太赫茲通信技術(shù)白皮書

1、目錄 HYPERLINK l _bookmark0 概述 1 HYPERLINK l _bookmark1 太赫茲通信技術(shù)發(fā)展需求 1 HYPERLINK l _bookmark2 白皮書狀態(tài) 2 HYPERLINK l _bookmark3 太赫茲通信技術(shù)特點(diǎn) 3 HYPERLINK l _bookmark4 太赫茲頻譜特性 3 HYPERLINK l _bookmark5 超大帶寬超高速率通信能力 4 HYPERLINK l _bookmark6 高傳播損耗 4 HYPERLINK l _bookmark7 超大規(guī)模天線技術(shù) 5 HYPERLINK l _bookmark8 太赫茲通感技術(shù)

2、融合 6 HYPERLINK l _bookmark9 太赫茲通信應(yīng)用場景 6 HYPERLINK l _bookmark10 地面無線通信 7 HYPERLINK l _bookmark11 空間通信 10 HYPERLINK l _bookmark12 微小尺度通信 11 HYPERLINK l _bookmark13 太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn) 13 HYPERLINK l _bookmark14 太赫茲通信關(guān)鍵器件及模塊 13 HYPERLINK l _bookmark15 太赫茲傳播特性及信道建模 16 HYPERLINK l _bookmark16 太赫茲通信空口技術(shù) 20 HYPE

3、RLINK l _bookmark17 太赫茲通信產(chǎn)業(yè)進(jìn)展及發(fā)展建議 25 HYPERLINK l _bookmark18 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展 25 HYPERLINK l _bookmark19 國際各區(qū)域產(chǎn)業(yè)進(jìn)展 27 HYPERLINK l _bookmark20 國內(nèi)產(chǎn)業(yè)進(jìn)展 31 HYPERLINK l _bookmark21 產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議 35 HYPERLINK l _bookmark22 中國聯(lián)通太赫茲通信愿景與推進(jìn)計劃 37 HYPERLINK l _bookmark23 愿景目標(biāo) 37 HYPERLINK l _bookmark24 推進(jìn)計劃及工作進(jìn)展 37 HYPERLINK l

4、 _bookmark25 總結(jié)與展望 40 HYPERLINK l _bookmark26 參考文獻(xiàn) 411概述太赫茲通信技術(shù)發(fā)展需求從上世紀(jì) 80 年代，移動通信業(yè)經(jīng)歷了模擬語音業(yè)務(wù)應(yīng)用的 1G 時代，新增短信應(yīng)用的 2G 時代，到多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用的 3G 時代，再到移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的 4G 時代，移動通信呈現(xiàn)出“十年一變革”的發(fā)展規(guī)律。2019 年隨著全球 5G 商用化進(jìn)程加快，國際各區(qū)域和研究組織已紛紛開啟下一代通信技術(shù)研究。2019 年 3 月，芬蘭奧盧大學(xué)邀請多個國家的通信專家召開了全球首屆 6G 峰會，共同探討下一代通信技術(shù)驅(qū)動因素、研究挑戰(zhàn)和未來愿景，并在 2019 年 9 月發(fā)布了

5、全球首份 6G 白皮書1。2019 年 11 月 3 日，我國科技部會同發(fā)展改革委、教育部、工信部、中科院、自然科學(xué)基金委在北京組織召開 6G 技術(shù)研發(fā)工作啟動會，成立國家 6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組和總體專家組，標(biāo)志著我國 6G 技術(shù)研發(fā)工作正式啟動。圖 1.1未來可能的無線新技術(shù)(硬件和物理層)16G 研究的整體技術(shù)路目前線尚不明確，學(xué)術(shù)界對于未來 6G 的底層候選技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)特征和目標(biāo)愿景都處于熱烈的自由探討中，涌現(xiàn)出很多顛覆性通信架構(gòu)和技術(shù)概念。如圖 1.1 所示為全球首份 6G 白皮書報告中對未來眾多 6G 候選技術(shù)應(yīng)用潛力和技術(shù)影響力的分析和預(yù)估?？梢钥吹剑?4 個 6G 潛在無線技術(shù)方

6、向中，有 6 個與太赫茲相關(guān)，分別包括太赫茲通信相關(guān)的關(guān)鍵器件材料工藝（磷化銦、鍺硅 CMOS、COMS、石墨烯、無損太赫茲材料等）和無線物理層設(shè)計等。該份白皮書報告同時認(rèn)為，“太赫茲關(guān)鍵器件會是未來 6G 愿景實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)1”。太赫茲波段以其豐富的頻譜資源和獨(dú)有特性，受到學(xué)術(shù)界的熱烈關(guān)注，也受到歐、美、日等國家區(qū)域和組織的高度重視，并獲得了國際電信聯(lián)盟（ITU）的大力支持，成為極具潛力的 6G 關(guān)鍵候選頻譜技術(shù)?；谕ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)技術(shù)平滑演進(jìn)的考慮，太赫茲通信也是目前產(chǎn)業(yè)界熱議和關(guān)注較多的技術(shù)方向，開展太赫茲通信技術(shù)研究既符合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)需求，也具備較高可行性。中國聯(lián)通也已啟動對太赫茲通

7、信技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)推動工作，并基于前期研究進(jìn)展形成本白皮書內(nèi)容，對太赫茲通信的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場景及關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)等進(jìn)行了初步探討，并提出了中國聯(lián)通對太赫茲通信技術(shù)發(fā)展方向的初步規(guī)劃。中國聯(lián)通將以應(yīng)用需求為牽引，持續(xù)開展太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)研究、太赫茲通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動工作，發(fā)布本白皮書的目的是向產(chǎn)業(yè)界釋放積極信號，吸引產(chǎn)業(yè)界各合作伙伴一起，共同促進(jìn)和推動太赫茲通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。白皮書狀態(tài)本白皮書 1.0 版本初步探討了中國聯(lián)通對于太赫茲通信技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場景及關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)等內(nèi)容的觀點(diǎn)，提出了中國聯(lián)通對太赫茲通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議及后續(xù)推進(jìn)計劃，部分內(nèi)容尚需進(jìn)一步深入研究探討。

8、希望此版本白皮書的發(fā)布能夠引起產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，吸引更多的行業(yè)伙伴與中國聯(lián)通一起合作開展關(guān)鍵技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化推動以及試點(diǎn)應(yīng)用等方面的工作，共同推動太赫茲通信產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。隨著研究的不斷深入，太赫茲通信技術(shù)路線和方案會更加明晰，新的研究內(nèi)容和成果會不斷體現(xiàn)到后續(xù)版本中，歡迎行業(yè)伙伴提出修改意見和建議。2太赫茲通信技術(shù)特點(diǎn)太赫茲頻譜特性太赫茲（Terahertz，THz）波指位于 0.1THz-10THz 頻率之間頻段的電磁波，如圖 2.1 所示。圖 2.1 太赫茲頻譜頻段太赫茲波的波長范圍是 30m-3mm,在整個電磁波譜中位于微波和紅外波頻段之間。由于在電磁波譜的特殊位置，太赫茲波既具有微波頻段的穿

9、透性和吸收性，又具有光譜分辨特性。下面是太赫茲波的一些特性及應(yīng)用領(lǐng)域2：穿透性，太赫茲輻射對塑料、布料、電介質(zhì)等材料，沙塵等均具有很強(qiáng)的穿透性。這一特點(diǎn)使得太赫茲波可以用于質(zhì)量或安全檢測等領(lǐng)域。低能性，與 X 射線等高頻段電磁波相比，太赫茲波的光子能量量級僅為毫電子伏特，為 X 射線光子能量的的百分之一不到，對大部分的生物細(xì)胞和探測體都不會造成傷害，應(yīng)用太赫茲技術(shù)制造的醫(yī)療診斷設(shè)備可以大大降低電磁波照射造成的人體傷害，實(shí)現(xiàn)無損檢測。瞬態(tài)性，與微波頻段相比，太赫茲波頻率較高，太赫茲激光器的脈沖為皮秒量級，能夠達(dá)到很高的時間分辨率，可以用于生物樣本等對時間分辨率要求較高的成像檢測和醫(yī)學(xué)研究中。“指

10、紋”譜，太赫茲的頻譜很寬，能夠覆蓋蛋白質(zhì)和毒品等大分子的轉(zhuǎn)動振蕩頻率，這些大分子都在太赫茲波段具有很強(qiáng)的吸收和諧振，構(gòu)成了相應(yīng)的太赫茲“指紋”譜，可以用于實(shí)現(xiàn)分子級別的物質(zhì)檢測與鑒別。寬帶性，太赫茲頻段的頻譜資源很豐富，可用頻譜帶寬比微波高幾個數(shù)量級。太赫茲頻段電磁波在外層空間可以進(jìn)行無損傳輸,用較小發(fā)射功率就實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，還可以避免地球輻射噪聲的影響，穿透通信黑障。因此太赫茲可應(yīng)用于空間通信和無線寬帶通信。太赫茲波的上述特性使其在檢測、生物醫(yī)學(xué)、軍事探測與保密通信，以及空間衛(wèi)星通信等領(lǐng)域都獲得了重要應(yīng)用。太赫茲波具有豐富的頻段資源可供利用，使其可用于超寬帶無線通信，并且成為 B5G/6G

11、的重要潛在技術(shù)，下面將探討分析太赫茲通信的技術(shù)特點(diǎn)。超大帶寬超高速率通信能力現(xiàn)階段 5G 高頻毫米波支持的最大工作帶寬為 800MHz，目前業(yè)界的實(shí)驗(yàn)測試下行峰值速率最高在 10Gbps 左右。超高通信速率的實(shí)現(xiàn)離不開超大工作帶寬的支持，與已經(jīng)廣泛應(yīng)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(dá)幾十 GHz。目前國內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)的太赫茲通信原型驗(yàn)證系統(tǒng)的工作帶寬一般都大于 2GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)階段 5G 通信系統(tǒng)的工作帶寬。超大帶寬資源的利用使得太赫茲通信系統(tǒng)可以支持超高的通信速率，目前工作頻段在300GHz 以下太赫茲通信支持的最高速率可達(dá)100Gbps，預(yù)計未

12、來B5G/6G應(yīng)用時太赫茲通信速率可能達(dá)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(shù)特征和性能優(yōu)勢。高傳播損耗太赫茲頻段的頻率比毫米波更高，依據(jù)電磁波的傳播特性，這個頻段的傳播與穿透損耗也比較大。根據(jù) Frris 自由空間損耗計算公式3，如下式所示：LFSdB/km 32.4 20 log f MHz 20 log dkm GTxdBi GRxdBi(2.1)其中， LFSdB/km 表示路徑損耗， f MHz 表示電磁波頻率， dkm 表示傳播距離， GTxdBi 表示發(fā)射增益， GRxdBi 表示接收增益。根據(jù)式(2.1)，可以得到在自由空間傳播時， 1THz

13、 以下太赫茲頻段電磁波相對于 26GHz 毫米波頻段的粗估路損差，如圖 2.2所示。圖 2.2 太赫茲頻段不同頻點(diǎn)與毫米波 26GHz 頻點(diǎn)自由空間傳播路損差由圖 2.2 可以看到不考慮水分子和氧氣吸收帶的情況下，自由空間傳播時 1THz 以下的太赫茲頻段相對 26GHz 毫米波的路徑損耗增加了 10-35dB。因此在發(fā)射和接收增益受限的情景下，太赫茲頻段的通信系統(tǒng)覆蓋距離會大大縮短，并且穿透和繞射能力較差，所以更適合用于室內(nèi)短距高速通信，需要其他覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，比如超大規(guī)模陣列天線技術(shù)來滿足室外遠(yuǎn)距離覆蓋要求。超大規(guī)模天線技術(shù)大規(guī)模天線陣列的應(yīng)用是 5G 通信的一個技術(shù)特點(diǎn)，尤其是在高頻段毫米

14、波的應(yīng)用帶來了覆蓋和容量增強(qiáng)、用戶分集等眾多應(yīng)用優(yōu)勢。由于太赫茲頻段的路徑傳播損耗相比于毫米波更大，未來太赫茲通信系統(tǒng)也極有可能采用超大規(guī)模天線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)室外或較遠(yuǎn)距離的增強(qiáng)覆蓋。全球首個 6G 白皮書預(yù)估，隨著新型材料和工藝技術(shù)的發(fā)展和突破，未來 B5G/6G 應(yīng)用時，工作頻點(diǎn)在 250GHz 時，4平方厘米的面積可能安裝超過 1000 個天線1，太赫茲通信系統(tǒng)未來有望實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模天線陣列。盡管目前的太赫茲天線技術(shù)尚不支持實(shí)現(xiàn)小尺寸集成化的大規(guī)模太赫茲天線陣列，但可以預(yù)見的是，隨著太赫茲相關(guān)技術(shù)的不斷突破和進(jìn)展，未來 6G 應(yīng)用階段，太赫茲天線技術(shù)有望支持大規(guī)模陣列天線方案，用以實(shí)現(xiàn)太赫茲通

15、信增強(qiáng)覆蓋。超大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用除了增強(qiáng)通信覆蓋距離外，還可以用于支持超窄波束賦形，超高角度分辨率和超高定位精度性能，未來 6G 通信的室內(nèi)定位精度可能達(dá)到厘米量級1。太赫茲通感技術(shù)融合隨著波長變短和可用帶寬的增加，融合了太赫茲通信、高精度定位，3D 成像及感知等技術(shù)的太赫茲通信和先進(jìn)感知系統(tǒng)有可能在未來實(shí)現(xiàn)1，成為未來通信的技術(shù)特點(diǎn)。目前太赫茲通感技術(shù)的融合應(yīng)用研究面臨多方面待探討問題，包括應(yīng)用場景，物理硬件的整體設(shè)計，通信和多種感知信息處理技術(shù)的融合，通感系統(tǒng)的能耗問題等等，都還缺少成型的技術(shù)路線和方案。有研究者認(rèn)為，基于硬件功能需求，超高速率、低成本的通信和感知系統(tǒng)應(yīng)該在“前所未有的尺

16、度上進(jìn)行整體研究4”。未來“零能耗”等關(guān)鍵技術(shù)的突破有可能使超高速率、超低成本的太赫茲通感技術(shù)融合成為未來通信的技術(shù)特點(diǎn)。綜上，太赫茲通信可支持超大帶寬超高速率通信傳輸，但太赫茲通信頻段的路徑損耗較大，且穿透和繞射能力較差，易被建筑物和物體遮擋。因此太赫茲通信具有大帶寬、超高速、短距、安全等應(yīng)用特點(diǎn)，可用于超寬帶無線接入、安全保密通信等應(yīng)用場景，另外也有可能與高精度定位和 3D 成像感知等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)融合，應(yīng)用于多種未來通信場景。根據(jù)太赫茲通信的上述技術(shù)特點(diǎn)，下節(jié)將討論未來太赫茲通信適用的一些通信場景。3 太赫茲通信應(yīng)用場景地面無線通信點(diǎn)對點(diǎn)無線通信無線回傳太赫茲無線收發(fā)設(shè)備可以用于代替光纖或

17、電纜實(shí)現(xiàn)基站數(shù)據(jù)的高速回傳，節(jié)省光纖部署成本，在高山、沙漠、河流等無法部署光纖的區(qū)域應(yīng)用太赫茲無線鏈路實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，作為光纖的延伸。目前國內(nèi)外已有的太赫茲原型通信系統(tǒng)已具備數(shù)據(jù)無線傳輸能力，未來需要發(fā)展的技術(shù)重點(diǎn)是相關(guān)功能設(shè)備的低功耗、低成本和小型化。圖 3.1 無線回傳應(yīng)用固定無線接入（FWA）FWA（Fixed Wireless Access, 固定無線接入）是在 5G 已實(shí)現(xiàn)商用的一種通信場景，目前較多應(yīng)用毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)。由于太赫茲通信可以支持的帶寬和速率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于毫米波頻段，未來可應(yīng)用于 FWA 場景，用于滿足 6G 通信能力需求。圖 3.2 固定無線接入無線數(shù)據(jù)中心隨著 ICT

18、技術(shù)的不斷發(fā)展，云服務(wù)應(yīng)用的需求不斷增加，對數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用需求也快速增長。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)基于線纜連接，海量線纜的空間占用和維護(hù)成本較高，對于數(shù)據(jù)中心的散熱成本和服務(wù)器性能都有一定影響5。太赫茲以其超高通信速率特點(diǎn)，被認(rèn)為可能廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)中心，用以降低數(shù)據(jù)中心空間成本、線纜維護(hù)成本和功耗，有較多相關(guān)研究成果發(fā)表6-9。圖 3.3 無線數(shù)據(jù)中心安全接入通信太赫茲通信路損高，傳播距離短，指向性好的特點(diǎn)，可用于設(shè)備之間的安全接入、超高速安全下載及安全支付等安全通信場景。該類型應(yīng)用場景已在 IEEE Std 802.15.3d-2017 標(biāo)準(zhǔn)中定義10，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化成熟度較高。圖 3.4 安全支

19、付點(diǎn)對點(diǎn)固定無線通信類應(yīng)用場景中，太赫茲通信收發(fā)設(shè)備無需使用陣列天線用以支持移動通信能力，且除光纖替代場景外，多為室內(nèi)短距通信，數(shù)據(jù)無線傳輸功能已基本具備，相關(guān)應(yīng)用包括應(yīng)用頻譜、太赫茲傳播特性和信道模型等相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化成熟度也相對較高，未來有望較早實(shí)現(xiàn)相關(guān)場景的試點(diǎn)與落地應(yīng)用。無線移動通信熱點(diǎn)地區(qū)超寬帶覆蓋隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，未來 6G 時代的通信業(yè)務(wù)應(yīng)用，例如全息通信，高質(zhì)量視頻在線會議，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)，3D 游戲等，對數(shù)據(jù)速率、時延和連接數(shù)等網(wǎng)絡(luò) KPI 的需求與 5G 相比可能呈現(xiàn)數(shù)量級增長。6G 未來應(yīng)用愿景的特點(diǎn)包括無處不在的泛在鏈接，意味著家庭、辦公室、餐廳、商場、機(jī)場、

20、體育場、旅游景點(diǎn)等多種人類生活、工作、娛樂和社交場所都會有超高的移動通信能力需求。太赫茲通信數(shù)據(jù)率高的特點(diǎn)，使其將來可用于為熱點(diǎn)地區(qū)提供超高速網(wǎng)絡(luò)覆蓋，作為宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，提供小區(qū)超寬帶無線通信。由于太赫茲波路損較高，仍需要使用大規(guī)模天線陣列用以支持移動通信能力，并且需要適配的太赫茲通信空口技術(shù)用以實(shí)現(xiàn)超寬帶高速率移動通信功能。圖 3.5 熱點(diǎn)地區(qū)超寬帶覆蓋未來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署需要以太赫茲通信系統(tǒng)中，包括關(guān)鍵器件/芯片/組件，室外信道建模、大規(guī)模天線陣列等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化成型和產(chǎn)業(yè)化成熟為前提。從目前國內(nèi)外太赫茲通信技術(shù)能力來看，該類場景應(yīng)用面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和問題瓶頸較多，距離應(yīng)用落地還有

21、一定距離。無線局域網(wǎng)/無線個域網(wǎng)隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks, WLAN）與移動通信網(wǎng)絡(luò)一樣，也會面臨現(xiàn)有系統(tǒng)能力無法滿足未來 6G 通信業(yè)務(wù)需求的問題?？紤]到太赫茲設(shè)備對于高速、寬帶的支持能力，未來具備小型化、低功耗和低成本特點(diǎn)的太赫茲設(shè)備可考慮用以實(shí)現(xiàn)太赫茲 WLAN10，滿足未來 6G通信業(yè)務(wù)的需求。圖 3.6 太赫茲無線局域網(wǎng)/無線個域網(wǎng)太赫茲頻段通信可以實(shí)現(xiàn)近距離設(shè)備之間的高速鏈路，同樣可以應(yīng)用在太赫茲無線個人局域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network,WPAN）場景中10，用于個人電子設(shè)備，如

22、個人電腦、手持終端或可穿戴終端等設(shè)備之間的無線鏈接，實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)互傳。空間通信太赫茲頻段電磁波在外層空間可以進(jìn)行無損傳輸,用較小發(fā)射功率就實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，還可以避免地球輻射噪聲的影響。當(dāng)高速飛行器飛進(jìn)大氣層后， 由于激波產(chǎn)生高溫使空氣電離，并形成一個等離子體鞘包裹在飛行器外部。通常等離子體鞘頻率在 6070 GHz 左右，傳統(tǒng)的測量和通信方法難以穿透等離子體鞘層。太赫茲波頻率遠(yuǎn)高于等離子體鞘層頻率，可以穿透等離子體鞘層對飛行器進(jìn)行通信和測量11。因此太赫茲可廣泛應(yīng)用于空間通信場景，比如星間高速通信，星地間高速通信，空間飛行器通信等。太赫茲波長較短，如果未來太赫茲天線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)小型化、平面化

23、，太赫茲通信系統(tǒng)可通過搭載衛(wèi)星、無人機(jī)、飛艇等天基平臺和空基平臺，做為無線通信和中繼設(shè)備，應(yīng)用于衛(wèi)星集群間、天地間和千公里以上的星間高速通信，實(shí)現(xiàn)未來的空天地海一體化通信。圖 3.7 空天地一體化通信應(yīng)用場景微小尺度通信太赫茲波長極短，隨著太赫茲通信技術(shù)的持續(xù)突破和發(fā)展，未來有望實(shí)現(xiàn)毫微尺寸甚至是微納尺寸的收發(fā)設(shè)備和組件，在極短距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用。隨著石墨烯等新型材料技術(shù)的興起與發(fā)展，太赫茲通信除了傳統(tǒng)的宏觀尺度應(yīng)用，還有望作為無線納米網(wǎng)絡(luò)通信頻段，用于芯片的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠?片間無線通信等12-14，支持健康監(jiān)測系統(tǒng)的可穿戴或植入式太赫茲設(shè)備，用于納米體域網(wǎng)、納米傳感器網(wǎng)絡(luò)13

24、等多種微小尺度通信應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)從宏觀通信到微觀通信的 6G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋。圖 3.8 用于健康監(jiān)測的納米體域網(wǎng)13圖 3.9 片上通信14微小尺度通信帶有明顯的 6G 愿景特征，從目前太赫茲通信的技術(shù)能力來看，未來需要通過將太赫茲技術(shù)與微納技術(shù)的結(jié)合，以及新型材料和工藝技術(shù)的進(jìn)展突破，實(shí)現(xiàn)毫微尺寸、高效率、低成本的太赫茲通信收發(fā)器件與設(shè)備。綜上，未來太赫茲通信設(shè)備有望應(yīng)用于無線回傳/光纖替代、無線局域網(wǎng)/個域網(wǎng)、無線數(shù)據(jù)中心和安全接入多種地面超高速通信場景，也可以通過搭載衛(wèi)星、無人機(jī)、飛艇等天基平臺和空基平臺實(shí)現(xiàn)空天地海多維度一體化通信，與微納技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于從宏觀到微觀的多尺度通信，成為未來 B

25、5G/6G 通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。4 太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)太赫茲通信關(guān)鍵器件及模塊太赫茲通信鏈路調(diào)制技術(shù)太赫茲通信原型系統(tǒng)的鏈路調(diào)制方式目前主要有兩種不同架構(gòu)：一種是光電結(jié)合的方案，利用光學(xué)外差法產(chǎn)生頻率為兩束光頻率之差的太赫茲信號，如圖所示。太赫茲通信原型系統(tǒng)光電調(diào)制方案的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率高，缺點(diǎn)是發(fā)射功率低，系統(tǒng)體積大，能耗高，適用于地面短距離高速通信方面，較難用于遠(yuǎn)距離通信。圖 4.1 光電調(diào)制方案示意圖圖 4.2 全固態(tài)電子混頻方案示意圖另一種太赫茲通信鏈路是與微波無線鏈路類似的全固態(tài)電子鏈路，利用混頻器將基帶或中頻調(diào)制信號上變頻搬頻到太赫茲頻段，如圖 4.2 所示。太赫茲通信原型

26、系統(tǒng)全固態(tài)電子混頻調(diào)制方案采用全電子學(xué)的鏈路器件，該類型方案的優(yōu)點(diǎn)射頻前端易集成和小型化，功耗較低，但是發(fā)射功率也較低，本振源經(jīng)過多次倍頻后相噪惡化，且變頻損耗大，載波信號的輸出功率在微瓦級，因此該類系統(tǒng)也需要進(jìn)一步發(fā)展高增益寬頻帶功率。另外全固態(tài)電子系統(tǒng)還有一種實(shí)現(xiàn)方案是采用外部高速調(diào)制器直接對空間傳輸太赫茲信號進(jìn)行調(diào)制，該類型方案的核心關(guān)鍵技術(shù)為高速調(diào)制器，需要實(shí)現(xiàn)太赫茲波幅度或相位的直接調(diào)制。直接調(diào)制方案的應(yīng)用優(yōu)勢在于易集成，體積小，發(fā)射功率較高（毫瓦量級），可用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，但是受限于太赫茲高速調(diào)制器件能力，目前能實(shí)現(xiàn)的通信速率相對較低。太赫茲關(guān)鍵器件太赫茲通信的關(guān)鍵器件/芯片/組

27、件是完成太赫茲通信設(shè)備的基礎(chǔ)，也是目前制約太赫茲通信發(fā)展的核心與關(guān)鍵所在，國內(nèi)外都高度重視太赫茲關(guān)鍵器件與芯片的研究。根據(jù)通信功能模塊的不同，目前與通信設(shè)備相關(guān)的太赫茲全電子鏈路的關(guān)鍵器件主要包括太赫茲發(fā)射源、倍頻器件/混頻器、功放/低噪放、調(diào)制解調(diào)器等，材料工藝一般為 CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)、SiGe（鍺硅）、GaAs（砷化鎵）、GaN（氮化鎵）、InP(磷化銦)等，如表 4.1 所示為太赫茲頻段不同半導(dǎo)體工藝的特征頻率和實(shí)現(xiàn)能力。表 4.1 太赫茲頻段不同半導(dǎo)體工藝特點(diǎn)11工藝CMOSSiGeGaAsGaNInP特征頻率200GHz200GHz500GHz2GHz)，未來太赫茲通

28、信系統(tǒng)的工作帶寬預(yù)計也會遠(yuǎn)大于 5G 的高頻毫米波段設(shè)備（400MHz/800MHz），當(dāng)前采樣芯片能力難以滿足高達(dá)幾十 GHz 的帶寬需求。而超大帶寬也往往意味著基帶處理復(fù)雜度和運(yùn)算資源需求都大大增加，給基帶芯片帶來更大的功耗和成本壓力。未來太赫茲通信系統(tǒng)的有效實(shí)現(xiàn)，需要以有效解決寬帶數(shù)模轉(zhuǎn)化和高速基帶處理問題為前提。面臨上述問題，技術(shù)路線一是研發(fā)更高采樣速率、低成本、低功耗的超大帶寬數(shù)模轉(zhuǎn)化芯片；技術(shù)路線二是研究低量化精度信號處理系統(tǒng)，比如比特量化與信號算法的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，聯(lián)合自適應(yīng)量化門限單比特解調(diào)優(yōu)化，基于概率計算的 LDPC 譯碼器電路級 ASIC 等。未來太赫茲通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可能需

29、要兩種技術(shù)路線的綜合應(yīng)用。太赫茲傳播特性及信道建模太赫茲傳播特性外層空間，太赫茲可以進(jìn)行無損傳輸，用很小的功率就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。但在大氣環(huán)境下，高自由空間損耗以及大氣效應(yīng)引起的額外衰減是一個巨大的挑戰(zhàn)。大氣和天氣對無線電波傳播的影響表現(xiàn)為衰減、相移和到達(dá)角的變化。這種現(xiàn)象包括分子吸收(主要是由于水蒸氣和氧氣)、散射和閃爍。在分子(氣體)吸收方面，水蒸氣是大氣中最基本的吸收成分，在 300GHz 以上的某些波段衰減值較大。太赫茲波大氣傳播特性分析在晴朗的天氣中太赫茲波的衰減取決于電磁波和分子共振的頻率差，當(dāng)波的頻率與共振頻率重合時，衰減會達(dá)到最大值。分子共振引起的衰減可以達(dá)到很高的值，但也有衰

30、減小于等于 100 dB/km 的頻率窗，可根據(jù)以下三種衰減評估模型： MPM 模型16，AM 模型17和 ITU-R P.676-10 模型18計算不同頻段太赫茲波傳輸時的損耗。其中 ITU-R P.676-10 模型可以被引用在 1 THz 以下的頻率模型中。如圖 4.4 所示為 0.01-1THz 的太赫茲波在晴朗天氣下的頻率衰減譜?？梢钥吹?，太赫茲波在大氣中的傳播衰減率隨著頻率增加呈現(xiàn)指數(shù)增加的趨勢，在 0.3THz 以下，太赫茲波的大氣衰減低于 10dB/km，適合作為無線通信載波，而超過 1THz 的太赫茲頻段由于極端的衰減不在無線通信傳輸?shù)目紤]范圍內(nèi)。圖 4.4中 A-J 各頻點(diǎn)

31、處呈現(xiàn)明顯的波峰，這是由于太赫茲波在長距離傳輸時易受水蒸氣、氧氣分子的影響，出現(xiàn)分子共振效應(yīng)，導(dǎo)致?lián)p耗急劇增大。因此在設(shè)計太赫茲室外遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)時，應(yīng)選擇合適的頻率窗口進(jìn)行傳輸，來獲得較高的傳輸效率。圖 4.4 0.01-1THz 頻段電磁波大氣衰減損耗太赫茲波雨天傳播特性分析在雨天環(huán)境中，空氣中的雨滴球形散射會給太赫茲波帶來額外的衰減，雨衰的大小與雨滴的直徑有關(guān)，因此雨滴大小的分布是監(jiān)測降雨以及預(yù)測雨衰的重要因素。在 ITU-R II.838-3 雨衰模型19中計算了信號的衰減隨著降雨速率、信號頻率、偏振度等因素的變化函數(shù)。圖 4.5 展示了不同頻率電磁波的水平極化波在多種雨天環(huán)境下的損耗

32、20，低于 10GHz 的雨衰可以忽略，10GHz-120GHz 的雨衰隨著頻率遞增，超過 300GHz 到 900GHz 雨衰會隨著頻率遞減，但仍維持一個較高的損耗水平,雨水吸收衰減將會使得太赫茲波應(yīng)用于室外無線通信時面臨較大挑戰(zhàn)。圖 4.5 不同頻率電磁波在雨天的損耗太赫茲波霧天傳播特性分析在大霧天氣中，太赫茲波的衰減隨著頻率和霧的密度增加而增加21。圖 4.6展示了在 15C 條件下，不同頻段電磁波穿透 300m 范圍的霧時（0.05g/m3）與穿透 50m 范圍的霧時（0.5g/m3）的鏈路損耗對比。由圖可知，對于 400GHz 以上的頻率，在 50m 范圍內(nèi) 0.5g/m3 的霧天環(huán)

33、境下額外的衰減為 10dB/km，因此霧天環(huán)境也會影響太赫茲波的傳輸效率。圖 4.6 不同頻段電磁波在大霧天氣的損耗21不同天氣太赫茲波傳播特性對比在自由空間中采用自由空間損耗計算公式3描述太赫茲波的鏈路損耗。圖4.7 顯示了參考距離為 1km 時，不同頻段電磁波在晴朗天氣、多雨天氣、以及疊加自由空間損耗的晴天和雨天環(huán)境中的鏈路損耗對比，所考慮的晴天和雨天兩個場景分別代表最佳和最差的環(huán)境條件?？梢钥吹?，50mm/h 的降雨速率會導(dǎo)致最大的衰減值，通常來說該環(huán)境是未來太赫茲通信系統(tǒng)運(yùn)行的極限情況。圖 4.7 不同頻段在晴朗天氣與雨天場景的損耗圖太赫茲信道建模太赫茲信道模型建模方法一般有參數(shù)化統(tǒng)計

34、信道建模、確定性信道建模和參數(shù)化半確定性建模等三種類型：統(tǒng)計信道建模方法。該類方法基于典型場景的實(shí)測結(jié)果，無需地圖信息，復(fù)雜度低，多用于系統(tǒng)仿真和鏈路級仿真，標(biāo)準(zhǔn)化成熟度高，是 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化建模方法，適用于 5G 移動通信。確定性信道建模方法。該類方法主要通過導(dǎo)入目標(biāo)場景的地圖模型，利用射線追蹤（Ray Tracing）技術(shù)22，對電磁傳播中譬如直射、透射、反射、衍射等主要物理現(xiàn)象，進(jìn)行傳播環(huán)境精確重構(gòu)和確定性計算，得到了構(gòu)成實(shí)際傳播的主導(dǎo)分量（Dominant Ray）的確定性結(jié)果，該類方法準(zhǔn)確度高，計算復(fù)雜度高。參數(shù)化半確定性建模方法。該類方法結(jié)合了信道的確定性和統(tǒng)計特性，將關(guān)鍵多徑分

35、量用確定性模型計算，其余豐富的多徑通過統(tǒng)計學(xué)方法計算，該類建模方法準(zhǔn)確度較高，計算復(fù)雜程度與射線追蹤方法比相對較低。由于太赫茲波衰減較大，多徑少，且趨于光學(xué)特性，信道傳播路徑稀疏性較強(qiáng)，未來太赫茲頻段可能更適合使用確定性信道建?；騾?shù)化半確定性信道建模方法，比如射線追蹤方法，以及結(jié)合確定性和統(tǒng)計特性的數(shù)字地圖混合建模方法等。無論是哪種類型的建模方法，都需要以大量的的信道實(shí)測試驗(yàn)為基礎(chǔ)。但目前尚未有針對全面的應(yīng)用場景、支持太赫茲全頻段的充分實(shí)測數(shù)據(jù)支撐的太赫茲信道建模工作。對太赫茲波傳播特性的分析和信道的準(zhǔn)確建模是提高頻譜利用效率，實(shí)現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署的前提，也是實(shí)現(xiàn)太赫茲通信技術(shù)有效應(yīng)用的

36、前提，因此太赫茲傳播特性和信道建模是太赫茲通信亟待深入研究和進(jìn)行廣泛測試驗(yàn)證的基礎(chǔ)技術(shù)方向。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(yīng)用場景，太赫茲通信信道建模需要分析研究多種應(yīng)用場景下的信道模型，用于指導(dǎo)未來實(shí)際的應(yīng)用方案部署。太赫茲通信空口技術(shù)超大規(guī)模陣列天線與 5G 高頻使用的毫米波段相比，太赫茲信號頻段更高，空間傳播損耗和穿透損耗也明顯變大?；谕ㄐ鸥采w的需求，多數(shù)大尺度通信應(yīng)用場景下，太赫茲通信設(shè)備極有可能會繼續(xù)采取一體化的超大規(guī)模天線陣列方案，用以保證發(fā)射和接收的波束增益，實(shí)現(xiàn)有效通信。太赫茲通信超大規(guī)模天線技術(shù)未來涵蓋的技術(shù)內(nèi)容與 5G 大規(guī)模天線技術(shù)之間

37、存在較強(qiáng)的演進(jìn)關(guān)系，包括信道建模、多天線傳輸方案、參考信號設(shè)計，信道狀態(tài)估計、Massive MIMO 混合預(yù)編碼、模擬波束管理以及波束協(xié)作技術(shù)等等。太赫茲電磁波的繞射能力非常差，在遮擋時很難實(shí)現(xiàn)可靠的通信，因此需要考慮分布式接入節(jié)點(diǎn)以及新型反射體/反射材料的部署來改善信道狀況，太赫茲天線陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個重要的研究方向。由于傳播損耗較大，基于增益需求，太赫茲通信設(shè)備可能從接入階段可能就需要使用窄波束才能夠建立通信。大量窄波束意味著極大的導(dǎo)頻(包括同步信號)開銷、搜索復(fù)雜度和波束訓(xùn)練延遲，需要對現(xiàn)有的波束訓(xùn)練機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，對空間稀疏特性進(jìn)行更充分的利用。該方向研究可以結(jié)合大規(guī)模太赫茲天線陣列高

38、角度分辨率和高多普勒頻移信息的利用，將定位技術(shù)和太赫茲窄波束通信互相輔助結(jié)合保證性能的有效性。在帶來上述技術(shù)優(yōu)勢的同時，超大規(guī)模天線陣列的應(yīng)用也引入一些待探討的關(guān)鍵技術(shù)問題，比如陣列實(shí)現(xiàn)架構(gòu)設(shè)計、波束賦形對病態(tài)信道信息的魯棒性等。與 5G 大規(guī)模天線技術(shù)類似，太赫茲通信使用的天線數(shù)量和規(guī)模較大，可賦形的波束寬度會比毫米波設(shè)備更窄，空間自由度更高帶來的問題是波束賦形性能對系統(tǒng)誤差的敏感性更高，在保證高增益窄波束的工作狀態(tài)下，天線通道間的幅相誤差、互耦誤差、位置誤差，用戶設(shè)備的高速移動都易導(dǎo)致波束跟蹤失敗或失效。另外超大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中，容易出現(xiàn)個別天線通道和陣子產(chǎn)生故障或失效，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，對

39、波束賦形功能產(chǎn)生影響。因此研究有效的針對超大帶寬的大規(guī)?；旌腺x形陣列校準(zhǔn)技術(shù)，和對系統(tǒng)誤差具有魯棒性的波束賦形算法，設(shè)計對系統(tǒng)誤差具有檢測和容錯機(jī)制的波束管理方案等，對于超大規(guī)模天線技術(shù)在太赫茲通信中的有效應(yīng)用都具有重要的研究意義。太赫茲通信物理層設(shè)計基于太赫茲的頻譜特性，太赫茲通信必然具有超大帶寬、超高速率的特點(diǎn)，除了硬件無線鏈路傳輸能力的支持，對用于無線接入的場景，太赫茲通信系統(tǒng)也需要設(shè)計相應(yīng)的物理層技術(shù)。太赫茲通信的多種應(yīng)用優(yōu)勢，包括超大帶寬、超高速率等，需要通過對幀結(jié)構(gòu)、波形調(diào)制和調(diào)制編碼等物理層相關(guān)技術(shù)設(shè)計來保證和體現(xiàn)。太赫茲通信物理層技術(shù)將會成為承載太赫茲通信技術(shù)特征和優(yōu)勢的核心關(guān)

40、鍵技術(shù)。未來太赫茲通信系統(tǒng)鏈路存在的一些非理想特性，例如相位噪聲、高路損、在變頻損耗較大、采樣帶寬受限、基帶處理功耗大等等，也需要通過系統(tǒng)鏈路各種非理想特性和因素的算法設(shè)計和補(bǔ)償來應(yīng)對。目前對于太赫茲通信物理層技術(shù)方向，全面而深入的研究尚未啟動，成型的研究進(jìn)展成果較少，僅有少量對于太赫茲通信低頻段物理層技術(shù)的討論，且多數(shù)是在 5G 技術(shù)研究時期提出的新型理論設(shè)計。下面將從幀結(jié)構(gòu)、波形設(shè)計和調(diào)制編碼技術(shù)等方面介紹業(yè)界在上述方向已有的一些技術(shù)觀點(diǎn)，并對太赫茲通信物理層技術(shù)未來面臨的問題和難點(diǎn)進(jìn)行初步探討。幀結(jié)構(gòu)設(shè)計太赫茲頻率具有超大帶寬資源可供利用，未來太赫茲通信系統(tǒng)的工作帶寬可能高達(dá)幾十 GHz

41、。目前業(yè)界對于太赫茲低頻段通信有一些物理層相關(guān)技術(shù)的討論，有觀點(diǎn)認(rèn)為可以繼續(xù)以正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division M ultiplexing，OFDM）為技術(shù)基礎(chǔ)來設(shè)計新波形，幀結(jié)構(gòu)參數(shù)集（Numerology）可以按照子載波間隔f 2n 15kHz 設(shè)計，增加較大的子載波間隔，比如到 480kH z 或 960kHz 等。無論是原有的 OFDM 為基礎(chǔ)的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計，還是面向 6G 技術(shù)的新型波形設(shè)計和幀結(jié)構(gòu)參數(shù)集設(shè)計，都需要在有效提升頻譜利用效率的同時，能夠有效應(yīng)對硬件鏈路相噪、變頻損耗等問題。此外，在幀結(jié)構(gòu)設(shè)計時也需要考慮到基帶運(yùn)算資源和復(fù)雜度的問題，

42、例如單符號（Symbol）數(shù)據(jù)長度過大，則會導(dǎo)致基帶處理時 FFT 運(yùn)算量過大。波形設(shè)計太赫茲通信系統(tǒng)目前在系統(tǒng)鏈路的性能上面臨很多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括：P A 效率低、相位噪聲大、路損大、工作頻段寬、以及器件性能受限等，為了克服這些問題，需要進(jìn)行新波形研究。新波形的設(shè)計除了需要在帶外抑制、時頻同步偏差魯棒性等方面有性能增強(qiáng)外，還需要有良好的可擴(kuò)展性，能夠通過簡單配置修改用以支撐新的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求，而且能夠和調(diào)制編碼、新型多址和大規(guī)模天線技術(shù)等實(shí)現(xiàn)良好兼容。一些 5G NR 技術(shù)研究時期提出新型多載波候選波形也被討論是否可以應(yīng)用于未來 6G 通信，例如濾波正交頻分復(fù)用波形（Filtered

43、OFDM， F-OFDM），通用濾波器正交頻分復(fù)用（Universally Filtered OFDM, UF-OFDM)波形和濾波器組多載波(Filter Bank MultiCarrier, FBMC)波形等。這些技術(shù)的共同特征是都是使用了濾波機(jī)制，通過濾波減小子帶或子載波的頻譜泄露，從而放松對時頻同步的要求，避免了 OFDM 的主要缺點(diǎn)。上述幾種候選波形都存在峰均比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR ）很高的缺點(diǎn)。在未來太赫茲通信超大帶寬配置（2GHz）條件下，PAPR 可能會進(jìn)一步有較大幅度提升，對系統(tǒng)射頻性能和功耗能效造成不利影響，需要進(jìn)一步研究更適用

44、于太赫茲通信超大帶寬需求的波形技術(shù)。調(diào)制編碼方式5G NR 的基本調(diào)制方式可能還會繼續(xù)使用。由于高頻場景路損大而且功率放大器效率低，因此有必要研究更低峰均比的調(diào)制技術(shù)。目前業(yè)界的研究進(jìn)展，包括，F(xiàn)DSS（Frequency Domain Spectrum Shaping，頻域賦形）調(diào)制方案，如 pi/2 BPSK+FDSS，CPM（Continuous Phase Modulation，連續(xù)相位調(diào)制）方案，抑制相位噪聲能力相對更好的 APSK 調(diào)制方案以及 1+D pi/4 BPSK 方案等。對于太赫茲波段的超寬帶和高比特率通信，在設(shè)計和選擇信道編碼時要考慮到解碼功率和解碼時間。在太赫茲編碼技

45、術(shù)方面主要存在以下兩方面挑戰(zhàn)：一是要表征太赫茲波段的誤差源。太赫茲波段信道的特性，特別是分子吸收噪聲和多徑衰落，決定了產(chǎn)生信道比特錯誤的概率以及錯誤的特性。二是需要開發(fā)新的低復(fù)雜度的信道編碼方案，同時考慮發(fā)射功率和解碼功率。例如，在短距離通信的情況下，結(jié)合基于飛秒長脈沖的調(diào)制的低權(quán)值編碼方案可用于防止信道錯誤發(fā)生，避免事后校正。太赫茲通信的頻譜特性和超大帶寬應(yīng)用很可能會給太赫茲通信的物理層設(shè)計帶來較大改變。除上述討論的技術(shù)內(nèi)容外，多天線處理、資源映射、控制傳輸信道、導(dǎo)頻設(shè)計、波束管理等太赫茲通信物理層技術(shù)，也會面臨眾多應(yīng)用問題和挑戰(zhàn)。該方向研究業(yè)界建議的技術(shù)發(fā)展路線是：先分析研究太赫茲通信技術(shù)

46、特點(diǎn)、挑戰(zhàn)和問題，再基于特點(diǎn)、挑戰(zhàn)和問題，進(jìn)行物理層相關(guān)技術(shù)內(nèi)容的新型設(shè)計，并根據(jù)太赫茲通信技術(shù)特點(diǎn)和 6G 研究進(jìn)展成型物理層技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計，逐步推動標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。太赫茲通信資源調(diào)度管理太赫茲頻率具有超大帶寬資源可供利用，但是由于模擬器件的帶寬覆蓋能力、大帶寬一致性，以及數(shù)模轉(zhuǎn)換和寬帶采樣芯片的限制，可能需要考慮類似 5 G NR 的 BWP（Bandwidth Part，帶寬塊）技術(shù)思路，用以實(shí)現(xiàn)頻段資源的靈活配置和分段利用。此外，太赫茲頻譜的許可、使用、管理與經(jīng)營方式相對傳統(tǒng)低頻段頻譜將可能發(fā)生很大的變化。這部分頻譜是獨(dú)占式的許可頻譜，非獨(dú)占方式的非許可、頻譜接入共享，還是地區(qū)或應(yīng)用特定的

47、微許可，以及將蜂窩無線接入與前傳/回傳頻譜共享的 IAB(Integrated Access Backhaul,接入回傳一體化)方式，都將給太赫茲通信的頻譜資源管理帶來挑戰(zhàn)11。合理的資源分配與調(diào)度技術(shù)方案對于寬帶系統(tǒng)頻率利用效率的提升、多用戶調(diào)度增益的體現(xiàn)、以及干擾的管理與抑制都具有極為重要的作用。對于帶寬資源極為豐富的太赫茲系統(tǒng)而言，對無線資源應(yīng)用的靈活度得以極大的提升，而如何在廣闊的可用資源中以合理的計算復(fù)雜度和時延更加優(yōu)化地進(jìn)行資源分配和調(diào)度以進(jìn)一步提升整體系統(tǒng)效能，將會是一個巨大的挑戰(zhàn)?？梢灶A(yù)期的是，未來太赫茲通信空口技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計應(yīng)該具有足夠的靈活性，可以支持頻譜和帶寬資源的動態(tài)配

48、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(xié)同和信息融合，支持覆蓋多種太赫茲通信應(yīng)用場景。未來空口設(shè)計方案需要具有上述能力和特點(diǎn)才能適配 6G 太赫茲通信的技術(shù)特征和優(yōu)勢。目前 6G 技術(shù)研究仍處于探索起步階段，技術(shù)路線尚不明確，需要產(chǎn)業(yè)界共同參與研究，積極探討，逐步厘清未來太赫茲通信空口技術(shù)路線和發(fā)展方向。5太赫茲通信產(chǎn)業(yè)進(jìn)展及發(fā)展建議標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展國際電信聯(lián)盟 ITUITU 在世界無線電大會 WRC-2012 5.565 上將 275-1000GHz 內(nèi)的多個頻段劃分給被動業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括射頻天文學(xué)業(yè)務(wù)、地球探測衛(wèi)星和空間研究等。ITU 已經(jīng)指定分配 0.12THz

49、 和 0.22THz 頻段分別用于下一代地面無線通信和衛(wèi)星間通信。WRC-2015 第 767 號決議，確定了 WRC-2019 關(guān)于 275-450GHz 頻段用于陸地移動和固定業(yè)務(wù)的議程。2019 年 11 月，WRC-2019 會議議題 1.15 為 275-450GHz頻率范圍操作的陸地移動和固定業(yè)務(wù)應(yīng)用確定頻譜， 如圖 5.1 所示， 新增 275-296GHz、306-313GHz、318-333GHz、356-450GHz 四個全球標(biāo)識的移動業(yè)務(wù)頻段， 并且出現(xiàn)了兩個超大帶寬頻點(diǎn) 275GHz(252-296GHz, 帶寬 44GHz) 和 400GHz(356-450GHz 帶

50、寬 94GHz)。圖 5.1 WRC-2019 議題 1.15 太赫茲頻譜劃分情況2018 年 8 月， ITU-T SG13 下開設(shè) FG NET-2030 焦點(diǎn)組，關(guān)注系統(tǒng)愿景和應(yīng)用需求研究。2019 年 5 月，ITU FG NET-2030 工作組發(fā)布白皮書23，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)和未來通信網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行了藍(lán)圖定義，包括全息通信、多感知網(wǎng)絡(luò)、時間確定性應(yīng)用等。2020 年 2 月，ITU-R WP5D 工作組會議上，面向 2030 及 6G 的研究工作正式啟動。本次會議初步形成了 6G 研究時間表，包括未來技術(shù)趨勢研究報告、未來技術(shù)展望建議等重要規(guī)劃節(jié)點(diǎn)。目前 ITU 尚未確定 6G 標(biāo)準(zhǔn)

51、的制定計劃。美國電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）IEEE 較早啟動并積極推進(jìn)太赫茲通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作。IEEE802.15 于 2008年成立太赫茲興趣小組（THz Interest Group, IG THz），重點(diǎn)關(guān)注在 275-3000GHz頻段運(yùn)行的太赫茲通信和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。IG THz 專注于開放頻譜問題、信道建模等技術(shù)的發(fā)展。IEEE802.15 于 2013 年 7 月成立研究組 SG 100G，朝著制定新標(biāo)準(zhǔn)邁出了一步。該研究組于 2014 年 3 月完成其工作，并建立了 3d 任務(wù)組。2017 年，3d 任務(wù)組發(fā)布了 IEEE Std.802.15.3d-201710，該修訂案以

52、 IEEE Std. 802.15.3c 為基礎(chǔ)，定義了符合 IEEE Std.802.15.3-2016 的無線點(diǎn)對點(diǎn)物理層，其頻率范圍為 252GHz 到 325GHz，是第一個工作在 300GHz 的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。第三代合作伙伴計劃（3GPP）3GPP 方面目前對外發(fā)布的資料是預(yù)計 2023-2026 年啟動 6G 研究；2026-2028年啟動 6G 標(biāo)準(zhǔn)研究。如圖 5.2 所示為業(yè)界對于 B5G/6G 太赫茲通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時間窗的預(yù)測，可以看到距離太赫茲通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，有 3-6 年關(guān)鍵技術(shù)研究的時間窗口。圖 5.2 B5G/6G 太赫茲通信標(biāo)準(zhǔn)時間窗預(yù)測中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）

53、CCSA 無線通信組前沿?zé)o線技術(shù)子組(TC5 WG6)2018 年已啟動 B5G/6G 相關(guān)立項(xiàng)研究，內(nèi)容涵蓋 B5G/6G 系統(tǒng)愿景與需求，潛在無線新技術(shù)，可將光通信和太赫茲通信技術(shù)等方向。國際各區(qū)域產(chǎn)業(yè)進(jìn)展美國美國是較早啟動太赫茲研究的國家，認(rèn)為太赫茲科學(xué)是改變未來世界的十大科學(xué)技術(shù)之一。2009 年起，美國國防部高級研究計劃署（DARPA）和美國國家航空與航天局（NASA）均投入較大資金和力量，用于太赫茲關(guān)鍵組件及系統(tǒng)的研發(fā)。 DARPA 啟動了“THOR(Terahertz Operational Reachback,太赫茲作戰(zhàn)延伸后方)”的研究計劃，該計劃包含研發(fā)與評估一系列可用于移

54、動自組網(wǎng)的自由空間通信系統(tǒng)的技術(shù)，并投入大量經(jīng)費(fèi)研制 0.1-1THz 頻段太赫茲通信關(guān)鍵器件和系統(tǒng)；2013年提出了 100Gbit/s 骨干網(wǎng)計劃，致力于開發(fā)機(jī)載通信鏈路實(shí)現(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離無線通信，2020 年美國預(yù)計其通信衛(wèi)星將可能具備 50Gbit/s 以上的傳輸速率。圖 5.3 所示為美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的 0.625THz 通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)24，是目前采用全電子方式實(shí)現(xiàn)的最高載波頻率的太赫茲通信系統(tǒng)。美國的紐約大學(xué)、麻省理工、喬治亞理工大學(xué)、東北大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等眾多研究機(jī)構(gòu)也紛紛加入太赫茲技術(shù)研究中，并有多個技術(shù)成果發(fā)布25，26。圖 5.3 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的 0.62

55、5THz 通信系統(tǒng)242019 年 3 月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）對未來移動通信應(yīng)用開放了從 95GHz 到 3THz 頻段，鼓勵相關(guān)產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)加入到太赫茲無線移動通信的應(yīng)用研究中，該舉措應(yīng)該會對美國太赫茲通信技術(shù)的應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)有積極推動作用。目前在關(guān)鍵器件的產(chǎn)業(yè)化方面，美國仍處于國際領(lǐng)先地位，VDI 等器件廠商的太赫茲關(guān)鍵器件覆蓋種類和支持頻段均比較完備，技術(shù)產(chǎn)業(yè)較為成熟。歐洲歐洲 2014 年啟動了“2020 地平線計劃（Horizon 2020）”，包含了眾多太赫茲相關(guān)的技術(shù)簇資助項(xiàng)目27：“TERAPOD”項(xiàng)目，由沃特福德理工學(xué)院牽頭，計劃是研究和論證超高頻無線接入網(wǎng)絡(luò)在太赫

56、茲波段運(yùn)行的可行性，包括太赫茲無線鏈路在數(shù)據(jù)中心、無線個人區(qū)域網(wǎng)，無線局域網(wǎng)等；“TERRANOVA”項(xiàng)目，由希臘 Piraeus 大學(xué)牽頭，計劃通過開發(fā)高于 275 GHz的頻率，將光纖系統(tǒng)的體驗(yàn)質(zhì)量擴(kuò)展到無線連接，實(shí)現(xiàn)達(dá)到 Tbps 數(shù)據(jù)速率和接近“零延遲”的 B5G 網(wǎng)絡(luò)；“DREAM”項(xiàng)目，由芬蘭國家技術(shù)研究中心(VTT)牽頭, 旨在通過利用 D 波端（130-174.8 GHz）實(shí)現(xiàn)高達(dá) 100Gbps 的無線傳輸技術(shù)?！癊PIC”項(xiàng)目，由澳大利亞 Technikon 公司主導(dǎo)，旨在利用下一代信道編碼實(shí)現(xiàn)的無線 Tbps 速率通信， 目標(biāo)是開發(fā)新一代的 FEC(Forward-Err

57、or- Correction，前向糾錯)代編碼技術(shù)，使其成為達(dá)到太比特速率 B5G 網(wǎng)絡(luò)的一種基本實(shí)現(xiàn)方案。“ULTRAWAVE”項(xiàng)目，由英蘭卡斯特大學(xué)牽頭，目標(biāo)是開發(fā) 140-300GHz 以上頻段，超過 100Gbps 速率的高容量無線回傳技術(shù)。“WORTECS”項(xiàng)目全稱是 Wireless Optical/Radio Terabit Communications (太比特?zé)o線光通信/無線電通信),目標(biāo)是結(jié)合無線電通信和無線光通信技術(shù)，探索 90 GHz 以上頻譜太比特量級的通信能力?！癟HOR”項(xiàng)目，是歐盟和日本的一個聯(lián)合項(xiàng)目，目標(biāo)是為 B5G 網(wǎng)絡(luò)提供 300 GHz 附近頻譜的射頻無

58、線鏈路技術(shù)解決方案,能夠滿足B5G 系統(tǒng)所需的 200+ Gbps的數(shù)據(jù)速率，在連接性、數(shù)據(jù)流量密度和容量以及所需的多層次超密度方面實(shí)現(xiàn)巨大增長。“iBrow”項(xiàng)目，英國格拉斯哥大學(xué)牽頭，旨在研究 90-300GHz 之間的超寬帶太赫茲收發(fā)無線通信設(shè)備。歐盟第 57 框架計劃中啟動了一系列跨國太赫茲研究項(xiàng)目，包括以英國劍橋大學(xué)為牽頭單位的 WANTED 計劃、THz-Bridge 計劃，歐洲太空總署啟動的大型太赫茲 Star-Tiger 計劃，德國 Dresden 大學(xué)牽頭成立的歐洲太赫茲旗艦研究聯(lián)盟 TeraFlag 等。除了眾多太赫茲通信方向研究計劃的資助，歐洲在太赫茲通信原型系統(tǒng)方面也有

59、較多研究進(jìn)展及成果：德國弗勞恩霍夫應(yīng)用固態(tài)物理研究所（IAF）、卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）等機(jī)構(gòu)一起，在 2011 年完成了基于 InP mHEMT TMIC 的全固態(tài) 0.22THz 通信系統(tǒng)28-30，并實(shí)現(xiàn)了 OOK 與 QAM 兩種調(diào)制體制，如圖 5.4 所示；IAF 在 2013 年在 0.24THz 上基于全電子方式實(shí)現(xiàn)了 40Gbps 速率，1km 距離的無線傳輸，系統(tǒng)實(shí)物和實(shí)驗(yàn)場景如圖 5.5(a)所示31。此外 IAF 還在日本 NTT研制的光電方式的太赫茲通信系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了20m 距離100Gbps 速率的無線傳輸和離線解調(diào)，如圖 5.5(b)、(c)所示。圖 5.4 德國

60、 IAF 的 0.22THz 太赫茲通信系統(tǒng)28圖 5.5 德國 IAF 的 0.24THz 太赫茲通信系統(tǒng)31日本日本也是較早啟動太赫茲技術(shù)研究的國家。日本電報電話公司 NTT 2006 年實(shí)現(xiàn)了頻率 0.12THz，傳輸距離 15km 的太赫茲無線通信演示系統(tǒng)，完成世界上首例太赫茲通信演示，如圖 5.6 所示32，33，并在并在 2008 年成功用于北京奧運(yùn)會的高清轉(zhuǎn)播。NTT 目前正在全力研究 0.5THz-0.6THz 高速大容量無線通信系統(tǒng)，曾計劃在 2020 年東京奧運(yùn)會上采用太赫茲通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 100Gbit/s 的高速無線局域網(wǎng)通信。日本政府將太赫茲技術(shù)列為未來10 年科技戰(zhàn)略