太赫兹波束精准赋形角度估计与追踪算法及通信感知一体化系统协同设计
发布时间：2026-08-03 10:38:00
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
太赫兹频段凭借其超宽带频谱资源，被视为突破当前无线通信系统容量瓶颈的关键技术方向。然而太赫兹波的自由空间路径损耗极大，且大气吸收效应显著，导致其覆盖距离受限。为了在有限功率预算下实现有效通信，系统必须依赖极窄波束的定向传输来获得足够的阵列增益，这一需求使得波束赋形与精准角度估计成为太赫兹通信物理层的核心任务。与此同时，太赫兹的短波长特性使得天线阵列可在小尺寸内集成大量阵元，为实现高分辨率感知提供了物理基础，通信与感知两种功能在太赫兹频段具备天然的硬件共享和信号共处理条件。通信感知一体化设计在此背景下不再仅是概念层面的技术融合，而是面向实际系统架构的必要选择，其核心问题在于如何协调通信波束的追踪精度与感知波束的分辨能力，使同一套硬件和频谱资源同时满足数据传输和环境探测的双重需求。
角度估计的精度直接决定了波束赋形的增益水平。在太赫兹频段，波长量级缩减至亚毫米级别，相同孔径下的阵列波束宽度大幅收窄，任何细微的角度偏差都会导致接收端信噪比的急剧下降。针对这一挑战，系统采用基于子空间类方法的到达角估计算法，通过分析接收信号协方差矩阵的特征结构来解析不同路径的角度参数。在阵列规模扩展至大规模后，传统子空间算法的计算复杂度呈三次方增长，难以满足实时处理需求。系统引入压缩感知和稀疏重构技术，利用太赫兹信道在角度域的固有稀疏性，将角度估计转化为稀疏信号恢复问题，通过正交匹配追踪或迭代收缩算法在低复杂度下获得高精度角度估计。角度估计算法的输出不仅包含直达路径的角度信息，还包括多条反射路径的参数，这些多径角度信息为后续的波束追踪和感知功能提供了丰富的环境数据。
波束追踪算法在角度估计的基础上进一步解决终端移动时的波束方向持续跟踪问题。在太赫兹系统中，波束追踪的难度远高于低频段，因为窄波束使得可用的角度追踪范围极小，而终端的移动或旋转可能使接收端迅速偏离波束中心。传统波束追踪采用周期性扫描的方式，在每个追踪周期内测试若干候选波束方向并选择最优者，这种方式在太赫兹大规模阵列下扫描开销极大，占用大量传输资源。系统转而采用基于角度预测的追踪方法，利用卡尔曼滤波将终端的历史角度轨迹建模为状态方程，预测下一时刻的最可能角度范围，然后仅在该范围内进行有限候选方向的精扫验证。当终端运动轨迹出现突变，例如车辆转弯或行人突然变向，预测模型会产生较大的跟踪误差，系统此时触发快速全空间重扫机制，采用分级扫描策略在数十毫秒内完成覆盖重新锁定。追踪算法设计中还需考虑波束宽度与追踪间隔的折衷，较宽波束可容忍更大的角度误差但增益较低，较窄波束增益高但追踪间隔需相应缩短以维持对准精度。
通信感知一体化设计将波束追踪过程中获取的角度和多径参数直接用于环境感知，形成通信与感知的互惠机制。在传统系统中，通信链路的波束追踪信息仅用于维持传输连接，而在一体化设计中，这些信息同时被用于构建环境散射体的空间分布图。多个用户终端的波束追踪结果在基站侧汇聚，结合不同终端的位置信息，系统可反推出环境中反射面的位置和朝向，从而生成动态的环境地图。感知功能的实现不需要单独的感知帧或感知信号，完全复用通信波束的导频和参考信号，这使得感知几乎不占用额外的时频资源。反过来，感知结果对通信性能的提升体现在波束管理的前瞻性上，系统利用感知到的环境变化提前调整波束策略，例如在检测到新的反射体进入覆盖区域后，预先为该反射路径配置备用波束，当主路径中断时快速切换至反射路径而不需要重新扫描。
太赫兹一体化系统的协同设计需要在波形和帧结构层面进行深度融合。通信波形通常采用正交频分复用，其子载波结构天然支持频域处理，适用于感知任务中的距离和多普勒估计。系统在通信帧中嵌入具有良好自相关特性的感知序列，这些序列与通信数据在频域叠加或时分复用，接收端通过匹配滤波提取感知序列的时间延迟和频率偏移，获得目标的距离和速度信息。帧结构设计必须兼顾通信的数据传输效率和感知的更新速率，高频感知更新需要密集的感知序列，这会压缩通信数据的传输容量，系统根据当前信道条件和业务需求动态调整感知序列的密度。在高速移动场景中，感知更新速率优先保证，系统牺牲部分通信容量以获取高频次的环境快照，确保波束追踪的及时性。在静态场景中，感知序列密度降低，将更多资源让渡给数据传输，实现系统资源的按需分配。
角度估计与追踪算法在感知辅助下的性能提升体现在多径利用和盲区覆盖方面。系统通过感知功能获知环境中主要反射体的位置，将这些反射体视为虚拟基站，利用反射路径提供空间分集。当终端位于基站直视路径被遮挡的区域时，系统不依赖单一的直达波束，而是同时激活多条反射路径的波束，通过选择信号最强的路径维持连接。反射路径的选择和波束指向的计算依赖于精确的角度估计，系统需要区分来自不同反射体的到达角，并为每条路径分配独立的追踪滤波器。路径数量增加带来的追踪复杂度上升通过感知结果提供的先验信息来抵消，系统已知反射体的位置后，其对应反射路径的角度变化规律可以预先建模，减少了追踪的不确定性。在多终端场景中，不同终端之间的感知信息可以共享，某一终端探测到的环境变化通过基站转发给其他终端，使整个网络的感知覆盖范围得到扩展，尤其利于车间通信和协同感知应用。
一体化协同设计的工程可行性依赖于算法复杂度和硬件资源的平衡。角度估计算法中的子空间分解和稀疏重构都是计算密集型任务，系统采用基于现场可编程门阵列的硬件加速单元来承担这些运算，将估计结果以低速率输出至上层协议栈。波束追踪算法的预测部分在通用处理器上运行，精扫验证通过硬件快速完成，这种软硬件划分策略保证了追踪的实时性。在芯片设计层面，一体化系统要求基带处理器具备同时处理通信数据和感知数据的能力，感知数据的处理优先级与通信控制信令相同，确保感知结果能够及时反馈至波束管理模块。系统整体的设计目标是在不显著增加硬件成本和功耗的前提下，通过算法创新和资源共享使通信和感知相互增强，实现单一系统同时满足高质量数据传输和精确环境感知的双重功能要求。
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太赫兹通信依赖精准角度估计与波束追踪，利用压缩感知降低估计复杂度，卡尔曼滤波预测角度变化实现高效追踪。通信感知一体化复用波形与参考信号，将追踪参数用于环境建图，感知结果辅助波束管理，实现资源共享下的通信与感知互惠增强。
多重信号分类算法在低信噪比时谱峰偏移，交互多模型切换匀速与匀加速运动状态。通信与感知时段分时复用，感知扫描范围影响通信时长。角度估计误差转化为波束指向不确定度，主瓣适度展宽以平衡增益损失与覆盖概率。矩阵求逆等操作在资源受限平台上需降维处理。
