B5G毫米波和太赫兹技术的背景、 应用和挑战

彭琳 段亚娟 别业楠

摘要：认为在后5G（B5G）和6G时代，毫米波和太赫兹通信在地面无线移动通信及空间通信中都将发挥重要作用。从发展的预期来看，B5G将扩展到毫米波高端频谱，而6G将扩展到太赫兹频段。要将高频毫米波和太赫兹通信推向实际部署，还需要解决射频器件、天线、信号处理复杂度、空间信道建模、组网的一系列关键问题。

关键词：毫米波通信;太赫兹通信;未来移动通;B5G

Abstract： In Beyond 5G （B5G） and 6G era， the millimeter wave and terahertz communication will play an important role in wireless mobile communication and space communication. B5G will extend to the high-end millimeter wave spectrum and 6G will extend to terahertz frequencies. To push the millimeter wave and terahertz communication to actual deployment， it still need to face many key challenges in radio frequency （RF） devices， antenna， signal processing complexity， space channel modeling and networking.

Key words： millimeter wave communication; terahertz communication; future mobile communication; B5G

1 技術背景

随着无线通信的快速发展，频率在30 GHz以下的无线电波已经得到了广泛应用;但是各种信息终端的大量涌现，使得无线数据速率每18个月就翻一番[1]，无线通信系统呈现出超高数据速率的爆炸性增长趋势。虽然5G接入的峰值速率为1～20 Gbit/s，但仍不能满足未来无线通信中日益增长的数据流量要求。例如，虚拟现实（VR）设备的最小数据速率将达到10 Gbit/s。此外，无压缩的超高清视频和3D视频的数据速率将分别达到24 Gbit/s和100 Gbit/s[2]。要达到更高的信息传输的数据速率，根据香农定理，在当前常规频段带宽受限条件，可以通过努力进行改进。但如果要实现数据传输速率达到100 Gbit/s甚至1 Tbit/s，改进仍然是不切实际或者代价巨大的。为了更好地解决这一问题，需要探索新的频段。

毫米波和太赫兹波，是一种介于无线电与光之间的电磁波。从30 GHz到3 THz的频率仍然没有得到充分利用。毫米波和亚太赫兹频段的大气衰减特性如图1所示[4]，存在一些宽频带的“大气窗口”，具有较低的大气衰减。如果能保证这个范围内的宽频带，就有可能使用高阶调制以超过100 Gbit/s的速度进行高速无线通信[3]。随着5G的逐步商用落地，业界也将越来越多关注毫米波和太赫兹频段。

2 技术发展

5G定义了增强移动宽带（eMBB）、超可靠低时延（uRLLC）、海量机器类通信（mMTC）3大场景。其中eMBB场景针对速率的提升，主要应对集城区、室内热点等大流量场景;uRLLC场景针对网络时延的降低，主要应用于无人驾驶、智能工厂等低时延场景;mMTC场景针对海量大连接，对应的是物联网等海量机器类通信的场景。5G频率涵盖低、中、高频段：6 GHz以下的中、低频段覆盖能力强，能够实现全网覆盖，满足uRLLC场景和mMTC通信场景;6 GHz以上的高频段拥有连续大带宽，满足eMBB场景，如图2[5]所示。

全球5G频率规划工作主要在国际电信联盟（ITU）、第三代合作伙伴计划（3GPP）等国际标准化组织的框架下开展。面对2020年后国际移动通信（IMT）系统对频谱资源需求的激增，2019年即将举行的世界无线电通信大会（WRC-19）专设1.13议题，在24.25～86 GHz频率范围的若干个候选频段中为5G寻找新增频段，并在ITU-R第5研究组特设了TG 5/1工作组专门负责该议题的研究。目前最可能优先部署26 GHz/28 GHz/39 GHz，同时随着3GPP R15定义eMBB与固定无线接入（FWA）业务后，毫米波产业链也迅速被催熟。3GPP R17还将研究52.6～114.25 GHz频段。

针对下一代通信演进，100 GHz～3 THz之间的太赫兹频段的研究也引起越来越多的关注。日本也将开发太赫兹技术列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首。日本NTT早在2006年在国际上首次研制出0.12 THz无线通信样机，并于2008年北京奥运会上成功用于高清转播[6]，目前正在全力研究 0.5～0.6 THz 高速率大容量无线通信系统。日本总务省规划将在2020年东京奥运会上采用太赫兹通信系统实现100 Gbit/s高速无线局域网服务[4]。欧盟已将发展太赫兹通信列为了6G 研究计划。ITU在WRC-19大会专设议题 1.15，以确定运行在275 GHz以上频段的陆地移动和固定业务系统的技术与操作特性，包括研究相关频谱需求、建立 0.275～0.475 THz 频段范围内的传播模型、开展业务间电磁兼容分析、确定候选频段等。美国联邦通信委员会（FCC）于2019年3月正式开放面向未来6G网络服务的“太赫兹频谱”，实验频谱范围为95 GHz～3 THz。

3 应用场景

3.1 无线移动通信

高频毫米波、太赫兹频段有望在不久的将来实现几十吉比特每秒甚至太比特每秒的数据速率。从无线通信的发展趋势来看，高频毫米波、太赫兹无线通信系统具有良好的应用前景，具体的覆盖场景如图3所示。

目前，中兴通讯26 GHz 毫米波基站有源天线单元（AAU）产品已经全面支持上述场景;但到了更高的毫米波、太赫兹波段，由于传输损耗及水汽影响和当前器件输出功率发展的限制，我们认为高频毫米波、太赫兹无线通信的发展需要经过先提升速率后提升覆盖距离的过程。最先可能广泛应用于室内应用场景，包括室内蜂窝网络、无线局域网（WLAN）、无线个域网（WPAN）[7]。对于WPAN系统有望实现手机、笔记本电脑、耳机等桌面设备的特定应用。对于室内蜂窝网和WLAN系统，我们认为可以在高/地铁站、机场、办公场所等人流密集的开阔型室内场所部署。与采用低频段室内覆盖不同，高频毫米波 、太赫兹天线能够用窄波束同时向不同方向的多用户传输信息。超高的数据速率和超低延时技术将支持用户在室内体验高品质的视频服务。尤其目前虚拟现实（VR）技术的发展受到低数据速度无线通信的严重限制，毫米波、太赫兹带宽应用于无线通信系统后，无线VR技术将带来比有线VR系统更好的用户体验，将推动各种现实（XR）技术进一步快速发展。

3.2 空间通信网络

随着通信技术的演进，无所不在的网络是未来网络的重要特征，其中一个重要途径是对空间通信网络的发展以及与地面网络的融合。为了满足空间通信网络的发展需求，新的频谱需要提供极高的数据速率传输。毫米波、太赫兹信号的高大气衰减大大缩短了地面通信系统的通信距离和传输速率;但与地面上的毫米波、太赫兹通信相反，在无大气环境中的空间应用则可不受大气衰减的影响，这对毫米波、太赫兹波段的空间通信是非常重要的。基于毫米波、太赫兹的卫星通信可用于星地间骨干链路、星间骨干链路、星-浮空平台间链路、星-飞行器间链路、飞行器/浮空平台与地面间链路，实现大容量信息传输[8]。此外，还有一个太赫兹的特殊应用例子：当高速飞行器飞进大气层后，由于激波产生高温使空气电离，并形成一个等离子体鞘包裹在飞行器外部。通常等离子体鞘频率在60～70 GHz左右，传统的测量和通信方法难以穿透等离子体鞘层。然而，太赫兹波频率远高于等离子体鞘层频率，可以穿透等离子体鞘层对飞行器进行通信和测量。

4 关键技术挑战

4.1 毫米波/太赫兹射频器件

在未来的毫米波、太赫兹波段通信中，射频器件在硬件电路方面存在一些挑战。

（1）器件建模。随着半导体器件工作频率达到太赫兹频段，半导体材料的影响和器件封装在高频频段的分布参数效应越来越突出。非线性模型的交流和半导体器件的参数提取直接影响电路设计和系统性能的确定;因此，利用一些新颖的设计方法来获得半导体器件的精确参数对硬件电路设计具有重要意义。

（2）太赫兹调制器。作为太赫兹电路的核心部件，根据电路实现方式可分为混频调制和直接调制，其中混频调制器可以支持高阶调制方式，可以大大提高频率谱利用率，实现较高的传输速率，但缺点是目前本振倍频相噪恶化和变频损耗大;直接调制器能实现太赫兹波幅度和相位的直接调制，可灵活搭配中高功率太赫兹源，是实现中远距离无线通信的有效途径，已成为近年来研究的热点，但目前直接调制器的调制速率和深度还有待提高。

（3）毫米波/太赫兹系统芯片集成的挑战。在高频毫米波、太赫兹频段，由于不同半导体工艺特征频率（ft）的存在不同如表1，要融合多种工艺（如硅基工艺和III-V基工艺等）各自独特优势，实现高集成度、高性能、多功能的单片电路，异质集成电路技术的研究具有重要意义。近期随着硅基工艺能力不断提升，截止频率也在提升;目前看功率放大器（PA）适合用氮化镓（GaN）工艺，RX适合用磷化铟（InP）工艺，单片集成电路可以用异质集成方式来实现。

（4）太赫兹芯片封装的挑战。由于电感电抗的存在，随着工作频率的增加，传统的键合线通过射频信号变得损耗难以接受;因此，必须开发一种用于射频信号输入和输出的低损耗方法。

4.2 毫米波/太赫兹天线

高频毫米波、太赫兹频段，为了补偿比低频更加明显的大气衰减，需要采用高增益天线来补偿。虽然在高精度机械加工的基础上，应用传统的卡塞格伦天线和抛物面天线，可以实现60 dB以上的高增益天线。然而，B5G/6G移动通信系统的集成度和小型化是重要的考量，需要更小的微型天线，如平面贴片天线阵。在毫米波、太赫兹移动通信应用中，需要快速波束扫描、跟踪、切换等波束管理和多用户赋形，这类天线应具有高增益和快速的波束扫描功能，波束成型芯片和阵列天线是关键器件。因此，研究高性能的平面多功能天线阵列毫米波系统，支持不同的应用场景应用，是一项十分重要的工作。

4.3 超宽带低复杂度信号处理

在B5G/6G时代中，毫米波、太赫兹通信有望使得100 Gbit/s甚至1 Tbit/s的高速通信成为可能，这要求模拟数字转换器（ADC）的采样率随着通信带宽的增大而增大。然而，要制造出满足低功耗、小尺寸和高带宽要求的ADC越来越困难。例如，高速（如≥10 G Sample/s）和高精度（如≥12位）ADC实现难度大，过于昂贵且功耗大。为了解决这一问题，采用低分辨率ADC进行量化和ADC时间交织技术都是值得研究的方向。

4.4 空間信道模型

在无线通信系统中，建立有效的信道模型对最大化带宽分配，提高频谱效率至关重要。常见的太赫兹波传播模型可以由视距（LOS）和非视距（NLOS）2种波传播模型组成。太赫兹信道的移动性，至少对于未来的应用来说，仍然是一个值得进一步探索的关键挑战。由于混合波束形成结构和大量天线的存在，太赫兹通信系统的信道估计面临着很大的挑战。由于用户的移动性往往导致太赫兹波信道变化较快，基站（BS）获取准确的太核资波信道信息也具有一定的挑战性。因此，需要更有效的信道估计方案来利用时变信道的时间相关性。

4.5 网络组网架构和空口的优化

未来，随着高频毫米波、太赫兹技术在不同通信场景中的广泛应用，毫米波、太赫兹环境下的无线通信组网必将成为研究热点。根据目前的研究，与低频段相比，高频毫米波、太赫兹频段的波束相对较窄，波束的覆盖范围有限，且性能易受障碍物、路损，以及天气变化影响;因此，由全向天线实现的全向组网技术不能满足快速查找网络节点、完成全向组网和节约系统能耗的要求。网络组网架构需要进一步优化，需要进一步研究无线网状网络（MESH）与多跳组网、点到多点、终端合作、灵活双工与接入、分布式和或网络多输入多输出（MIMO）及人工智能（AI）网优等新的网络拓扑与结构优化技术来提升B5G的网络性能、效率与灵活性。

4.6 空口与高频段组合技术

（1）频谱灵活使用与管理。毫米波/太赫兹大带宽（例如3～5 GHz）频谱的许可、使用、管理与经营方式相对传统低频段频谱将可能发生很大的变化。这部分频谱是独占式的许可频谱，非独占方式的非许可、频谱接入共享，还是地区或应用特定的微许可，以及将蜂窝无线接入与前传/回传频谱共享的IAB方式，都将对技术带来挑战。

（2）基带传输与空口设计。具体包括与毫米波/太赫兹信道传播模型及组网拓扑相匹配的波形、帧结构、参数集、信道编码、高阶调制、自适应链路、超窄波束管理、灵活双工模式、干扰管理与消除、调度、接入、移动性管理、覆盖扩展等方案设计，尤其是引入AI/机器学习（ML）技术之后的空口设计与优化技术。

（3）终端复杂性与能耗降低。如前所述，毫米波/太赫兹芯片与超大带宽信号处理对网络侧站点或客户终端设备（CPE），以及终端侧的复杂性和能耗（包括电池）都有很大的影响;因此，从低频段向高频段的演进，始终需要进一步降低终端的复杂性与能耗，以满足网络在单位焦耳能耗上实现的数据比特率等性能和终端耗电与充电等要求。

5 结束语

根据业界对B5G/6G演进的预期，更高频毫米波和太赫兹无线通信系统已成为全球研究的热点。拥有大带宽的高频毫米波和太赫兹频段是面向未来通信的频谱宝库，其中太赫兹技术更可能是6G时代的重要技术组成部分。毫米波和太赫兹通信不仅能够面向未来超高速率、超低时延无线移动通信网络应用，实现未来的全频谱接入，还可支持空天一体化的全覆盖需求。标准组织、运营商和设备厂家以及产业链各方都在积极努力，以实现毫米波和太赫兹无线通信的早日成熟。虽然由于更高毫米波、太赫兹通信的发展周期较短，需要进一步发展来探索毫米波、太赫兹频段的特性和高性能器件，但我们相信该技术必将成为未来超高速无线通信的重要组成部分。

致谢

本文得到了中兴通讯无线产品经营部方敏、李师波、段向阳、段斌、王永贵、郁光辉、胡留军的鼎力帮助，谨致谢意！

参考文献

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作者簡介

彭琳，中兴通讯股份有限公司B5G/6G射频技术预研负责人、项目经理，负责B5G/6G射频技术预研论证、关键技术规划等工作;带领团队开发多款WiMax、LTE宏站RRU机型及Qcell 室内覆盖RRU机型;负责研发的Qcell数字室内覆盖方案曾获LTE Awards创新大奖;获国家发明专利3项。

段亚娟，中兴通讯股份有限公司RRU射频TRX专业团队负责人;负责TRX器件规划、定义，以及TRX链路方案设计和器件导入工作;带领团队规划和定义了多颗核心芯片，使中兴通讯射频部分链路竞争力一直保持业界领先;获国家发明专利7项。

别业楠，中兴通讯股份有限公司无线研究院副院长、硬件研发中心主任;拥有超过20年的电信行业研发管理经历;负责研发的业界第一款高效率、超宽带RRU曾获得了深圳市科技进步一等奖;发表论文1篇，获国家发明专利8项。