保持其相位编码不变并对该阵列规模外的其余阵元进行反相编码,旨在实现相位相反相消。仿真结果表明,所提方法可以准确地调控太赫兹超材料相控阵天线的波束宽度,实现宽波束和窄波束的灵活切换。     

超宽带雷达自组网的数字波束扫描研究与实现

概要介绍超宽带雷达自组网方式特点及布站方式,重点分析了超宽带信号时延控制形成波束扫描的实现方法,从而解决阵列延时带来的旁瓣以及低增益的问题。与传统相控阵雷达不同的是不再利用移相器,而是估计出各个阵列的时延并通过整数延迟线和FIR分数滤波器进行精确时延补偿,仿真结果表明,该方式波束方向指向性能好,没有旁瓣。     

一种宽带单元数字化有源相控阵发射多波束时延设计

通过侦干探通多功能一体化物理集成,实现任务可定制,提升作战应用灵活性,是未来电子装备发展的必要趋势之一。针对多功能一体化应用的宽带单元数字化有源相控阵雷达发射多波束时存在的孔径渡越问题,利用基于正交投影的多波束形成算法,联合整数和分数阶时延相结合的数字时延方法完成上行链路设计。通过计算机仿真,对发射多波束的方向图性能、波束间隔离度、增益损失、波束副瓣性能进行考察,验证了设计的有效性。     

米波雷达最大似然超分辨测高技术研究

米波雷达垂直面波束比较宽,直达波与多径相干叠加导致垂直面波瓣分裂,波束比幅或DBF(数字波束形成)搜索的方法无法进行测高。介绍了最大似然算法原理,分析了米波雷达反射场的几何模型,提出了与阵列几何模型匹配的最大似然阵列超分辨测高方法,给出了算法的具体实现步骤,有效解决了米波雷达低仰角测高问题。针对试验米波雷达系统采集的实际回波,给出了DBF搜索、传统最大似然及该文算法的处理结果,试验结果也表明了该方法的优良测高性能。     

太赫兹3D打印透镜综述

太赫兹波由于其独特的电磁特性可应用于超高速率无线通信、生物化学物质检测以及高分辨率成像等领域。但由于太赫兹波的物理波长小,传统适用于低频的加工工艺难以满足其加工精度的要求;而微纳米加工工艺又具有加工复杂、成本高等缺点。3D打印技术的发展为太赫兹器件的加工提供了新的选择和更多的设计灵活度。文章介绍了香港城市大学太赫兹与毫米波国家重点实验室在3D打印太赫兹透镜方面的最新研究动态和实验研究新成果,包括基于3D打印的太赫兹高增益圆极化透镜、近场聚焦圆极化透镜、贝塞尔波束生成透镜的设计,高精度3D打印方法的探索以及太赫兹天线测试方法等。太赫兹3D打印透镜天线具有低成本、低损耗、能快速成型等特点,可应用于不同的太赫兹场景中。     

多径信道中基于盲波束成形的CDMA多用户检测和伪码估计

在分析阵列天线接收的多径CDMA信号的基础上,发掘阵列信号子空间与扩频用户伪码序列的关系,对传统的子空间波束成形器结构做了改进,提出一种新的基于盲波束成形的伪随机码序列盲估计算法。算法采用复独立分量分析法迭代,得到盲波束成形器系数,能在波达方向未知的情况下,估计各个用户的扩频序列。本文同时提出一种基于盲波束形成的异步多径CDMA信号多用户检测算法,可以在未知各个用户扩频码和波达方向的先验知识条件下,完成多径异步CDMA信号的多用户检测。算法由于同时利用了扩频增益和阵列天线分集增益,相比于单天线多用户检测算法性能有所提高。理论分析和仿真结果验证了算法的可行性。      

一种移动感知的太赫兹无线局域网定向MAC协议

现有太赫兹无线局域网定向MAC(Medium Access Control)协议中,节点移动情况下PNC(PicoNet)发送beacon帧时存在部分控制字段浪费、CTAP(Channel Time Allocation Period)中PNC与DEV(Device)进行波束赋形开销偏大等问题。为此,提出了一种移动感知的太赫兹无线局域网定向MAC(Mobility-aware Directional MAC,MA-MAC)协议。该协议采用基于卡尔曼算法的节点扇区预测机制对移动节点的扇区范围进行迭代预测,采用基于DEV扇区预测的beacon帧内容填充机制对beacon帧中时隙分配字段进行填充,采用基于节点扇区预测的快速波束赋形机制使得PNC与DEV之间波束赋形操作简化。通过仿真验证,与基于IEEE 802.15.3c的太赫兹无线局域网定向MAC协议和现有协议进行对比,MA-MAC协议下网络吞吐量得到了提升,网络平均时延、网络整体控制开销得到了改善。