關(guān)于太赫茲無線鏈路解調(diào)的研究成果

太赫茲(Terahertz 或者 THz)波段可以定義為 0.3 THz～3 THz 的電磁波。從頻率上看，太赫茲波段處于微波與光波之間，被稱為“太赫茲間隙”(THz Gap)。然而，近年來的一系列研究表明，正是在這個間隙，存在著巨大的開發(fā)潛力和應(yīng)用價值。它可以廣泛地應(yīng)用于爆炸物檢測、藥品檢測、成像、雷達(dá)和無線寬帶通信。

最近，Nature的Scientific Report報道了一種關(guān)于太赫茲無線鏈路解調(diào)的研究成果[1]。

作者報告的“認(rèn)知解調(diào)”(Cognitive Demodulation)，利用人工智能技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，誤比特率性能提高了100倍以上；在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，誤碼率提高了約60倍。此外，解調(diào)速度也大大提高，可以實(shí)時解調(diào)。除了軟件上的進(jìn)步，文章還展示了硬件方面的重要改進(jìn)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)走出了實(shí)驗(yàn)室，在辦公室走廊里進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

系統(tǒng)構(gòu)成

這個被研究小組稱為“太赫茲火炬”（"THz Torch"）的系統(tǒng)，是一個超低價格的太赫茲近距離無線連接。

“THz Torch”的系統(tǒng)模型最早在2011年提出，基本架構(gòu)如下圖[2]。該系統(tǒng)使用簡單的OOK調(diào)制，工作于25~50THz之間。

超低成本OOK“THz Torch”無線通信鏈路架構(gòu)

該系統(tǒng)利用了超低成本的熱發(fā)射器（微型白熾燈陣列），通過熱發(fā)射產(chǎn)生非相干的電磁能量，接收端采用熱釋電紅外（pyroelectric infrared，PIR）傳感器，從而構(gòu)成無線鏈路。為了使峰值光譜功率密度位于電磁光譜的遠(yuǎn)/中紅外部分，燈絲需要能夠發(fā)熱，鎢燈泡是這種應(yīng)用的首選。

"THz Torch”系統(tǒng)基本組成單元[3]

該研究小組9年來，從系統(tǒng)級架構(gòu)到設(shè)備級實(shí)現(xiàn)技術(shù)多方面進(jìn)行了研究，在保持使用固有的低成本組件的同時，使該技術(shù)可用于安全應(yīng)用（例如，私鑰遙控器、隱蔽遙控、安全設(shè)備數(shù)據(jù)鏈路等）的低數(shù)據(jù)速率無線鏈路。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如下所示[1]:

（a）收發(fā)鏈路展示

（b）發(fā)射機(jī)

（c）接收機(jī)

（d）熱圖像

（e）收發(fā)信基本功能框圖

“THz Torch”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

認(rèn)知解調(diào)

認(rèn)知無線電（Cognitive Radio）是無線通信的不小進(jìn)步。它把感知、推理、決策引入到無線通信中來。認(rèn)知無線電的主要內(nèi)容是感知可用頻譜，讓非授權(quán)用戶也能享用授權(quán)頻譜，從而解決頻譜資源緊缺問題。

如果基于傳統(tǒng)的門限檢測，是檢測PIR傳感器輸出電壓，而“THz Torch”的認(rèn)知解調(diào)（Cognitive Demodulation）是指：動態(tài)預(yù)測下一個待接收比特兩種可能的熱瞬態(tài)。認(rèn)知解調(diào)動態(tài)地確定幀的起始位置，并預(yù)測幀內(nèi)每個比特的狀態(tài)。

認(rèn)知解調(diào)后來獲得了改進(jìn)[1]：通過優(yōu)化方法校準(zhǔn)熱輻射器參數(shù)值，使解調(diào)算法更加適應(yīng)組件變化和環(huán)境變化；利用變化點(diǎn)檢測的定時同步技術(shù)，在測量波形及其關(guān)聯(lián)幀之間實(shí)現(xiàn)了更好的時間對齊；引入了長短期記憶網(wǎng)絡(luò)LSTM（Long-Short Term Memory），顯著提升了BER性能和計(jì)算效率。下面將介紹最后一項(xiàng)改進(jìn)。

人工智能增強(qiáng)認(rèn)知解調(diào)

將基于熱力學(xué)的模型與人工智能相結(jié)合，文獻(xiàn)[1]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入認(rèn)知解調(diào)，具體實(shí)現(xiàn)采用LSTM。見下圖所示：

基于LSTM的認(rèn)知解調(diào)器

在上圖中，xi代表第i個比特的波形。對于每個比特，LSTM獲取與該比特相關(guān)聯(lián)的同步測量波形，以更新其單元狀態(tài)ci和隱藏狀態(tài)hi。當(dāng)更新的狀態(tài)被傳遞到下一步時，隱藏狀態(tài)hi傳送到多層感知（Multi-Layer Perception，MLP），由MLP對當(dāng)前比特做出概率決策。

過擬合和域遷移（domain shift）會影響到基于LSTM的認(rèn)知解調(diào)器的應(yīng)用。雖然LSTM具有將測量波形映射為二進(jìn)制比特的潛能，但它有可能會過擬合。解決方案是收集構(gòu)建一個大的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，但這在實(shí)際中可能會很耗時。此外，由于發(fā)射器和感知器參數(shù)值的時變性，會發(fā)生域遷移。在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集沒有覆蓋系統(tǒng)參數(shù)值的情況下，傳統(tǒng)的基于學(xué)習(xí)的解調(diào)器可能工作得很差。但文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，通過基于熱力學(xué)的完整模型建立訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，可以解決過擬合和域遷移問題。

審核編輯：湯梓紅