[发明专利]基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法

说明书

本发明提出了一种基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法。本发明的基站用多个太赫兹频段相控阵实现多个扇区覆盖。基站将时间轴切割成若干个TDMA帧，在在每个帧的前部利用数字波束算法使相控阵形成覆盖宽的波束。终端监听该宽波束信号接入，并上报位置、速率、数据量、运动方向和速度。基站将TDMA帧后部分为低速业务子帧和高速业务子帧。低速传输子帧的波束宽，服务速率低、运动速度高的终端。高速传输子帧中，基站利用数字波束成型产生指向终端的窄波束，服务高传输速率、运动速度低的终端。该技术方案结合相控阵技术，利用宽、窄波束数字合成和切换方式解决了目前太赫兹频段通信仅能实现点到点通信，无法实现点到多点通信的问题。

技术领域

本发明涉及一种太赫兹频段无线通信技术领域的多用户接入方法，具体地说，涉及一种基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz(波长为3000μm-30μm)范围内的电磁波，是目前人类尚未完全开发的波谱“空隙”区。太赫兹波的频宽较高，目前在公开的应用领域还没有进行广泛的频带分配，本身具备高效的传输速率和极低的散射性，方向性好、穿透性好，而且安全度相对较高，可以说是一种具有巨大应用前景的通信技术。太赫兹通信特别适合用于宽带移动通信及空间通信，国际通信联盟已指定0.12和0.22THz频段分别用于下一代地面无线通信(移动电话)和卫星通信。

由于其可用带宽很大，太赫兹频段的传输速率可达10Gbps以上。然而由于生产工艺的限制，太赫兹频段功放、尤其是固态功放的输出功率大致在20dBm以下，且接收机LNA的噪声系数较大(约10dB)这要求天线提供较大的增益来保证接收信号的信噪比。天线形成波束的3dB角宽度与增益是一对矛盾，这导致通常太赫兹天线在高速传输场景下形成的3dB角宽度为若干个毫弧度，这需要配合波束跟踪机制。此外，太赫兹天线由于波长较小，加工难度大，因此其成本也较高。

目前太赫兹通信尚属于实验室验证阶段，场景主要是采用点到点通信设计。例如，美国Bell实验室的0.625THz通信系统是目前报导的采用全电子学方式实现的最高载波频率的太赫兹通信系统，它基于肖特基二极管混频方法，采用4个二倍频器和1个三倍频器，组成级联的倍频太赫兹源。该系统发射机输出功率为1mW，接收机采用肖特基二极管检波器。基于双二进制基带调制制式，传输速率为2.5Gbps，点到点试验传输距离为数米，采用喇叭天线。

日本NTT从2009年开始研究200GHz以上频段通信系统，该系统使用UTC-PD光电技术实现太赫兹通信，并于当年实现了0.5m距离上250GHz、8Gbps的太赫兹通信。同年，NTT还研制了一套300GHz频段的太赫兹通信系统，该系统也使用的UTC-PD光电技术。由于缺乏太赫兹放大器，使用了喇叭天线加介质透镜方式来增加增益，发送、接收天线增益分别为40dBi、35dBi，发射功率200uW，并实现了50cm距离上的2Gbps通信。随后，基于该套系统，NTT于2010年实现了0.5m距离上的5Gbps、11Gbps、12.点到点5Gbps的无线通信实验，接着，NTT又在2012年实现了0.5m距离点到点的24Gbps、28Gbps无线数据传输。

目前实验室验证采用点到点传输模式较为适宜干线通信，例如空间两颗GEO卫星之间大容量的信息交换、地面楼宇间替代光纤等场景。传统上终端也没有应用可以使用达太赫兹10Gbps以上传输。然而近年来，随着8K分辨率视频、虚拟现实、分布式计算等场景的涌现，终端也有可能实现Gbps级的应用，且目前毫米波频段的设计指标也已达7Gbps(802.11aj)。然而，如果为每一个终端配一副天线进行单独形成指向波束，其成本难以控制。而且，而在实际场景中，终端也并不需要长时处于高速通信状态。因此需要一种结合太赫兹天线特点的无线通信媒体接入层设计的方法实现点到多点分时通信。

发明内容

本发明的目的在于解决目前太赫兹频段通信系统点到多点多用户接入问题。本发明针对太赫兹频段局域网组网、太赫兹空间组网问题，提出了一种基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法。