太赫茲通信關鍵技術與發展愿景

　　6G研究已啟動，太赫茲通信技術以其支持超大帶寬資源和超高通信速率等技術特點成為未來6G愿景實現的關鍵候選技術。從太赫茲通信技術特點出發，討論了太赫茲通信未來可能的應用場景，系統分析了太赫茲通信的關鍵技術方向、產業發展現狀與面臨挑戰，最后提出了未來太赫茲通信技術的目標愿景與發展建議。

　　引言

　　隨著5G商用啟動，產業界對未來B5G/6G技術研發工作日趨關注。2019年3月，芬蘭奧盧大學6G Flagship在芬蘭舉行了首屆6G無線峰會，基于參會專家討論和分享的觀點，2019年9月發布了全球首個6G白皮書[1]，內容涵蓋6G的關鍵驅動因素、演進要求、挑戰和研究問題等。2019年11月3日，我國科技部召集發改委、工信部、教育部、中科院，自然科學基金委等單位,成立了國家6G技術研發推進工作組和總體專家組，舉行了6G研究啟動儀式，標志著我國6G技術研發工作的正式啟動。

　　6G Flagship白皮書[1]認為，未來6G通信愿景的特征是“泛在”“無線” “智能”，未來6G可以提供無縫覆蓋的泛在無線連接，提供情景感知的智能服務等應用。目前形成廣泛共識的6G愿景至少需要包含以下幾個特征：與AI技術的深度融合，峰值速率達到Tbit/s，會采用新型的多址和編碼技術，會有空天地海多維度一體化通信以及從宏觀到微觀的多尺度通信等等。實現上述愿景需要各個方向的關鍵技術的突破和支撐，目前6G技術研究仍處于探索起步階段，技術路線尚不明確，關鍵指標和應用場景還未有統一的定義，但是業界基本能夠達成共識的是：太赫茲通信作為新型頻譜技術，將會是6G愿景實現的關鍵底層技術。

　　太赫茲波是指頻段在0.1-10THz之間，波長在30um-3000um之間的電磁波。該頻段電磁波位于微波波段和可見光波段之間，低頻段部分與毫米波段有部分重合。太赫茲頻段電磁波在頻帶資源等方面的獨有特性，使其成為適合未來6G通信的關鍵支撐技術。為盡可能發揮運營商的需求牽引作用，加速和推動太赫茲通信技術產業鏈發展，本文將從太赫茲通信技術特點出發，圍繞太赫茲通信應用場景，關鍵技術及挑戰、發展愿景等方面展開探討。

　　1、太赫茲通信技術特點

　　支持超大工作帶寬和超高通信速率

　　現階段5G高頻毫米波支持的最大工作帶寬為800 MHz，目前業界的實驗測試下行峰值速率最高在10Gbps左右。超高通信速率的實現離不開超大工作帶寬的支持。與已經廣泛應用的微波頻段通信相比，太赫茲頻段具有非常豐富的頻率資源，可利用的工作帶寬可能高達十幾甚至幾十GHz，目前國內外已實現的太赫茲通信原型驗證系統的工作帶寬一般都大于2 GHz[2-12]，遠遠大于現階段5G通信系統的工作帶寬。

　　超大帶寬資源的利用使得太赫茲通信系統可以支持超高的通信速率，目前工作頻段在300 GHz以下太赫茲通信支持的最高速率可達100Gbps，預計未來6G應用時太赫茲通信速率可能達到太比特量級，而支持超大工作帶寬和超高通信速率將會是太赫茲通信最顯著的技術特征和性能優勢。

　　2、太赫茲通信應用場景探討

　　無線接入、光纖替代

　　太赫茲通信具有超高通信速率和傳播損耗較大等技術特點，使其比較適用于短距無線通信等應用場景，比如用于為熱點地區提供超高速網絡覆蓋，用于實現需要超高數據率支持的全息通信，用于數據中心超高速通信等，另外還可以考慮用于代替光纖或電纜實現基站數據的高速回傳，節省光纖部署成本；用太赫茲無線鏈路做固定無線接入，實現無線家寬業務；在沙漠、河流等無法部署光纖的地方應用太赫茲無線鏈路實現高速數據傳輸，作為光纖的延伸等應用。

　　無線接入和光纖替代的場景應用也是現階段5G高頻毫米波的重要應用場景，由于太赫茲可以支持的通信速率會遠遠大于毫米波頻段，所以太赫茲通信該類場景的應用可視為毫米波通信的一個未來增強版，用于適應6G應用的能力需求。

　　3、太赫茲通信關鍵技術

　　3.1 太赫茲關鍵器件與原型系統

　　太赫茲關鍵器件/芯片/組件的研產能力是目前太赫茲通信最關鍵的核心技術，也是太赫茲通信應用面臨的最大挑戰。

　　模擬鏈路相關的高頻模擬分立器件，包括太赫茲功率放大器、太赫茲天線、太赫茲倍頻器、太赫茲混頻器、太赫茲濾波器、太赫茲低噪放等。國內對于太赫茲通信關鍵器件的研發能力接近國際領先水平，但是面向未來實際應用還需要在功率發射能力，工作環境，變頻損耗、功耗等方面實現性能的不斷提升。另外未來系統鏈路的芯片集成化是必然發展趨勢，需要實現核心技術的不斷突破進展。

　　除了模擬鏈路系統的集成芯片，太赫茲通信未來實際應用還面臨超寬帶數模和模數轉換芯片、數字基帶處理芯片等方面的技術挑戰。由于太赫茲可用帶寬(>2 GHz)遠大于4G、5G系統使用的工作帶（<800 MHz），目前的主流數模和模數轉換芯片很難滿足采樣帶寬的要求，另外超大帶寬信號的處理也會給基帶處理芯片帶來非常大的功耗壓力。因此一方面需要研發更高采樣速率的超大帶寬數模和模數轉換芯片、低功耗基帶處理芯片；另一方面是研發低量化精度信號處理系統。未來的太赫茲通信系統的實現可能需要2個方向的技術結合來解決數模轉換和基帶處理問題。

　　目前國內的太赫茲通信關鍵分立部件及原型驗證系統的研發能力與國際先進水平接近，芯片能力較弱，國內相關方向研究成果多集中于高校和研究院所等學研機構，產業成熟度低。目前國內的太赫茲通信原型系統多為無線傳輸能力的驗證，到未來實際應用還需要考慮通信距離、實時性、空分復用、功耗和成本等方面的能力指標。太赫茲通信關鍵核心器件/芯片性能指標的突破進展，相關產業鏈的成熟發展，是上述能力實現的必要條件和保證。

　　3.2 太赫茲傳播特性和信道建模

　　太赫茲的電磁波對陶瓷、紙張、木材、紡織品和塑料等介質材料可以輕易穿透，但很難穿透金屬和水。在大氣環境下，高自由空間損耗以及大氣效應引起的額外衰減是一個巨大的挑戰，在不同的天氣條件下，如大氣分子、雨滴或霧滴，都可能導致太赫茲波段電磁波的高衰減或散射。然而在某些確定的太赫茲窗口頻段處依舊可以產生較低的衰減，可用于無線通信傳輸。對太赫茲在晴朗空氣、雨天、霧天等場景的鏈路損耗等傳播特性的研究已有較多成果發表[16-21]。

　　太赫茲信道模型建模方法一般有參數化統計信道建模、確定性信道建模和等3種類型。基于太赫茲通信的一些室內場景的實驗測試結果顯示，太赫茲信道傳播路徑稀疏性較強，未來太赫茲通信的信道建模更傾向于使用確定性信道建模或參數化半確定性信道建模方法，比如射線追蹤方法，以及結合確定性和統計特性的數字地圖混合建模方法等。

　　太赫茲波傳播特性和信道建模會直接影響太赫茲通信實際應用場景的部署，是實現太赫茲通信應用的基礎研究。未來太赫茲通信可能會用于空天地海多維度、宏觀到微觀多尺度的多樣化應用場景，太赫茲通信信道建模需要要探討和研究各種不同應用場景下的信道傳播模型，以應用于未來的實際場景部署。

　　3.3 太赫茲通信空口技術

　　與5G空口技術相比，太赫茲通信具有超大帶寬的資源優勢，但是現階段太赫茲通信原型系統硬件鏈路也存在變頻損耗較大、采樣帶寬受限、基帶處理功耗大等不理想因素。太赫茲通信空口技術除了在基帶波形設計、幀結構和參數集的設計、調制編碼、波束管理等技術鏈都面臨新的演進要求外，受到太赫茲通信硬件系統能力的影響，針對系統鏈路各種非理想特性和因素的算法設計和補償也是太赫茲通信空口技術需要考慮和研究的技術方向。

　　太赫茲通信超高速率的特點與優勢，除了需要硬件鏈路的傳輸能力以外，也需要通過空口技術的有效設計來保證和實現。包括頻譜和帶寬資源的動態配置、波束接入的智能管理，以及高低頻、空天地多維度、宏觀到微觀多尺度的空口協同和信息融合等。未來空口設計方案需要具有上述能力和特點才能適配6G太赫茲通信的技術特征和優勢。目前6G技術研究仍處于探索起步階段，技術路線尚不明確，需要產業界共同參與研究，并積極探討，逐步厘清未來太赫茲通信空口技術路線和發展方向。