《Scientific Reports》：Extend-and-forward relaying through wireless frequency extension for sub-terahertz communication
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本研究提出了一种扩展前传链路（EFL）中的扩展转发（EF）中继方案，该方案通过在前传链路中联合实现频分复用（FDM）和用于亚太赫兹（sub-THz）中继的无线频率扩展来实现。研究对EFL的发射与接收过程、相位噪声（PN）引起的符号错误概率以及可运行频率区域进行
本研究提出了一种扩展前传链路（EFL）中的扩展转发（EF）中继方案，该方案通过在前传链路中联合实现频分复用（FDM）和用于亚太赫兹（sub-THz）中继的无线频率扩展来实现。研究对EFL的发射与接收过程、相位噪声（PN）引起的符号错误概率以及可运行频率区域进行了建模。研究比较了分布式同步（DS）和非同步（NS）EFL上聚合相位噪声（PN）的显著程度。研究在级联软件定义无线电（SDR）-太赫兹测试平台上演示了180 GHz EFL，该平台采用商用现货SDR、频率扩展器以及多种射频测量工具。DS演示在测量信噪比为11至13 dB时，每个用户在传输的4×10?比特中实现了0比特错误率，而NS则表现出0.01比特错误平层，软件可控SDR时钟聚合相位噪声（PN）偏差最大为0.384弧度。研究提出了一种数字后校正（DPC）方法，通过动态相位校正抑制与PN相关的时钟偏移，在NS情况下实现了最高0.088的误码率降低，改进程度随用户和链路距离而变化。
### 论文解读：亚太赫兹通信中基于无线频率扩展的Extend-and-Forward中继技术研究
#### 一、研究背景与动机
随着无线通信技术的快速发展，前传链路拥塞问题与宽带无线回传链路需求日益突出。亚太赫兹（sub-THz）频段凭借其丰富的频谱资源，不仅能实现更高速率的通信，还因其可分割的子带特性能够有效最小化前传链路中的干扰。然而，sub-THz通信面临着诸多挑战，包括数据速率稀缺、频率稀疏性以及硬件损伤等问题。现有研究涵盖了长距离回传链路、室内无线电系统、基于光子学的300 GHz无线回传与前传链路，以及130 GHz和220 GHz的多信道sub-THz回传演示等。
软件定义无线电（SDR）以其低成本、灵活的实时数字信号处理能力以及可重编程的FPGA射频前端架构而受到广泛关注。然而，现有基于SDR的sub-THz频率扩展研究主要聚焦于单用户链路级传输，尚未实现多用户频分复用信号的无线中继。针对这一空白，研究人员提出了一种名为Extend-and-Forward（EF）中继的架构，通过无线频率复用技术与射频上变频相结合，无需专用的复用与信号分离硬件（如复用器、解复用器或双工器），即可将sub-6 GHz多用户频分复用（FDM）信号无线扩展至sub-THz频段并转发至基站。该方案不仅消除了自干扰，还使移动用户能够受益于sub-THz通信而无需面临移动性挑战。
#### 二、主要研究内容与结论
本研究首次在sub-THz SDR频率扩展测试平台上实现了EF中继的实时演示。研究人员构建了一个两级级联SDR-THz测试平台：第一级（S(1)）中，多个用户各配备单天线，在sub-6 GHz频段上行传输；第二级（S(2)）中，复用信号被扩展至sub-THz频段通过EFL传输至基站（BS）。研究中使用了三台通用软件无线电外设（USRP）B200作为独立用户发射机，两台弗吉尼亚二极管公司（VDI）频率扩展模块（FEX）分别完成上变频和下变频，工作频率为180 GHz，并采用了M=6的倍频系数。
研究对EFL传输与接收过程进行了数学建模，推导了非同步（NS）和分布式同步（DS）两种模式下的信号表达式。在NS模式下，接收信号包含依赖于φ?(t)和φ?(t)的交叉混合项；而在DS模式下，由于φ?=φ?，接收信号消除了对φ?(t)的依赖，保留了总谐波生成功率。研究还推导了相位噪声引起的符号错误概率，建立了M元相移键控（PSK）系统在PN影响下的符号错误边界，即Pr(error) = 2Q(π/(Mσ_φ))，其中σ_φ为聚合PN标准差。此外，研究人员还分析了EFL的可运行频率区域，确定了最小可用频率间隔为Δf^p_Ex ≈ 200 MHz。
实验结果表明，DS模式下，6 cm链路距离（DS-6B）实现了0比特错误率，信噪比超过10 dB，验证了分布式同步对PN的有效抑制。在17 cm链路距离（DS-17B）下，尽管SNR降至5.5 dB以下，仍实现了无误码帧传输。相比之下，NS模式（NS-6B和NS-17B）因采样时钟偏移（SCO）和PN的影响，呈现出0.01的比特错误平层。频谱分析显示，距离从6 cm增加至17 cm导致的SNR损失约8 dB，与理想自由空间路径损耗（FSPL）的9.05 dB基本吻合。
#### 三、关键技术与方法
研究人员采用了以下关键技术方法：第一，两级级联无线频率扩展架构，将sub-6 GHz FDM信号通过FEX模块的M=6倍频器（宽带二倍频器和三倍频器）上变频至180 GHz sub-THz频段；第二，采用了USRP B200 SDR平台（内置Spartan-6 FPGA和AFD-9364收发器），配合VDI频率扩展模块和WR-5.1输入端口法兰；第三，实验在Poly-Grames研究中心的微波暗室中进行，使用三台USRP B200作为独立用户（SDR-1、SDR-2、SDR-3），FEX-1代表基站，SDR-4集成FEX-2代表核心网；第四，信号处理链包含根升余弦（RRC）脉冲成形匹配滤波、判决引导最小均方（DD-LMS）自适应均衡器、数字锁相环（DPLL）载波频偏估计与补偿、M?M?信噪比估计算法等。
#### 四、主要实验结果
**DS-6B与DS-17B测量（同步情况）**：在DS配置下，共享本振源通过宽带二分功分器同时驱动FEX-1和FEX-2。DS-6B实现了恒定0误码率，SNR大于10 dB，星座图平滑，DPLL收敛良好。DS-17B虽SNR降至5.5 dB以下，仍实现无误码帧传输，证明DS架构在低SNR条件下仍能保持稳健的同步性能。
**NS-6B与NS-17B测量（非同步情况）**：NS配置采用两个独立但相同的脉冲信号发生器。两档距离均呈现0.01的BER平层，低频频偏波动明显，星座图显示相位包裹不规则。SDR-3在NS-17B情况下平均SNR降至-12.12 dB，出现-8 dB深度衰落，测得最高BER为0.43。
**数字后校正（DPC）影响**：针对NS接收机提出的DPC算法包括自动增益控制（AGC）补偿、采用Gardner定时同步算法替代Mueller & Müller算法、以及采用常数模算法（CMA）替代DD-LMS自适应均衡器。应用DPC后，NS-6B平均BER从0.130降至0.060，NS-17B从0.115降至0.070，最佳用户BER降低达0.088。但DPC以残余CFO升高为代价，且无法完全消除0.01的BER平层。
#### 五、讨论与结论总结
实验对比验证了理论推导的正确性：DS接收机消除了对φ?(t)的依赖，而NS接收机保留了降低同步性能的交叉混合项。DS-6B中测得σ_φ=0.06弧度，落在解析推导的π/M决策边界所定义的PN弹性区域内。研究还发现，发射SDR的PN（φ_{n,1}）不被FEX聚合而是通过所有谐波携带，而φ?和φ?则通过180 GHz以乘法方式累加。DS配置因共享本振分发损耗、相位不稳定性和同步开销，在实际分布式高频EF中继系统中不具备可扩展性，因此仅作为实验室性能上界；而所提出的DPC方法针对实际NS部署提供了实用的部分校正方案。
研究结论指出，EF中继为sub-THz EFL与现有sub-6 GHz基础设施的集成提供了可行路径，其信号模型建立了PN诱导符号错误概率和可运行频率区域的分析基础。DS通过消除采样偏移影响，在低频谱功率条件下仍实现较低BER和较高SNR；DPC算法将非同步情况下的BER最高降低0.088，虽然残余时钟偏移仍产生BER平层。前瞻性应用场景包括用于无干扰中继的EF转发器和用于多址接入的超宽带sub-THz回传链路。研究的局限性在于链路距离、同时用户数量和系统级适用性方面，未来工作将探索异构SDR-THz测试平台、有源射频组件集成、多小区场景以及用户可扩展性问题。
