太赫兹通信关键技术及挑战分析

马静艳 李福昌 张忠皓 高 帅

中国联通研究院 北京 100048

引言

2019年随着全球5G商用化进程加快，国际各区域和研究组织已纷纷开启下一代通信技术研究。太赫兹波段以其丰富的频谱资源和独有特性，受到学术界的热烈关注，也受到欧、美、日等国家区域和组织的高度重视，成为极具潜力的6G无线候选技术。

太赫兹是指频段在0.1～10THz之间，波长在30um～3000um之间的电磁波，该频段电磁波位于微波波段和可见光波段之间，低频段部分与毫米波段有部分重合。太赫兹通信可支持超大带宽超高速率通信传输，但太赫兹波路径损耗较大，且穿透和绕射能力较差，易被建筑物和物体遮挡，因此太赫兹通信具有大带宽、超高速、短距、安全等应用特点，可用于超宽带无线接入、安全保密通信等应用场景，另外也有可能与高精度定位和3D成像感知等应用实现技术融合，应用于多种未来通信场景[1]。

国际各区域和研究组织已较早启动了太赫兹通信技术相关的研究计划，并取得了众多研究进展[2-13]。但目前研究成果多偏向于系统传输能力的验证，信道建模及空口设计方面涉及较少。太赫兹通信技术仍面临较多亟待发展和突破的关键技术方向，本文将针对太赫兹通信关键技术及挑战展开探讨，有助于厘清和明确太赫兹通信未来产业推进和技术攻关的突破方向。

1 太赫兹通信系统关键器件

1.1 太赫兹通信链路调制技术

太赫兹通信原型系统的链路调制方式目前主要有两种不同架构。一种是光电结合的方案[13]，利用光学外差法产生频率为两束光频率之差的太赫兹信号，如图1所示。太赫兹通信原型系统光电调制方案的优点是传输速率高，缺点是发射功率低、系统体积大、能耗高，适用于地面短距离高速通信方面，较难用于远距离通信。

图1 光电调制方案示意图

另一种太赫兹通信链路是与微波无线链路类似的全固态电子链路[13]，利用混频器将基带或中频调制信号上变频搬频到太赫兹频段，如图2所示。太赫兹通信原型系统全固态电子混频调制方案采用全电子学的链路器件，该类型方案的优点射频前端易集成和小型化，功耗较低，但是发射功率也较低，本振源经过多次倍频后相噪恶化，且变频损耗大，载波信号的输出功率在微瓦级，该类系统也需要进一步发展高增益宽频带功率。

图2 全固态电子混频方案示意图

1.2 太赫兹关键器件

太赫兹通信的关键器件/芯片/组件是目前太赫兹通信发展的核心与关键所在，国内外都高度重视太赫兹关键器件与芯片的研究。根据通信功能模块的不同，目前与通信设备相关的太赫兹全电子链路的关键器件主要包括太赫兹发射源、倍频器件/混频器、功放/低噪放、调制解调器等，材料工艺一般为CMOS(互补金属氧化物半导体)、SiGe(锗硅)、GaAs(砷化镓)、GaN(氮化镓)、InP(磷化铟)等[14]。

目前太赫兹通信全固态电子链路各类型关键器件已经在多个通信原型系统的无线传输能力试验中得到应用，器件功能已得到有效验证，但也存在一些性能方面的不足。比如由于工作带宽大导致收发链路相噪指标恶化且变频损耗较大等原因，关键器件的功率和效率较低(远小于1%)。面向实际应用，除了需要不断优化和提升器件性能外，还需要解决小型化和低成本的问题，因此关键分立元器件的研制需要向太赫兹收发前端的集成化、芯片化方向进化。

1.3 太赫兹天线

太赫兹频段天线可能需要支持小到2GHz、大到10GHz以上的工作带宽，目前公布的太赫兹原型系统研发成果多采用喇叭天线或抛物面天线，这些天线可提供其中心频率10%的辐射带宽。而且为保证发射功率，目前全电子太赫兹原型系统中使用的太赫兹天线体积较大，不适合用于集成阵列天线和移动通信。

基于太赫兹通信的未来的应用愿景，太赫兹频段通信需要超宽带天线以及超大规模天线阵列来克服太赫兹频带中高路径损耗。超宽带、小型化、集成化太赫兹天线阵列的实现，也是未来面向实际场景应用时，太赫兹通信系统需要突破的关键技术挑战之一。从目前学术界的研究进展看，纳米材料和石墨烯等超材料有较高潜力应用于未来的太赫兹天线技术[15]，用以实现超大规模超宽带太赫兹天线阵列的小型化和集成化，如图3所示。

图3 基于石墨烯的等离子体太赫兹波段天线

1.4 超宽带采样和高速基带处理芯片

除了上述倍频器、混频器等太赫兹模拟器件外，超大带宽数模转换芯片和高速基带处理硬件也是实现太赫兹通信系统的关键芯片和功能模块。目前5G设备主要采用时间交织方案来实现大宽带采样速率需求，存在硬件成本较高和功耗较大的问题。太赫兹频段较高，可用频段的窗口频率多在几十GHz，目前的太赫兹通信原型收发验证系统的工作带宽多在GHz量级(＞2GHz)，未来太赫兹通信系统的工作带宽预计也会远大于5G的高频毫米波段设备(400MHz/800MHz)，当前采样芯片能力难以满足高达几十GHz的带宽需求。而超大带宽也往往意味着基带处理复杂度和运算资源需求都大大增加，给基带芯片带来更大的功耗和成本压力。

面临上述问题，技术路线一是研发更高采样速率、低成本、低功耗的超大带宽数模转化芯片；技术路线二是研究低量化精度信号处理系统，比如比特量化与信号算法的联合优化设计，联合自适应量化门限单比特解调优化等。未来太赫兹通信系统的实现可能需要两种技术路线的综合应用。

2 太赫兹传播特性及信道建模

2.1 太赫兹波传播特性

2.1.1 太赫兹波大气传播特性分析

在外层空间，太赫兹可以进行无损传输，用较小功率实现远距离通信。但在大气环境下，高自由空间损耗以及大气效应引起的额外衰减是一个巨大挑战。太赫兹的大气频率衰减谱可以使用多种衰减模型进行评估，包括MPM模型[16]、AM模型[17]和ITU-R P.676-10模型[18]等。

图4为使用ITU-R P.676-10模型[18]的太赫兹波在晴朗天气下的频率衰减谱，频率范围为0.001～1THz.。可以看到，太赫兹波在大气中的传播衰减率随着频率增加呈现指数增加的趋势，超过1THz的太赫兹频段衰减过大，不适于应用于无线通信传输；在300GHz以下频段，太赫兹波的大气衰减低于10dB/km，相对较低，可以考虑作为无线通信载波。此外，由于受到水蒸气、氧气分子的影响，太赫兹波在长距离传输易出现分子共振效应，导致损耗急剧增大，所以图4中A-J各频点处呈现明显的波峰。因此太赫兹室外无线传输系统在设计时应选择合适的频率窗口进行传输[19]。

图4 0.001～1THz频段电磁波大气衰减损耗

2.1.2 太赫兹波雨天传播特性分析

太赫兹波在室外传播时，传播损耗易受到雨水衰减的影响，雨衰的大小与雨滴的直径有关，因此雨滴大小的分布是监测降雨以及预测雨衰的重要因素。在ITU-R II.838-3雨衰模型[20]中计算了信号的衰减随着降雨速率、信号频率、偏振度等因素的变化函数。图5展示了不同频率电磁波在多种雨天环境下的损耗[21]，10GHz～120GHz的雨衰随着频率递增，超过300GHz(1THz以下)，雨衰会随频率递减，但仍维持较高的损耗水平，雨水吸收衰减将会使得太赫兹波应用于室外无线通信时面临较大挑战。

图5 不同频率电磁波在雨天的损耗

2.1.3 不同天气太赫兹波传播特性对比

在自由空间中采用自由空间损耗计算公式[21]描述太赫兹波的链路损耗，如下式所示：

图6显示了参考距离为1km时，不同频段电磁波在晴朗天气、多雨天气、以及叠加自由空间损耗的晴天和雨天环境中的链路损耗对比，所考虑的晴天和雨天两个场景分别代表最佳和最差的环境条件。可以看到，50mm/h的降雨速率会导致最大的衰减值，通常来说该环境是未来太赫兹通信系统运行的极限情况[22]。

图6 不同频段在晴朗天气与雨天场景的损耗图

2.2 太赫兹信道建模

太赫兹信道模型建模方法一般有参数化统计信道建模、确定性信道建模和参数化半确定性建模等三种类型：

统计信道建模方法。该类方法基于典型场景的实测结果，无需地图信息，复杂度低，多用于系统仿真和链路级仿真，标准化成熟度高，是3GPP标准化建模方法，适用于于5G移动通信。

确定性信道建模方法主要通过导入目标场景的地图模型，利用射线追踪(Ray Tracing)技术[23]，对电磁传播中譬如直射、透射、反射、衍射等主要物理现象，进行传播环境精确重构和确定性计算，得到了构成实际传播的主导分量(Dominant Ray)的确定性结果。该类方法准确度高，计算复杂度高。

参数化半确定性建模方法将关键多径分量用确定性模型计算，其余丰富的多径通过统计学方法计算，该类建模方法准确度较高，计算复杂程度与射线追踪方法比相对较低。

太赫兹波衰减较大，多径少，且趋于光学特性，信道传播路径稀疏性较强，未来太赫兹频段可能更适合使用确定性信道建模或参数化半确定性信道建模方法[24]。无论是哪种类型的建模方法，都需要以大量的信道实测试验为基础。但目前尚未有针对全面的应用场景、支持太赫兹全频段的充分实测数据支撑的太赫兹信道建模工作。

对太赫兹波传播特性的分析和信道的准确建模是提高频谱利用效率，实现无线通信网络优化部署的前提，也是实现太赫兹通信技术有效应用的前提，因此太赫兹传播特性和信道建模是太赫兹通信亟待深入研究和进行广泛测试验证的基础技术方向。

3 太赫兹通信空口设计

3.1 超大规模阵列天线

与5G高频使用的毫米波段相比，太赫兹信号频段更高，空间传播损耗和穿透损耗也明显变大。基于通信覆盖的需求，多数大尺度通信应用场景下，太赫兹通信设备较大可能会继续采取一体化超大规模天线阵列方案，用以保证发射和接收增益，实现有效通信。太赫兹通信超大规模天线技术涵盖的技术内容与5G大规模天线技术之间存在较强的演进关系，包括信道建模、多天线传输方案、参考信号设计，信道状态估计、Massive MIMO混合预编码、模拟波束管理以及波束协作技术等。太赫兹通信系统超大规模天线阵列技术既需要考虑已有相关技术的持续演进与优化，又因工作频段、带宽和天线阵列规模大小不同面临新的技术问题与挑战。

太赫兹电磁波的绕射能力非常差，在遮挡时很难实现可靠的通信，因此需要考虑分布式接入节点以及新型反射体/反射材料的部署来改善信道状况，太赫兹天线阵列结构设计是一个重要的研究方向。

由于传播损耗较大，基于增益需求，太赫兹通信设备可能从接入阶段就需要使用窄波束才能够建立通信。大量窄波束意味着极大的导频(包括同步信号)开销、搜索复杂度和波束训练延迟，需要对现有的波束训练机制进行优化，对空间稀疏特性进行更充分的利用。该方向研究可以结合大规模太赫兹天线阵列高角度分辨率和高多普勒频移信息的利用，将定位技术和太赫兹窄波束通信互相辅助结合保证性能的有效性。

此外，阵列实现架构设计、波束赋形对病态信道信息的鲁棒性等是超大规模天线阵列可能引入的待探讨问题。超大带宽的大规模混合赋形阵列校准技术，对系统误差具有鲁棒性的波束赋形算法，设计对系统误差具有检测和容错机制的波束管理方案等技术研究，对太赫兹通信应用都具有重要意义。

3.2 太赫兹通信物理层设计

太赫兹高频通信的多种应用优势，包括超大带宽、超高速率等，需要通过对帧结构、波形调制和调制编码等物理层相关技术设计来保证和体现。面向6G的高频通信空口设计将会成为承载6G通信技术特征和优势的核心关键技术。

业界目前对于太赫兹物理层的空口设计研究思路主要有两个方向。一个研究思路是沿用4G/5G时代的OFDM波性调制方式继续向前演进，该方向目前提出的方案多是在5G技术研究时期就提出但未实现标准化的理论设计。该方向技术方案的优点是相关设计和技术标准化可以实现平滑演进，但同时需要解决高频系统应用带来的一些非理想因素导致的性能恶化问题，包括硬件链路相噪、变频损耗等问题，此外也需要考虑到大带宽带来的基带运算资源和复杂度的问题。上述问题可能会导致系统性能的降低，严重时甚至导致系统功能失效。

另一条研究思路是面向6G技术的新型波形设计和帧结构参数集设计。目前该方向提出的方案多为针对分离技术点的孤立讨论，例如针对高频通信系统链路存在的一些非理想特性，例如相位噪声、高路损、在变频损耗较大、采样带宽受限、基带处理功耗大等，提出的空口设计和算法补偿方案。该类方法尽管在局部技术点上可以应对和改善系统的一些非理想特性，但是方案多会导致系统整体频谱效率降低。且复杂的算法补偿方案也会导致运算资源负担的增长，对整体系统的能效影响缺乏量化对比，利弊难分。

整体上，目前该技术发展方向尚未出现得到业界广泛认可的能够全面支撑系统性空口设计体系的革命性设计理论和技术方案。基于此，现阶段该方向的研究工作开展思路建议先尽量沿用5G标准化设计进行适配的大带宽的物理层设计，并在此基础上进行离散技术点的“6G化物理层设计”与性能评估验证，由易到难，由点及面，逐步形成完整的6G高频通信物理层技术方案。

3.3 太赫兹通信资源调度管理

太赫兹频率具有超大带宽资源可供利用，太赫兹频谱的许可、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。太赫兹频谱应用会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(Integrated Access Backhaul，接入回传一体化)方式，都将给太赫兹通信的频谱资源管理带来挑战[14]。

合理的资源分配与调度技术方案对于宽带系统频率利用效率的提升、多用户调度增益的体现以及干扰的管理与抑制都具有极为重要的作用。对于带宽资源极为丰富的太赫兹系统而言，对无线资源应用的灵活度得以极大的提升，而如何在广阔的可用资源中以合理的计算复杂度进行资源分配和调度以进一步优化和提升整体系统效能，也将会是一个巨大的挑战。

可以预期的是，未来太赫兹通信空口技术的架构设计应该具有足够的灵活性，可以支持频谱和带宽资源的动态配置、波束接入的智能管理，以及高低频、空天地多维度、宏观到微观多尺度的空口协同和信息融合，支持覆盖多种太赫兹通信应用场景。未来空口设计方案需要具有上述能力和特点才能适配6G太赫兹通信的技术特征和优势。

4 结束语

目前6G技术研究仍处于探索起步阶段，技术路线尚不明确，需要产业界共同参与研究，积极探讨，逐步厘清未来太赫兹通信空口技术路线和发展方向。未来社会和产业信息交互都会对通信网络提出更大带宽、更高速率、更加多样化的通信能力和业务需求，太赫兹拥有超大带宽资源，可以满足和适应未来通信更高速率和差异化业务应用的需求。尽管现阶段太赫兹通信的发展面临诸多技术挑战，但随着相关技术的不断突破和高频太赫兹器件产业的持续发展，太赫兹将凭借其丰富的频率带宽资源等天然优势，与其他低频段网络融合组网，广泛应用于多维度多尺度通信场景，作为未来B5G/6G通信的重要支撑技术，成为未来社会信息融合联接的重要组成部分。