文丨小志一直说

编辑丨小志一直说

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前言

低太赫兹波段是实现高达1Tbit/s数据速率的有前途的候选者。要开发合适的通信系统，需要考虑到不断发展的技术的具体情况的新型仿真方法。

简介

由于当前的移动无线电一代无法满足某些用户对数据速率和延迟的需求，研究和市场推动了新型通信系统的发展。近年来，电子设备发展的进步使太赫兹波段具有吸引力且易于使用。通常被称为从0.1THz到1THz的低太赫兹频段是下一代无线系统的有希望的候选者提供大频带，分子吸收的影响有限。

太赫兹通信在数据速率方面具有巨大潜力，但面临着不同的传播机制，导致移动通信系统的设计和部署发生范式转变。针对各种应用，例如无线回程链路、设备到设备通信、车辆环境、无线增强型数据中心或无线个域网办公环境。

在太赫兹通信中，较高的路径损耗有利于使用高增益定向天线的点对点应用，这也可能通过 空间滤波降低干扰。波束跟踪对于移动用户来说是必要的。开始探索具有已知位置的固定P2P应用的新技术是一种明显的方法。

DC用例具有很大的潜力，固定的P2P链路可以很好地应用。通过以太赫兹频率集成无线链路，DC体验到性能提升，因为灵活性和适应性达到了新的水平。结合波束切换，网络控制器能够自动重新配置网络并以动态方式修改数据中心布局。

为了适应新的信道条件并满足所检查应用的要求，必须为物理层和更高层开发新的传输技术和协议。需要结合天线特性和波束形成的新几何相关信道模型来评估系统设计。在太赫兹通信的背景下，特别是单载波系统被讨论提供较低的峰均功率比，这意味着对具有挑战性的THz设备开发的要求较低。由于低太赫兹频段的通信系统使用尖端硬件设备，这些设备经过优化以达到技术上可行的解决方案的极限，设备特性的影响以及由此产生的射频损伤对信号和数据传输的影响特别令人感兴趣。

作为调制通道的时间离散信号的波形描述允许物理解释和与硬件设备的关系，并允许使用信号和系统理论。模拟器直接促进了现实的、接近硬件的模拟的艺术水平。提供完整的数据集是为了促进使用真实模拟数据对更高层进行基础研究。

当前研究

软件仿真对于新型通信系统的开发是必不可少的。高性能仿真工具降低了开发成本并加快了设计过程。为了产生真实和有意义的模拟结果，模拟器和模型必须涵盖所有相关的影响因素。对于低太赫兹通信系统，必须支持相关调制和编码方案、信道模型、波形和硬件相关减损。

MATLAB通信工具箱中的误码率分析工具提供三种仿真模式。理论模式提供BER作为信噪比的函数，半解析模式考虑了不同的调制方案和波形，但仅限于AWGN信道实现。MonteCarlo模式用作MATLAB或Simulink模型的接口，并允许对选定的SNR范围进行仿真。

MATLAB通信工具箱代表了广泛的信号处理功能集合，包括符合标准的波形滤波器、MCS，还包括多载波系统、统计信道模型和天线系统。用于PHY设计的完整仿真工具链有很好的文档记录，但它是封闭源代码，并附带一个额外的许可证。用户对算法和应用程序的具体实现的了解有限。功能和模块的封闭设计可能会阻碍方法适应特殊的定制用例和应用程序。该通道也仅限于在没有特定应用场景或特定订户交互的情况下的高抽象级别的随机描述。

第五代通信系统常用且符合标准的LLS是维也纳5G链路级模拟器，模拟5G通信系统中的新概念，主要关注多载波系统。处理时间离散信号的实施双衰落和空间信道模型脱离任何确定性环境，并保持在实施随机功能的一般水平。对于未来提供数百Gbit/s的低THz范围内的P2P链路，系统性能在很大程度上取决于部署环境，单载波系统将卷土重来。

Aff3ct库处理C++中前向纠错算法的高效实现，并提供范围广泛的FEC代码和各种解码器。它还能够运行LLS，实现整个数字通信链。模拟器停留在位级，仅实现数字通道，没有任何波形生成。分析信号和波形相关效应对数据传输的影响的能力是有限的。

ns-3扩展TeraSim是用于网络模拟的系统级模拟器。数据传输在数据包级别建模，数据包的成功接收是根据接收到的功率来确定的。该模拟器通过其通道模块适应太赫兹通信，该模块考虑了与频率相关的路径损耗，并特别考虑了整个太赫兹频带中的分子吸收。信号的实现仅限于功率密度谱的考虑。无法检查符号间干扰或多径传播的影响。

目前可用的LLS无法满足在太赫兹频率下模拟多千兆位P2P链路的所有要求。SiMoNe已通过链路级模块进行扩展以弥补这一差距。信道表示包括宽带信道模型、等效低通区域中时间离散信号的处理以及射频减损。由于集成在SiMoNe框架中，LLS通过现实环境中的射线光通道预测和系统级功能受益于传播模拟的接口，这些功能允许轻松访问和现实的干涉模拟。

技术概念

SiMoNe的开发始于2014年，作为移动无线网络系统级仿真的工具。从那时起，它已发展成为用于无线通信系统的真实传播和系统级建模的仿真套件。

对于LLS，关注一个链接的信号处理而不是网络的行为对组件的开发提出了不同的要求。由于为THz通信设想的大带宽和高数据速率，对LLS施加了严格的运行时间要求。

随着太赫兹通信领域技术的快速发展，模拟器必须具有适应性和灵活性，以对新概念、硬件和模拟技术做出反应。模拟器的模块化组合允许这样做。功能应捆绑在可互换和可连接的模块中。编程语言作为一种面向对象的语言，提供抽象类和继承等概念。通过使用父类为不同的子类提供通用功能，可以减少代码重复，同时允许互换性。

移动网络模拟器包含一个使用射线光学方法分析3D场景的框架。它可用于预测不同通信路径的延迟和振幅，同时考虑发射器和接收器的位置和方向。通过实现此框架的接口，可以在LLS中使用射线光学方法来导出逼真的3D场景的通道信息。它允许模拟各种场景并将测量结果与模拟进行比较，或者从测量可能无法访问的场景中得出结论。

SiMoNe用于多个研究项目并与其他研究伙伴合作。拥有适当的接口以实现与第三方的协作和仿真数据交换非常重要。该框架提供.mat和.csv格式的导入和导出功能。虽然MATLAB是一个成熟的工具，但.csv文件通常用于交换数据并允许在许多不同的程序和环境中实现高互操作性和普遍使用。通过牢记互操作性的需要，可以确保使用SiMoNe进行的研究可以与研究团体共享并产生有价值的影响。

PHY层模型和仿真器实现

所谓的链路级协调器充当仿真的控制实例。它持有所有配置参数，并将它们提供给实际传输链块。协调器控制块迭代，直到在位汇块中达到统计上显着数量的传输比特。每次协调器调用块时，位源块都会创建可配置数量的伪随机位。创建的位被提供为以下编码器块的状态。

太赫兹通信的信道编码是一项具有挑战性的任务，因为数据速率高，隐含了对传输符号进行高效编码和解码的需求。IEEE标准802.15.3d预见了允许高效硬件实现的高级编解码器。Aff3ct编码库是一个高度优化的C++库，可快速实现各种编码方案。其编码和解码功能已集成到LLS中，以便从其高效的信道编码中获益。

由于LLS是用C#编程语言编写的，Aff3ct编码库部分使用原生C++，这两个软件项目不能直接兼容。添加了使用指针实现编程技术的包装器库来处理和转换两个软件之间的调用。通过使用这个包装器，提供了汉明、RS和LDPC代码。Hamming和RS代码可以使用内部库参数进行配置，而LDPC代码的自定义生成器和校验矩阵是根据标准创建的，并导入到集成的Aff3ct库中。编码位b[k]作为调制器块的状态提供。

数据中心场景Top-of-Rack链路分析

高效的数据中心网络是应对本世纪挑战的必要条件，需要提供超低延迟、可靠性和灵活性。额外的无线链路将实现快速可重新配置，提高DC的性能和效率。ToR区域是机架间连接的有前途的区域，很有可能实现视距连接。在现实的DC模型中使用基于光线追踪的信道模型，通过链路级仿真评估单个ToR链路的性能。

接受调查的DC按行组织。每排机柜上方的塑料窗帘是该DC的一个特点，它将DC分为热区和冷区，以确保高效节能的气流进行冷却。TX和RX位于DC中间的同一行。TX和RX最初放置在距离d=0.69m的相邻机架上，随后增加一个机架，直到d=16.50m。

部署的天线是标准增益喇叭天线的模拟天线方向图，增益为26dBi，半功率波束宽度为8°，等于用于DC测量的天线。对设备特性的强烈依赖是与最新一代射频设备一起工作的低太赫兹系统所特有的，必须考虑波形和RF损伤才能可靠地预测链路性能。波形的影响对于汉明编码数据传输，sinc脉冲的BER更高，因为脉冲持续时间更长，可能对ISI更敏感。RRC表现出更好的性能，尤其是对于QAM。

与提供相同数据速率的较小带宽的16QAM等高阶调制相比，较低的调制阶数与较高的带宽相结合更为稳健。这一观察支持太赫兹通信的方法，以利用太赫兹频率的大可用带宽以及低阶调制方案。

RF减损对数据传输有重大影响并会缩短最大传输距离 。幅度受PA和LNA的TF的强烈影响，使得无法使用QAM进行数据传输。脉冲类型与导致不同BER的RF损伤相互作用。这强调了绝对有必要考虑射频特性，以便可靠地预测低太赫兹通信系统的PHY性能。

结论

模块化链路级模拟器使用IEEE标准802.15.3d中定义的高带宽和单载波调制。对精确的发射脉冲和信道进行建模，天线特性和RX的实际热噪声可以实现对硬件特性进行紧密建模的仿真。时间离散模型提供了包含硬件特性和RF损伤的可能性，这对模拟低太赫兹频段的尖端硬件开发具有重要影响。该模拟器已与最先进的技术进行比较，以显示新颖模拟方法的必要性以及集成传播的整体模拟套件的好处，链路级和系统级仿真。

为了证明其可操作性，该模拟器已经通过AWGN仿真和与MATLABBER工具的比较进行了验证。在无线增强DC的ToR场景中的应用显示了具有最先进硬件参数的单个链路的一般系统性能。

关键词：