面向6G的太赫兹波传输特性综述

林明睿

（福州大学梅努斯国际工程学院 福建 莆田 350000）

0 引言

从20世纪80年代第一代移动通信技术（1G）发展到现在第五代移动通信技术（5G），每十年就会研发出新一代的无线通信网络，随着移动通信技术不断更新换代，数据传输速率、通信质量、网络延迟和网络覆盖率等无线网络性能也随着不断提升[1]。2020年6月，5G网络正式在全球范围内（5G）投入商用，5G网络可以提供很高的传输速率（20 Gbps的峰值速率和100 MHz的用户体验速率）和极低的数据延时（小于1 ms），满足超高清视频传输、远程医疗、无人驾驶、VR、XR等应用需求，推动物联网的发展[2]。

1 5G6G技术指标对比

随着技术的发展，不断涌现的全新业务及应用对无线网络性能提出了更高的要求，用户对移动数据网络的需求也在不断提高，根据国际电信联盟（ITU）的预测，到2025年全球每月移动数据流量将在达到607 EB（1 EB=106 TB），到2030年预计达到 5 016 EB[3]。

5G技术无法满足高数据传输速率、极低延迟等需求的局限性以及频谱资源未来仍将无法满足移动通信日益增长的传输速率需求，必须提前开展新一代移动通信技术（6G）的研发，需要在6G关键技术上取得突破。

相比现有的5G网络，6G无线通信技术将在速度、延迟、容量、精确度和可靠性等多方面寻求进一步提升。在延迟方面，虽然5G技术将延时缩小到1 ms之内，但是对于自动化、无人驾驶、远程医疗等对数据延时要求较高的领域，还有待进一步缩短延时力求达到人体无法感知的程度；在容量方面，5G可供连接的移动设备数量达到100台设备每平方米（10 Mbit/s/m2），6G网络的容量将比5G高10～1 000倍；在速度方面，虽然5G技术使用的毫米波（30～300 GHz）可以提高很高的载波频率，但仍然难以支撑Tbps级的传输速率，要想实现6G网络的Tpbs传输，需要在太赫兹频段（0.1～10 THz）寻求突破，受限于对太赫兹传输中分子吸收衰减、传播损耗、多径损耗、粗糙材料表面透射衰减等现象的研究还不够深入，太赫兹信道建模尚未有通用的模型，研究太赫兹波在6G通信中的传输特性，有助于信道模型的建立，推动6G网络的发展。如表1所示。

表1 5G/6G关键技术指标对比

2 太赫兹频段传输特性

2.1 太赫兹频段特性

太赫兹（THz）波是指位于在0.1～10 THz频段内的电磁波，在低频段与毫米波重叠，在高频段与红外光重叠，是经典理论向量子理论的过渡区，因此太赫兹波既具备某些电学特性又有一些光学特性。相比于毫米波，太赫兹具有更大的带宽，可以提供更高的数据传输速率；太赫兹波束更窄，具有更好的方向性，具备更好的安全性和可靠性；太赫兹允许非视距传输（NLoS）的特点使其在恶劣环境下具有较好的通信能力。太赫兹波特殊的性质使其在医学影像学、太赫兹通信技术、太赫兹雷达、安全检查等方面有着广阔的应用前景和发展潜力。然而由于缺乏高效的太赫兹源和灵敏的太赫兹探测器等设备，太赫兹未被充分利用，被称为“太赫兹空隙（THz gap）”。太赫兹频段丰富的频率资源加上太赫兹通信能实现更高传输速率的特点，符合未来6G的发展需求，是未来6G网络的关键技术之一。如图1所示。

图1 电磁频谱及对应频段典型应用

2.2 太赫兹波段大气传输衰减

2.2.1 太赫兹大气吸收衰减

太赫兹波主要用于点对点地面近距离传输，大气衰减主要归结于分子吸收衰减，太赫兹的波长和一些分子的尺寸相近，许多物质相互作用能级落在太赫兹频段，大气中的分子在这个频段产生共振，固体的晶格振动、能级跃迁、组成分子的特征谱线的扩展、大气分子间碰撞作用等物理过程都会导致较为明显的连续吸收和线吸收作用。田浩宇等[4]从大气、降雨、沙尘等方面研究了太赫兹波的分子吸收特性，结果表明水蒸气在太赫兹传输损耗中起到了主要的作用，同时大气中的水蒸气分子在不同频率的太赫兹系统中的折射率不同导致了色散效应，将会引入有色噪声；降雨产生的冷凝水增大了传输损耗，但在频率高于90 GHz时，衰落作用趋于恒定；沙尘对太赫兹通信的影响很小，影响可以忽略。

王玉文等[5]在已有的大气传输模型Grischkowsky团队的太赫兹时域光谱（THz-TDS）模型及其经验参数连续吸收，完善了太赫兹大气传输衰减模型，通过与Liebe-MPM模型对比，给出了340、410和667 GHz三个窗口区；研究发现在吸收峰处（0.556、0.751、0.987 THz）连续吸收的影响小，水线吸收较强，在大气窗口区（0.21、0.35、0.41、0.68、0.85、0.93 THz）附近有相对较弱的水线吸收，透过率较高。

胡皓然等[6]借用经典的Liebe-MPM模型研究了大气中太赫兹波的谱线吸收衰减和连续体吸收衰减，同时考虑了太赫兹波在大气中的自由空间传输损耗；研究发现氧气和水蒸气是造成太赫兹传输衰减的主要原因，吸收峰处连续吸收效果小，在大气窗口内连续吸收效果较大，在200～300 GHz之间有个具有一定带宽的宽口可以降低衰减，以上结论与王玉文等的研究结论相近。

2.2.2 太赫兹大气散射衰减

室外太赫兹通信不仅要考虑大气分子对太赫兹的吸收衰减，还要考虑云雾、雨雪等粒子对太赫兹波的散射衰减作用。卷云在大气中承担着重要的作用，而太赫兹波波长与卷云冰晶粒子有着相同的尺度，对太赫兹大气散射衰减有较大影响，陈梦婷围绕卷云冰晶粒子和水滴散射特性展开研究；首先在94、220、340 GHz将用于计算匀质球形粒子散射特性Mie 散射理论和DDA 法（离散偶极子近似法）对比证明DDA的正确性，然后采用DDA法研究不同频率（94 GHz、220 GHz、340 GHz）、不同复折射率、不同等效半径对球形冰晶粒子散射特性的影响，计算了340 GHz不同频段、不同形状、不同复折射率、不同纵横比以及不同空间取向对非球形冰晶粒子的散射特性的影响，最后提出一种新型用于非球形冰晶粒子的M-SDSU（modified satellite data simulator unit）模型。

陈梦婷研究发现[7]，不同频段下的球形冰晶粒子散射特性明显，粒子的散射特性对频率敏感，频率越大，散射特性越明显；340 GHz频段下，散射呈现多峰波动特征，而在94 GHz只有一个峰值且散射峰值对应的等效半径与频率呈负相关，94 GHz和340 GHz水滴散射均呈现先增加后稳定的趋势且峰值对应等效半径与频率的关系与冰晶粒子相似；研究340 GHz频段下球形冰晶粒子散射特性随复折射率和等效半径的变化发现，复折射率对球形冰晶粒子散射效应影响不大，由此得到散射特性与温度影响不大的推论。

陈梦婷[7]进而研究发现太赫兹频段对非球形冰晶粒子散射特性更加敏感，形状、纵横比、空间取向等参数对非球形冰晶粒子散射特性有着不同程度的影响，复折射率与温度对散射特性影响不大。雾具有和云相似的微观物理结构，特别是在城市中，雾的影响不能忽略，根据ITU-R建议书，采用Rayleigh近似算法给出了计算云雾衰减的方法，并借助已有的降雨衰减大致估计雨雪粒子对太赫兹传输的衰减影响。

2.3 太赫兹波段室内传输特征

2.3.1 建筑材料表面散射特性

太赫兹通信系统同时依赖视距传输（LoS）和非视距传输（NLoS)，材料表面粗糙度会对反射率造成影响，当材料表面粗糙度在微波频段可以忽略时，在太赫兹频段时表面粗糙程度不同，需要考虑在内，同时入射角与入射频率等参数也会对反射率造成不同程度的影响，研究建筑材料表面散射特性对于太赫兹室内通信系统建模有很大意义[8]。菲涅尔方程的基础上，利用瑞利粗糙因子对传统反射系数加权，并用基尔霍夫标量近似分析不同材料在不同入射频率、材料表面粗糙度、不同入射角下的散射特性；实验表明，材料的粗糙表面会明显降低镜面反射反射系数，漫散射随着入射频率、粗糙度的增大而增大，TE波（横电波）的反射系数随入射角增大而增大，TM波（横磁波）在60°会出现布鲁斯特角，TE极化波比TM极化波更适合太赫兹室内通信。

利用基尔霍夫近似和太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统研究不同粗糙程度葡萄糖片的反射光谱，发现粗糙表面引起的漫散射减弱了反射光谱的强度并提出了一种补偿方法；利用基尔霍夫散射理论推导修正的菲涅耳方程来模拟光滑材料的反射率，并用修正的菲涅耳方程解释散射损失，引入瑞利粗糙度因子计算出一组反射系数，从而验证模型的可靠性，通过光线追踪模拟研究了墙壁和天花板的粗糙度对未来室内场景太赫兹波传播的影响，发现在某些情况下，较长的传播路径反射传输可能比较短的传输产生的损失更有效。给出了1个调制太赫兹光束在5个金属粗糙表面上的漫散射测量方法，研究了表面粗糙度对频率为100 GHz及以上的非视距（NLOS）无线数据链路的影响，研究了包括均方根高度和相关长度在内的散射模式对表面粗糙度参数的依赖关系首次证明了在非镜面方向包含NLOS反射的数据链路可以在高于100 GHz的频率上建立且误码率低[9]。

2.3.2 建筑材料透射特性

由于太赫兹通信系统同时依赖 (LoS）和非视距传输（NLoS），在考虑视距传输的自由路径损失和分子吸收的同时，建筑材料的透射吸收衰减作用也不可忽视，选取1个拥有8间房间和1个走廊的室内空间，仿真了室内热点场景下的太赫兹透射路径功率的分布情况，实验分别选取60 GHz，340 GHz两种频段，灰砂砖和玻璃2种材料的墙壁，先后将基站放置在大厅、房间、大厅和房间一共模拟了3种场景；实验结论表明，将基站单独放在大厅或房间，60 GHz和350 GHz频段的信号都无法透过灰砂砖或玻璃材质的墙壁，无法维持大厅/房间与基站之间的通信，不能满足太赫兹的高数率无线通信，然而在理想的情况下在房间和大厅同时放置基站可以实现太赫兹的高速率无线通信，在未来的6G网络架构中应该将高性能低成本的设备密集部署以扩大通信覆盖范围。

2.3.3 室内路径信道传输特性

随着通信技术的不断发展、物联网、云计算、人工智能等新应用不断涌现和完善以及人们对于高速无线宽带的需求不断增强[10]，流量需求特别是室内数据流量将迎来爆发式增长，太赫兹室内超高速通信具有较高的研究价值，然而由于太赫兹波很强的方向性以及明显的衰减作用，太赫兹波在信号传播过程中容易被遮挡物阻挡。在实际的场景中，遮挡物并非静止，遮挡物的位置变化将会影响遮挡损耗进而影响信道的传播特性，研究了室内NLoS情况下的大尺度衰落，基于近距离参考模型（CI），引入遮挡损耗进行修正，提出了一种具有遮挡损耗的路径损耗模型，并研究了遮挡物相对位置变化、传输频率变化对路径损耗的影响；实验结果表明，在NLoS情况下，遮挡物静止时，遮挡损耗和接收端到遮挡物的距离呈指数关系，频率增大，深度衰减的遮挡损耗距离增大，遮挡物移动时，遮挡损耗和接收端到遮挡物的距离呈二次函数关系，频率增大，最小遮挡损耗位置不断趋近发送端和接收端的中点位置。

一种基于相变材料二氧化钒（VO2）与编码超表面技术的可以在反射模式和透射模式间切换的双向太赫兹多波束调控器，使太赫兹波的传播不受透射或反射效应的影响，对太赫兹无线通信技术的室内场景应用发展起着巨大的推动作用。一种智能反射面（IRS），通过调整IRS的离散相移重新配置电磁波传播来提高室内场景太赫兹通信的覆盖率，研究发现，在没有IRS的情况下几乎无法接收太赫兹信号，用IRS增强时，在房间可以实现更好的覆盖率。

3 总结与展望

太赫兹通信技术是6G网络的关键技术之一[11]，本文首先介绍了太赫兹通信技术对6G网络开发的重要意义，其次从室外大气传输和室内通信应用两个方面介绍了太赫兹波的传输特性，着重介绍目前国内外对于太赫兹波传输过程中衰减现象的研究进展，研究太赫兹波在6G通信中的传输特性，有助于信道模型的建立，推动6G网络的发展。