Terahertz-Band MIMO-NOMA: Adaptive Superposition Coding and Subspace Detection
研究了太赫兹（THz）波段非正交多址（NOMA）系统中超大规模多输入多输出（UM-MIMO）数据的高效检测问题。我们认为，最常见的太赫兹NOMA配置是功率域叠加编码在准光双大规模MIMO信道。我们提出了空间调谐技术，修改天线子阵列的安排，以提高信道条件。为了在接收端恢复叠加的数据，我们提出了一种基于低复杂度信道矩阵打孔的数据检测器，其中高阶检测器是从低阶分量检测器动态形成的。我们首先详细介绍了所提出的解决方案的情况下，在点对点太赫兹MIMO链路的多个流的叠加编码。然后，我们将研究扩展到多用户NOMA，其中随机分布的用户被分组到狭窄的小区扇区，并根据其接近基站的程度分配不同的功率电平。我们表明，连续干扰消除进行空间调谐下的最小的性能和复杂性成本。我们推导出近似的比特出错率（BER）方程，我们提出了一个架构设计，以说明复杂性降低。在典型的THz条件下，信道打孔在高信噪比下引入了超过一个数量级的BER降低，同时将复杂度降低了约90%。
2021-03-03 cs.IT eess.SP math.IT
MIMO Terahertz Quantum Key Distribution
本文提出了一种室温下工作的太赫兹（THz）频率应用的多输入多输出（MIMO）量子密钥分配（QKD）方案。受经典MIMO通信的启发，提出了一种收发波束形成方案，将Alice和Bob之间的秩$r$ MIMO信道转换为$r$并行有损量子信道。与现有的单天线QKD方案相比，我们证明了MIMO QKD方案通过增加秘密密钥速率和延长传输距离来提高性能。我们的模拟结果表明，多个天线是必要的，以克服在太赫兹频率的高自由空间路径损耗。我们证明了性能和频率之间的非单调关系，并揭示了积极的关键率是可以实现的$10-30$太赫兹频率范围。所提出的方案可以用于室内和室外QKD应用，用于超过第五代超安全无线通信系统。
2021-07-10 cs.CR cs.IT eess.SP
1-Bit MIMO for Terahertz Channels
本文研究了用1位数模转换器和模数转换器实现单用户多输入多输出通信的问题。以信息理论容量为基准，在业务利益的制度，波束形成和等概率信令的互补策略进行了对比，并随后的频谱效率的特点。各种典型的信道类型被认为是，重点是在球面和平面波前，分别代表毫米波和太赫兹频率的短和长的传输范围下的视线设置。在所有情况下，波束成形和等概率信令的明智组合被示出为在与容量的适度间隙内操作。
2021-09-09 cs.IT math.IT
AI and Deep Learning for Terahertz Ultra-Massive MIMO: From Model-Driven Approaches to Foundation Models
本文针对太赫兹UM-MIMO收发机的复杂度、建模与测量挑战，提出模型驱动DL、CSI基础模型和LLM应用三条AI研究路线。
2025-07-22 cs.IT eess.SP math.IT
Terahertz Massive MIMO with Holographic Reconfigurable Intelligent Surfaces
我们提出了一个全息版本的可重构智能表面（RIS），并研究其应用于太赫兹（THz）大规模多输入多输出系统。利用太赫兹电子元件的小型化，RISs可以通过密集封装亚波长单元来实现，从而实现连续或准连续的孔径，并实现全息通信。在本文中，特别是，我们推导出的光束图案的全息RIS。我们的分析表明，一个理想的全息RIS的光束模式可以很好地近似的超密集RIS，它有一个更实际的硬件架构。此外，我们提出了一个闭环信道估计（CE）计划，以有效地估计宽带信道的特点太赫兹大规模MIMO系统的全息RISs辅助。所提出的CE方案包括下行链路粗CE阶段和上行链路细粒度CE阶段。明智地设计上行链路导频信号以获得良好的CE性能。此外，为了减少导频开销，我们引入了一种基于压缩感知的CE算法，该算法利用了太赫兹MIMO信道在角度域和延迟域的双重稀疏性。仿真结果表明了全息RISs相对于非全息RISs的优越性，以及所提出的CE方案的有效性。
2021-03-19 cs.IT eess.SP math.IT
Channel Estimation and Hybrid Combining for Wideband Terahertz Massive MIMO Systems
太赫兹（THz）通信被广泛认为是未来6G无线系统的关键推动者。然而，由于信道的频率选择性，THz链路受到高传播损耗和符号间干扰的影响。大规模多输入多输出（MIMO）以及正交频分复用（OFDM）可以用来处理这些问题。然而，当基站（BS）天线阵列上的传播延迟超过符号周期时，BS阵列的空间响应在OFDM子载波上变化。这种被称为波束偏斜的现象使得窄带组合方法无效。另外，在训练阶段期间没有组合增益的情况下，信道估计变得具有挑战性。在这项工作中，我们解决了宽带太赫兹大规模MIMO均匀平面阵列的信道估计和混合合并问题。具体来说，我们首先介绍了一个低复杂度的波束斜斜抑制方案的基础上的真实时间延迟。接下来，我们提出了一种新的流行的正交匹配追踪（OMP）算法的变体，以准确地估计低训练开销的信道。我们的信道估计和混合合并方案进行了理论和数值分析。此外，所提出的方案被扩展到多天线用户的情况下。仿真结果显示，我们的设计相比，标准的窄带合并和基于OMP的信道估计提供的性能增益。
2021-02-12 cs.IT eess.SP math.IT
Terahertz-Band Ultra-Massive Spatial Modulation MIMO
展望了超大规模多输入多输出（UM-MIMO）技术在太赫兹（THz）波段对抗距离问题的前景。众所周知，THz频率下非常大的可用带宽是以严重的传播损耗和功率限制为代价的，这导致非常短的通信距离。最近，已经提出了可以在几毫米内容纳数百个天线元件的石墨烯基等离子体纳米天线阵列。虽然这样的阵列能够实现可以增加通信范围的有效波束成形，但是它们不能为空间复用提供足够的空间自由度。在本文中，我们研究了空间调制（SM）技术，可以利用密集的纳米天线子阵列的可配置阵列的属性，以增加容量和频谱效率，同时保持可接受的波束成形性能。根据通信距离和工作频率，建议使用特定的SM配置，以确保良好的信道条件。我们从理论上和数值上分析了所提出的方案的性能的符号和误比特率，其中显着的收益相比，传统的SM观察。我们证明，SM在非常高的频率是一个可行的范例，我们激励几个扩展，可以使太赫兹波段SM未来的研究趋势。
2019-07-13 cs.IT eess.SP math.IT
Hybrid Spherical- and Planar-Wave Channel Modeling and Estimation for Terahertz Integrated UM-MIMO and IRS Systems
集成的超大规模多输入多输出（UM-MIMO）和智能反射表面（IRS）系统有望用于6 G和超太赫兹（0.1-10 THz）通信，以有效绕过有限覆盖和视线阻塞的障碍。然而，UM-MIMO和IRS的过大尺寸扩大了近场区域，而远场的强THz信道稀疏性不利于空间复用。此外，信道估计（CE）需要恢复严重压缩的观察，由于有限的RF链的大规模信道。为了解决这些问题，一个混合球面和平面波信道模型（HSPM）的级联通道的集成系统开发。分析了近场和远场区域下的空间复用增益，发现其受限于较低秩的分段信道。在此基础上，提出了一种基于压缩感知的信道估计框架，包括稀疏信道表示方法、分离侧估计（SSE）和字典收缩估计（DSE）算法。数值结果验证了HSPM的有效性，其容量仅为$5\times10^{-4}$ bits/s/Hz，偏离地面真实球波模型，256单元。虽然SSE比基准算法实现了CE的更高精度，但DSE在噪声环境中更具吸引力，归一化均方误差比SSE低0.8 dB。
2022-05-26 cs.IT eess.SP math.IT
Massive MIMO Performance Comparison of Beamforming and Multiplexing in the Terahertz Band
在本文中，我们比较了两个主要的MIMO技术，波束成形和复用，在太赫兹（THz）波段的性能。THz波段的主要问题是其巨大的传播损耗，这是由电磁波的分子吸收引起的巨大信号衰减引起的。为了克服路径损耗问题，已经建议在网络中采用大规模MIMO，并且期望在几米内的距离内提供Tbps。在这种背景下，波束成形最近被研究为主要技术，以利用太赫兹中的MIMO并克服非常高的路径损耗，假设太赫兹通信信道是视距（LoS）并且没有显著的多径射线。另一方面，最近的研究还表明，众所周知的分子吸收的能量可以立即以相同的频率重新辐射。这种再辐射信号与主信号相关，并且可以为通信信道提供丰富的散射路径。这意味着即使在THz频带的LoS场景中也可以实现显著的MIMO复用增益。我们的仿真结果揭示了一个令人惊讶的观察，MIMO复用可能是一个更好的选择比MIMO波束成形在一定条件下的太赫兹通信。
2017-10-26 cs.IT math.IT
BDMA for Millimeter-Wave/Terahertz Massive MIMO Transmission with Per-Beam Synchronization
针对毫米波/太赫兹频段的宽带大规模多输入多输出（MIMO）传输，提出了基于波束同步的波束分多址（BDMA）技术。我们首先介绍了一个物理动机的波束域信道模型的大规模MIMO和证明，波束域信道元素的包络往往是独立的时间和频率时，在基站和用户终端（UT）的天线的数量趋于无穷大。激励所得出的波束域信道特性，然后，我们提出了PBS毫米波/太赫兹大规模MIMO。我们表明，与传统的同步方法相比，宽带大规模MIMO信道与PBS的有效延迟和多普勒频率扩展减少了UT天线的数量的一个因素。随后，我们将PBS应用于BDMA，研究波束调度以最大化上行链路和下行链路BDMA的可实现遍历速率，并开发了贪婪波束调度算法。仿真结果验证了在典型移动场景下，BDMA结合PBS在mmW/THz宽带大规模MIMO系统中的有效性。
2016-11-14 cs.IT math.IT
Terahertz Multi-User Massive MIMO with Intelligent Reflecting Surface: Beam Training and Hybrid Beamforming
太赫兹（THz）通信开辟了一个新的前沿无线网络由于其显着更广泛的可用带宽相比，目前的微波和即将到来的毫米波通信。然而，由于太赫兹波的长度短，他们也遭受严重的路径衰减和衍射差。为了补偿太赫兹引起的传播损耗，本文提出结合两种有前途的技术，即，大规模多输入多输出（MIMO）和智能反射面（IRS），在太赫兹多用户通信，考虑到其显着的波束形成和孔径增益。尽管如此，信道估计和低成本波束成形是实现这种组合的两个主要障碍，这是由于IRS发送/接收导频信号的无源性以及大规模MIMO中昂贵RF链的大规模使用。针对这些局限性，本文首先提出了一种协作波束训练方案，以便于IRS信道估计。特别是，我们设计了两个不同的分层码本的建议的训练过程，这是能够对噪声的鲁棒性和搜索的复杂性之间的平衡。基于训练结果，我们进一步提出了两个成本效益的混合波束形成（HB）的设计，分别为单用户和多用户的情况下。仿真结果表明，所提出的联合波束训练和HB方案是能够实现接近的性能，即使在完美的信道状态信息（CSI）下实现的最佳全数字波束形成（FDB）。
2021-01-14 cs.IT eess.SP math.IT
LoS MIMO-Arrays vs. LoS MIMO-Surfaces
无线研究界对亚太赫兹频段表示出极大的兴趣，以便在未来的无线网络中实现移动通信。亚太赫兹波段提供了大量的可用带宽，因此，有望实现光速无线通信。在这样的高频带，收发器需要具有更大的孔径，并且需要比在低频带更密集地部署。这些因素成比例地增加了远场极限，电磁波的球面曲率不能再被忽略。这提供了实现空间复用的机会，即使在视线信道。在本文中，我们概述和比较现有的设计方案，以实现高秩传输的视线信道。
2023-02-07 cs.IT eess.SP math.IT
Hybrid Spherical- and Planar-Wave Channel Modeling and DCNN-powered Estimation for Terahertz Ultra-massive MIMO Systems
太赫兹频段被设想为满足6G无线通信要求的100 Gbps数据率。为了以低硬件成本克服距离限制问题，采用混合波束形成的超大规模MIMO具有很好的应用前景。然而，波长、阵列尺寸和天线间距之间的关系导致了平面波信道模型（PWM）的不准确性，而增大信道矩阵维数则导致应用球面波信道模型（SWM）时参数过多。此外，由于采用混合波束形成，信道估计（CE）需要从严重压缩的信道观测中恢复高维信道。本文研究了一种球面波和平面波混合信道模型（HSPM），通过子阵内采用PWM，子阵间采用SWM，证明了HSPM的准确性和有效性。此外，一个两相HSPM CE机制的发展。在第一阶段设计了一个深度卷积神经网络（DCNN）对参考子阵进行参数估计，而在第二阶段利用参考子阵之间剩余信道参数的几何关系完成CE。大量的数值计算结果表明，HSPM在不同的通信距离、阵列尺寸和载波频率下都是准确的，DCNN收敛速度快，精度高，归一化均方误差比文献方法提高了5.2dB，并且具有很低的复杂度。
2021-06-10 cs.IT eess.SP math.IT
Cooperative Beam Selection for RIS-Aided Terahertz MIMO Networks via Multi-Task Learning
针对RIS辅助太赫兹MIMO网络中模拟波束选择的组合优化难题，本文提出基于多任务学习的MTL-ABS框架，将码字选择建模为分类问题，结合残差网络与自注意力机制实现收发端和RIS的协作波束选择，显著降低开销并逼近最优和速率。
2024-08-31 cs.IT eess.SP math.IT
Deep Unfolding-Based Channel Estimation for Wideband TeraHertz Near-Field Massive MIMO Systems
针对太赫兹近场大规模MIMO信道估计难题，提出基于深度展开的估计算法，结合频率相关近场字典与定制DNN学习迭代更新规则，搭配混合训练方法，实现了性能、复杂度与鲁棒性的提升。
2024-08-13 cs.IT eess.SP math.IT
Spatially Sparse Precoding in Wideband Hybrid Terahertz Massive MIMO Systems
在太赫兹（THz）大规模多输入多输出（MIMO）系统中，大带宽和大规模天线的组合导致了严重的波束分裂，从而使得传统的基于移相器的混合预编码结构失效。随着在模拟预编码器的硬件实现中引入真实时间延迟（TTD）线，延迟相位预编码（DPP）成为有效克服波束分裂的有前途的架构。然而，现有的DPP方法在实际的THz信道中遭受性能差、复杂度高和鲁棒性弱的问题。在本文中，我们提出了一种新的DPP方法在宽带太赫兹大规模MIMO系统。首先，优化问题被转换成压缩感知（CS）的形式，它可以解决扩展的空间稀疏预编码（SSP）算法。为了补偿光束分裂，引入了与频率相关的测量矩阵，它可以近似地由可行的相位和延迟码本实现。然后，几个有效的原子选择技术的发展，以进一步降低扩展SSP的复杂性。在仿真中，所提出的DPP方法实现了优越的性能，复杂性和鲁棒性，通过单独使用它或与现有的DPP方法相结合。
2022-11-27 cs.IT math.IT
Deep Learning of Near Field Beam Focusing in Terahertz Wideband Massive MIMO Systems
采用大天线阵列和利用大带宽具有为未来无线通信系统带来非常高的数据率的潜力。然而，这将系统带入近场区域，并且也使得传统的收发器架构遭受宽带效应。为了解决这些问题，在本文中，我们提出了一个低复杂度的频率感知波束形成解决方案，是专为混合的时间延迟和移相器的RF架构。为了降低复杂度，将时延和相移的联合设计问题分解为两个子问题，提出了基于信号模型的在线学习框架来学习量化模拟移相器的相移，并利用低复杂度的几何辅助方法来配置时延单元的时延设置.仿真结果突出了所提出的解决方案在大天线阵列系统的宽频率范围内实现鲁棒性能的有效性。
2023-01-01 cs.IT eess.SP math.IT
Can Far-field Beam Training Be Deployed for Cross-field Beam Alignment in Terahertz UM-MIMO Communications?
本文研究太赫兹UM-MIMO跨场波束对准问题，证明远场训练可同时覆盖近远场，并提出子阵列协调分层训练和两阶段角度距离估计器，以极低开销实现高精度波束对准。
2024-01-12 cs.IT eess.SP math.IT
Quantum Sensing Based Joint 3D Beam Training for UAV-mounted STAR-RIS Aided TeraHertz Multi-user Massive MIMO Systems
太赫兹（THz）系统能够支持超高数据率，这要归功于大带宽，以及利用高增益波束成形来对抗高路径损耗的潜力。本文提出了一种新的量子感知（鬼成像（GI））的波束训练的同时发射和反射可重构智能表面（STAR RIS）辅助太赫兹多用户大规模MIMO系统。我们首先通过围绕5G下行信号进行GI，以获得包括用户和障碍物在内的环境的3D图像。根据这些信息，我们计算出的最佳位置的无人机安装STAR所提出的算法。因此，可以执行基于位置的波束训练。为了提高波束形成增益，我们进一步结合信道估计，提出了一种半被动结构的STAR和模糊消除方案，用于分离的信道估计。从而避免了级联信道估计中可能影响最优无源波束形成的模糊性。然后执行最佳主动和被动波束成形，并启动数据传输。联合研究了所提出的BS子阵列和子STAR空间复用架构、最佳有源和无源波束成形、数字预编码以及UAV安装的STAR的最佳位置，以最大化用户的平均可实现和速率。此外，云无线电接入网络（CRAN）结构的5G下行链路信号被提出用于具有增强分辨率的GI。仿真结果表明，该方案有效地实现了波束训练和分离信道估计，与STAR随机相位工作时相比，频谱效率显著提高。
2022-12-15 cs.IT eess.SP math.IT
Enhanced Tracking and Beamforming Codebook Design for Wideband Terahertz Massive MIMO System
针对太赫兹大规模 MIMO 中波束方向过多导致跟踪开销高的问题，提出 TTD 辅助的增强频率扫描方案与耦合码本，实现多时隙多方向搜索并验证其优越性能。
2022-11-25 cs.IT eess.SP math.IT
Joint Hardware Design and Capacity Analysis for Intelligent Reflecting Surface Enabled Terahertz MIMO Communications
太赫兹（THz）通信已经被设想为为提供用于第六代（6 G）无线网络的超高数据传输的有前景的使能器。为解决太赫兹波严重的路径衰减和衍射不良带来的阻塞脆弱性，提出了一种智能反射面（IRS），通过调整相位来智能控制入射太赫兹波。在本文中，我们首先设计了一个有效的硬件结构的石墨烯基IRS的相位响应高达306.82度。随后，为了表征IRS支持的THz多输入多输出（MIMO）系统的容量，提出了一种自适应梯度下降（A-GD）算法，该算法通过在迭代过程中动态更新步长来确定迭代步长，而步长由二阶泰勒展开公式确定。与传统的固定步长的梯度下降（C-GD）算法相比，A-GD算法明显提高了可达速率性能。然而，A-GD算法和C-GD算法都继承了不可接受的复杂度。然后提出了一种低复杂度的交替优化（AO）算法，通过逐列（CBC）算法交替优化预编码矩阵和线性搜索算法交替优化IRS的相移矩阵。最后，数值结果验证了所设计的硬件结构和所考虑的算法的有效性。
2021-10-12 cs.ET cs.IT eess.SP
Terahertz-Band Joint Ultra-Massive MIMO Radar-Communications: Model-Based and Model-Free Hybrid Beamforming
Duzce University（迪兹杰大学）；University of Luxembourg（卢森堡大学）；United States Army Research Laboratory（美国陆军研究实验室）
太赫兹（THz）频段的无线通信和传感技术由于其高工作带宽而成为近距离应用的热点。为了解决THz处的极高衰减，已经提出了超大规模多输入多输出（MIMO）天线系统用于THz通信以补偿传播损耗。然而，与这些巨大天线阵列的全数字波束形成器相关联的成本和功率是过高的。针对一种新的低THz波段超大规模多输入多输出结构，提出了一种基于模型和无模型的宽带混合波束形成器。此外，最近的发展，以节省频谱的驱动下，我们提出了一个联合超大规模多输入多输出雷达通信系统的波束形成器，其中的基站服务于多天线用户设备（RX），并通过生成多个波束向RX和目标跟踪雷达目标。我们制定的GoSA波束形成器的设计作为一个优化问题，以提供一个权衡之间的无约束的通信波束形成器和所需的雷达波束形成器。为了减轻频率无关模拟波束形成器在太赫兹波段产生的波束分裂效应，我们提出了一种相位校正技术，使多个子载波的波束对准一个物理方向。为了进一步降低超大规模多输入多输出计算复杂度并增强鲁棒性，我们还对所提出的基于模型的混合波束形成器实现了深度学习解决方案。数值实验表明，这两种技术优于传统的方法在频谱效率和雷达波束方向图，以及表现出更少的硬件成本和计算时间。
2021-09-29 cs.IT cs.LG eess.SP
TeraMIMO: A Channel Simulator for Wideband Ultra-Massive MIMO Terahertz Communications
随着太赫兹（THz）技术的最新进展，人们对THz通信在下一代无线系统中的关键作用达成了共识。针对催化太赫兹通信研究，我们提出了TeraMIMO，统计太赫兹信道的精确随机MATLAB模拟器。我们模拟超大规模的多输入多输出天线配置作为关键的基础设施，克服了太赫兹通信距离的限制。我们认为视线和多径组件，并提出频率和延迟域实现单载波和多载波的范例中的时不变和时变的情况。我们实现了详尽的分子吸收计算辐射传输理论的基础上替代亚太赫兹近似。我们进一步模型太赫兹特定的约束，包括宽带波束分裂效应，球面波传播，和失调衰落。我们验证TeraMIMO类比与测量为基础的信道模型在文献和遍历容量分析。我们介绍了一个图形化的用户界面和使用TeraMIMO太赫兹信道生成和分析的指南。
2021-10-24 cs.IT math.IT
NEAT-MUSIC: Auto-calibration of DOA Estimation for Terahertz-Band Massive MIMO Systems
针对太赫兹大规模 MIMO 中增益-相位失配与波束斜视导致的 DOA 估计误差，提出 NEAT-MUSIC 噪声子空间自动校准方法，并推导 Cramer-Rao 界验证其性能。
2023-11-07 cs.IT eess.SP math.IT
Sum Secrecy Rate Maximization for IRS-aided Multi-Cluster MIMO-NOMA Terahertz Systems
本文针对IRS辅助多集群MIMO-NOMA太赫兹系统的安全传输问题，通过联合优化功率分配与IRS相移最大化和保密速率，采用交替优化算法求解非凸问题，验证了算法收敛性与IRS的窃听抑制增益。
2023-06-12 cs.IT eess.SP math.IT
Reinforcement Learning of Beam Codebooks in Millimeter Wave and Terahertz MIMO Systems
毫米波（mmWave）和太赫兹MIMO系统依赖于预定义的波束成形码本来进行初始接入和数据传输。然而，由于是预定义的，这些码本通常没有针对特定环境、用户分布和/或可能的硬件损伤进行优化。这导致具有高波束训练开销的大码本大小，这增加了初始接入/跟踪延迟，并且使得这些系统难以支持高度移动的应用。为了克服这些限制，本文开发了一种深度强化学习框架，该框架学习如何仅依赖于接收功率测量而不需要任何显式信道知识来迭代优化码本波束图案（形状）。开发的模型学习如何自主调整波束模式，以最好地匹配周围环境，用户分布，硬件损伤和阵列几何形状。此外，该方法不需要关于信道、阵列几何形状、RF硬件或用户位置的任何知识。为了减少学习时间，所提出的模型设计了一种新的Wolpertinger变量架构，能够有效地搜索一个最优的政策，在一个大的离散动作空间，这是重要的大型天线阵列与量化移相器。这种复值神经网络架构设计考虑了实际RF硬件约束，例如恒模和量化移相器约束。基于公开可用的DeepMIMO数据集的仿真结果证实了所开发的框架能够在不需要任何信道知识的情况下学习视线（LOS）和非LOS场景以及具有硬件损伤的阵列的接近最佳波束模式。
2021-02-22 cs.IT eess.SP math.IT
Robust Design for Intelligent Reflecting Surface Assisted MIMO-OFDMA Terahertz Communications
近年来，太赫兹（THz）通信以其超宽带的特性成为未来无线通信领域的研究热点之一。尽管如此，阻止THz实际部署的一个主要障碍在于其固有的巨大衰减。智能反射面（IRS）和多输入多输出（MIMO）是补偿太赫兹系统中大路径损耗的两种有效方法。本文研究了一种基于IRS的正交频分多址多用户太赫兹MIMO系统，该系统采用稀疏射频链天线结构以降低功耗。目标是通过联合优化基站处的混合模拟/数字波束形成和IRS处的反射矩阵来最大化加权和速率。{由于模拟波束形成和反射矩阵需要满足所有用户和子载波，因此难以直接求解公式化问题，因此，提出了交替迭代优化算法。}具体而言，模拟波束形成的设计通过解决MIMO容量最大化问题，而数字波束形成和反射矩阵优化都解决了使用半定松弛技术。考虑到在基于IRS的系统中获得完美的信道状态信息（CSI）是一项具有挑战性的任务，我们进一步探讨了IRS到用户的信道的不完美CSI的情况。在这种设置下，我们提出了一个强大的波束形成和反射矩阵设计方案，原来制定的非凸优化问题。最后，仿真结果表明所提出的算法的有效性。
2020-09-13 cs.IT math.IT
Superdirective Antenna Pairs for Energy-Efficient Terahertz Massive MIMO
针对太赫兹大规模MIMO中天线过多导致能效低的问题，提出基于超方向性与非均匀间距的天线对阵列设计，可在保速率的同时减天线数，大幅提升能效。
2023-08-28 cs.IT eess.SP math.IT
Joint Activity Detection and Channel Estimation for Massive IoT Access Based on Millimeter-Wave/Terahertz Multi-Panel Massive MIMO
多面板阵列作为一种最先进的天线封装技术，由于其低成本部署和可扩展配置，非常适合毫米波（mmWave）/太赫兹（THz）系统。但在非均匀阵列结构的情况下，它会导致棘手的信号处理。基于这样的阵列结构在基站，本文研究了一种联合主动用户检测（AUD）和信道估计（CE）方案的压缩感知（CS）的应用于大规模物联网（IoT）。具体而言，通过利用mmWave/THz大规模物联网接入信道的结构化稀疏性，我们首先将基于多面板大规模多输入多输出（mMIMO）的联合AUD和CE问题表示为多测量向量（MMV）-CS问题。然后，我们利用期望最大化（EM）算法来学习先验参数（即，噪声方差和稀疏比），提出了一种正交近似消息传递（OAMP）-EM-MMV算法。我们的仿真结果验证了改进的AUD和CE性能相比，传统的CS为基础的算法所提出的计划。
2022-09-11 cs.IT math.IT
MDD-Enabled Two-Tier Terahertz Fronthaul in Indoor Industrial Cell-Free Massive MIMO
本文提出一种MDD支持的两层太赫兹前传方案，用于室内工业无小区大规模MIMO，通过动态AP聚类和帧结构设计，实现全无线前传并达到与光纤系统相当的性能。
2023-05-10 cs.IT eess.SP math.IT
Cross Far- and Near-Field Beam Management Technologies in Millimeter-Wave and Terahertz MIMO Systems
本文综述了毫米波与太赫兹MIMO系统中的跨远场和近场波束管理技术，按方法分类探讨了不同传播机制下的操作差异与设计权衡，并指出了未来的开放性挑战。
2025-04-26 cs.IT eess.SP math.IT
DiffPace: Diffusion-based Plug-and-play Augmented Channel Estimation in mmWave and Terahertz Ultra-Massive MIMO Systems
Terahertz Wireless Communications (TWC) Laboratory, Shanghai Jiao Tong University（太赫兹无线通信实验室，上海交通大学）；Cooperative Medianet Innovation Center (CMIC), School of Information Science and Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University（协作中位网创新中心（CMIC），信息科学与电子工程学院，上海交通大学）；Institute for Digital Communications, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)（数字通信研究所，弗赖堡-亚历山大-大学埃尔朗根-纽伦堡（FAU））
本文提出基于扩散的即插即用信道估计方法DiffPace，利用扩散模型捕捉混合球面与平面波信道分布作为先验知识，在毫米波与太赫兹超大规模MIMO系统中实现了高精度与高计算效率的信道估计。
2025-10-21 cs.AI cs.IT eess.SP
Online Beam Learning with Interference Nulling for Millimeter Wave MIMO Systems
采用大型天线阵列是毫米波（mmWave）和太赫兹通信系统的关键特性。由于硬件的限制和缺乏信道知识，通常采用基于码本的波束形成/合并来实现期望的阵列增益。然而，大多数现有的码本只关注提高其目标用户的增益，而没有考虑干扰。这可能导致密集网络中的关键性能下降。在本文中，我们提出了一种基于样本高效在线强化学习的波束方向图设计算法，该算法学习如何对波束方向图进行整形以消除干扰方向。所提出的方法不需要任何显式的信道知识或任何协调的干扰。仿真结果表明，所开发的解决方案是能够学习形状良好的波束图案，显着抑制干扰，同时牺牲可容忍的波束成形/梳增益从所需的用户。此外，基于毫米波相控阵的硬件概念验证原型被构建并用于在现实场景中实施和评估所开发的在线波束学习解决方案。在消声室中测量的学习波束图案显示了所开发框架的性能增益，并突出了毫米波和太赫兹系统的基于机器学习的波束/码本优化方向。
2022-09-09 cs.IT eess.SP math.IT
Hybrid Beamforming for Terahertz Wireless Communications: Challenges, Architectures, and Open Problems
太赫兹（THz）通信通过提供数十GHz带宽而被视为第六代（6 G）无线系统的支柱技术。为了克服传输距离短和传播损耗大的缺点，人们提出了采用亚毫米波长天线阵列的超大规模MIMO系统，以获得高增益。在UM-MIMO系统中，混合波束成形技术在提高数据率和降低功耗方面具有巨大的潜力。针对太赫兹波的特殊性，研究了太赫兹波混合波束形成技术的特点和面临的挑战。具体来说，我们证明了空间自由度（SDoF）小于5，这是由于太赫兹信道的极端稀疏性。研究了由高达15 dB以上的巨大反射和散射损耗引起的阻塞问题。此外，我们分析了包含1024个或更多天线的阵列所带来的挑战，包括对智能子阵列架构的要求，严格的能源效率，以及基于球面波传播机制的传播特性。由于带宽高达几百GHz，当带宽分数超过10%时，波束倾斜效应会导致超过5 dB的阵列增益损失。受此启发，本文提出了三种新的太赫兹混合波束形成结构，包括宽间隔多子阵、动态子阵阵列和基于真时延的结构。我们还展示了潜在的数据率，功耗和阵列增益的太赫兹通信能力。作为THz混合波束形成设计的路线图，多个开放的问题和潜在的研究方向进行了阐述。
2021-01-21 cs.IT eess.SP math.IT
Parametric Channel Estimation for LoS Dominated Holographic Massive MIMO Systems
全息大规模多输入多输出（MIMO），其中空间连续的表面被用于信号发送和接收，已经成为用于改善无线通信系统的覆盖和数据率的有前景的解决方案。为了实现这些目标，在全息大规模MIMO系统中获取准确的信道状态信息是至关重要的。在本文中，我们提出了一种信道估计方案的基础上的参数物理信道模型的视线（LoS）为主的毫米波和太赫兹波段的通信。所提出的信道估计方案利用由连续表面产生的辐射波束的特定结构来估计主导LoS信道模型中的信道参数。所提出的方案的训练开销和计算复杂性不与天线的数量成比例。仿真结果表明，该方法在弱散射环境下的估计性能明显优于其他基准方法。
2022-06-14 cs.IT eess.SP math.IT
Low-Complex Channel Estimation in Extra-Large Scale MIMO with the Spherical Wave Properties
本文研究了极大规模MIMO系统在球面波模型下的低复杂度LMMSE信道估计，分别针对已知和未知信道协方差矩阵的情况提出了低复杂度算法，在不降低估计精度的前提下有效降低了复杂度。
2023-10-23 cs.IT eess.SP math.IT
Joint Delay and Phase Precoding Under True-Time Delay Constraints for THz Massive MIMO
针对宽带太赫兹（THz）混合大规模多输入多输出（MIMO）系统中波束偏斜效应的补偿问题，提出了一种基于相移器（PS）和真实时间延迟（TTD）的联合优化方法.与以前的方法不同，新的方法不需要无界的时间延迟假设，TTD设备可以产生的时间延迟值的范围是严格限制在我们的方法。而不是专注于TTD值的设计，我们共同优化TTD和PS值，以有效地应对实际的时间延迟约束。仿真结果表明，新方法的波束斜视补偿的性能优势。通过仿真和分析，我们表明，我们的方法是一个推广的TTD为基础的预编码方法。
2023-01-21 cs.IT eess.SP math.IT
Optimality of the Discrete Fourier Transform for Beamspace Massive MU-MIMO Communication
波束空间处理是一种新兴技术，用于降低在毫米波（mmWave）和太赫兹频率下操作的大规模多用户（MU）多输入多输出（MIMO）通信系统中的基带复杂度。在这样的高频下波传播的高方向性确保了在用户设备和基站（BS）之间仅存在少量的传输路径。为了解决波传播的稀疏性质，波束空间处理传统上计算BS处的均匀线性天线阵列上的空间离散傅里叶变换（DFT），其中每个DFT输出与特定波束相关联。在本文中，我们研究的DFT的最优性条件的稀疏波束空间处理与理想的毫米波信道模型和现实的渠道。为此，我们提出了两个算法，学习酉波束空间变换使用$\ell^4$范数为基础的稀疏性措施，我们调查其最优性理论和模拟。
2021-07-14 cs.IT eess.SP math.IT
Line-of-Sight MIMO via Reflection From a Smooth Surface
我们提供了一个确定性的信道模型的情况下，无线连接建立通过反射从一个平面光滑表面的无限范围。开发的模型是严格建立在物理波传播，是严格的无界性和表面上的光滑假设。该模型允许建立视线空间复用可以通过从电大表面反射而发生，这是对毫米波和太赫兹频率高度感兴趣的情况。
2022-05-02 cs.IT math.IT
Cell-free Terahertz Networks: A Spatial-spectral Approach
研究配备漏波天线的无蜂窝空间-频谱太赫兹网络，提出频率相关的发射天线选择方案以最大化传输速率，其性能在更高太赫兹频率下显著优于最大比传输。
2023-10-21 cs.IT eess.SP math.IT
Spatial Multiplexing in Near-Field Line-of-Sight MIMO Communications: Paraxial and Non-Paraxial Deployments
本文针对6G近场视距MIMO通信，提出了一种优化天线阵列部署的分析框架，适用于傍轴与非傍轴场景，以在不增加功耗下实现最高空间复用增益。
2024-06-27 cs.IT eess.SP math.IT
Chirp-based Hierarchical Beam Training for Extremely Large-Scale Massive MIMO
XL-MIMO有望在太赫兹（THz）频谱中提供更高的数据率。然而，大孔径阵列引起的球面波阵面无线传输对信道状态信息（CSI）的获取提出了巨大的挑战。XL-MIMO波束形成需要同时考虑两个独立的参数（物理角度和传输距离），这带来了严重的开销消耗和波束形成性能的恶化。针对这一问题，本文利用近场信道特性，提出了一种低开销的分层波束训练方案。首先，我们将近场通道投影到空间-角度域和斜率-截距域，以捕获详细的表示。其次，提出了一种新的空间线性调频波束辅助码书和相应的分层更新策略。理论分析和数值仿真也显示，以验证波束形成和训练开销的优越性能。
2023-01-27 cs.IT math.IT
Wide-Aperture MIMO via Reflection off a Smooth Surface
针对无限大光滑平面反射场景，本文基于波动物理构建确定性信道模型，用以揭示电大表面反射对视距多天线通信的影响，服务毫米波与太赫兹通信。
2023-08-21 cs.IT math.IT
A Digital Twin Assisted Framework for Interference Nulling in Millimeter Wave MIMO Systems
毫米波（mmWave）和太赫兹MIMO系统依赖于预定义的波束成形码本来进行初始接入和数据传输。然而，大多数现有的码本采用预定义的波束，主要集中在提高其目标用户的增益，而不考虑干扰，这可能会导致密集网络中的关键性能下降。为了解决这个问题，在本文中，我们提出了一个采样效率的数字孪生辅助波束图案设计框架，学习如何形成波束图案，以拒绝来自干扰方向的信号。所提出的方法不需要任何显式的信道知识或任何协调的干扰。采用数字孪生通过更好地利用潜在的信号关系和结合基于需求的数据采集策略来提高样本效率。仿真结果表明，所开发的基于信号模型的学习框架可以显著减少与无线电环境的实际交互（即，测量的数量），从而导致更实用和有效的干扰感知波束设计方法。
2023-01-30 cs.IT eess.SP math.IT
Spatial-chirp Codebook-based Hierarchical Beam Training for Extremely Large-Scale Massive MIMO
针对近场XL-MIMO中角度与距离联合波束训练开销大的问题，提出基于空间啁啾码本的分层训练及流形优化增强方案，显著降低开销并提升波束赋形性能。
2023-08-15 cs.IT eess.SP math.IT
Cross-Field Channel Estimation for Ultra Massive-MIMO THz Systems
针对超大规模MIMO太赫兹系统，提出一种可同时适用于近场、中场和远场的跨场压缩信道估计方法，通过比较阵列间接收信号选择估计策略并利用子阵列邻近性，在保证精度的同时降低计算复杂度。
2023-10-26 cs.IT eess.SP math.IT
Energy-efficient Dynamic-subarray with Fixed True-time-delay Design for Terahertz Wideband Hybrid Beamforming
太赫兹（THz）超大规模多输入多输出（UM-MIMO）系统的混合波束形成技术是一种很有前途的6 G空-空-地一体化网络技术，能够克服巨大的传播损耗，提供前所未有的数据率。随着太赫兹波段超宽带、超大规模天线阵列的出现，波束倾斜成为影响阵列增益和数据率的关键问题之一。然而，传统的基于移相器的混合波束形成架构由于移相器的频率平坦特性而不能解决这个问题。本文提出了一种新的固定真时延动态子阵（DS-FTTD）结构，以在保持高能量效率的同时克服波束偏斜。与使用复杂可调TTD的现有研究相比，DS-FTTD架构具有较低的功耗和硬件复杂度，这要归功于低成本的FTTD。此外，提出了一种低复杂度的行分解（RD）算法来设计DS-FTTD结构的混合波束形成矩阵。大量的仿真结果表明，通过使用RD算法，DS-FTTD架构实现了接近最佳的阵列增益和显着更高的能量效率比现有的架构。此外，DS-FTTD架构与RD算法的频谱效率是不完美的信道状态信息的鲁棒性。
2022-02-07 cs.IT eess.SP math.IT
Near-Field Wideband Channel Estimation for Extremely Large-Scale MIMO
毫米波（mmWave）和太赫兹（THz）波段的超大规模多输入多输出（XL-MIMO）在支持极高波束形成增益以及超宽带频谱资源方面起着重要作用。不幸的是，准确的宽带XL-MIMO信道估计受到称为近场波束分裂效应的新挑战。现有的工作要么忽略了准确的近场信道模型，要么未能利用波束分裂效应，导致宽带XL-MIMO的信道估计精度差。为了解决这个问题，本文提出了一种基于双线性模式检测（BPD）的方法来准确地恢复宽带XL-MIMO信道。通过分析近场宽带信道的特性，首先揭示了近场波束分裂效应的双线性模式，即近场信道在角度域和距离域的稀疏支持集都可以看作是频率的线性函数。然后，受经典的同时正交匹配追踪技术的启发，我们使用双线性模式来估计每个近场路径分量在所有频率下的到达角（AoA）和距离参数。通过这种方式，整个宽带XL-MIMO信道可以通过压缩感知算法恢复。此外，我们提供的计算复杂性的算法相比，现有的算法。仿真结果表明，在存在近场波束分裂效应的情况下，该方法能够实现宽带近场XL-MIMO信道的精确估计。
2022-12-16 cs.IT eess.SP math.IT
A Unified 3D Beam Training and Tracking Procedure for Terahertz Communication
太赫兹（THz）通信被认为是克服带宽瓶颈和满足未来不断增长的容量需求的一种有吸引力的方式。由于太赫兹波的高方向性和传播损耗，使用波束形成的大规模MIMO系统被认为是一种有前途的技术，在太赫兹通信中实现高增益和定向传输。然而，导频，这是许多波束形成方案的基础，是具有挑战性的准确检测在太赫兹波段由于严重的传播损耗。为了有效地实现太赫兹通信中的波束形成，考虑视距传播，提出了一种统一的三维波束训练和跟踪方法。特别是，一种新的四均匀平面阵列（QUPA）结构进行了分析，以扩大信号覆盖范围，增加波束增益，并减少波束斜视损失。在此基础上，提出了一种低复杂度的三维网格波束训练算法，包括三维码书的设计和训练协议的设计。最后，一个简单而有效的基于网格的混合（GBH）波束跟踪研究，以支持太赫兹波束形成的有效方式。基于该过程的通信框架可以根据实时服务质量动态地触发波束训练/跟踪。数值结果表明，我们提出的波束训练和跟踪的基准方法的优越性。
2021-10-03 cs.IT eess.SP math.IT
RIS-Assisted MIMO CV-QKD at THz Frequencies: Channel Estimation and SKR Analysis
本文研究THz频率下RIS辅助的MIMO CV-QKD系统，提出SKR闭式表达式，通过数值评估系统参数影响，发现RIS提升大距离SKR且外差检测在低功率下更优。
2024-12-25 cs.IT eess.SP math.IT
Time-Domain Channel Estimation for Extremely Large MIMO THz Communication Systems Under Dual-Wideband Fading Conditions
本文针对太赫兹频段超大规模MIMO在双宽带衰落下的信道估计问题，提出基于单载波系统的时域稀疏建模与交替最小化求解方法，性能优于传统方案并接近理想下界。
2024-07-08 cs.IT eess.SP math.IT
Scattering Mechanisms and Modeling for Terahertz Wireless Communications
本文提供了从微波到太赫兹波段的频率范围内的无线电波散射的分析（例如，1 GHz - 1 THz），通过研究不同表面粗糙度的各种类型材料再辐射的散射功率。首先，散射和反射的基本原理被开发和解释用于无线移动无线电中，散射对粗糙表面的反射系数的影响进行了研究。接收功率的推导使用两种流行的散射模型-定向散射（DS）模型和雷达截面（RCS）模型，通过模拟在广泛的频率范围内，材料，和方向的两个模型，和测量确认DS模型在140 GHz的准确性。这篇论文表明，散射可以成为一个突出的传播机制，频率扩展到毫米波（毫米波）和更高，但在其他时候可以被视为简单的反射。散射效应的知识对于适当和现实的信道模型至关重要，这进一步支持大规模多输入多输出（MIMO）技术的开发、定位、射线跟踪工具设计以及未来5G和6 G无线系统的成像。
2019-03-09 cs.IT eess.SP math.IT
Far- and Near-Field Channel Measurements and Characterization in the Terahertz Band Using a Virtual Antenna Array
本文利用太赫兹虚拟天线阵列实测远场与近场信道，验证近场非线性相位变化及瑞利准则，并提出兼容远场和近场的跨场路径损耗模型。
2024-02-04 cs.IT eess.SP math.IT
Beamspace Modulation for Near Field Capacity Improvement in XL-MIMO Communications
本文针对XL-MIMO近场空间自由度增加的问题，提出波束空间调制（BM）策略，利用固定少量射频链路将空间自由度作为调制资源提升容量，理论和仿真证明其频谱效率显著优于现有基准。
2023-05-17 cs.IT cs.SY eess.SY
