专题导读

随着智能移动设备的不断普及以及新兴移动宽带应用的快速发展，激增的流量需求与紧缺的频谱资源间的矛盾愈发尖锐。据国际电信联盟的ITU-R M.2370-0 报告估计，2030 年全球移动用户数量将达到171 亿，而2020 年至2030 年全球国际移动通信流量将增长10～100 倍。这对于仅能实现Gbit/s 的5G 毫米波数据传输而言，几乎是极限。此时，具备海量频谱资源的太赫兹（THz）频段（0.1～10 THz）跃入了研究人员的视线。2019 年世界无线电通信大会（WRC-19）开始研究为陆地移动业务和固定业务分配275～450 GHz 的全球统一标识频段，国内IMT-2030（6G）推进组太赫兹通信任务组也于2021 年9 月发布了相应研究报告，太赫兹无线通信技术被设想为实现下一代移动通信系统的潜在关键技术之一。

由于太赫兹具有上百GHz 以上的频谱资源、超短的波长，可支持超大规模设备连接，实现超高数据传输速率和超高分辨率感知，太赫兹无线通信系统不仅有望解决当前频谱稀缺的问题，有利于提高无线网络的容量，而且在高速无线通信、高精度定位与追踪、人类感官增强等方面具有广阔的应用前景。尽管太赫兹频段能够提供比毫米波频段高得多的带宽以及比红外频段更有利的传播条件，但是该频段仍然是电磁波频谱中研究和使用最少的频段之一。随着对高速率通信需求的日益增加，以及太赫兹器件的研发取得重要进展，太赫兹通信技术与系统研究已成为无线通信技术发展的重要热点。鉴于此，我们组织了“太赫兹通信关键技术”专题。

对于频谱资源非常丰富的太赫兹信号，其无线传播存在严重损耗，因此，太赫兹通信面临的首要挑战是如何增加传输容量的同时延长传输距离。近年来，我国太赫兹通信取得了长足的进步。2015 年，中国研制出国内首套太赫兹实时通信系统，定向传输速率达到3.52 Gbit/s。太赫兹无线实时通信系统定向传输距离于2017 年提升到21.3 km。进一步地，基于光电结合的多通道太赫兹无线通信系统于2018 年实现了160 Gbit/s 的超高速无线通信实验。本专题第一篇、第二篇、第五篇文章介绍了太赫兹通信覆盖增强技术的最新进展。

本专题第一篇文章综述并总结了太赫兹通信感知一体化技术。为了增加通信距离，太赫兹需要结合超大规模阵列天线技术，以满足实际移动通信系统的覆盖需求。但是超大规模天线需要超窄波束成形，超窄波束成形一方面提升了感知的角度分辨率性能，另一方面提高了波束训练的开销。因此，可以将感知信息和波束训练相结合，以加快波束对准与跟踪，提升通信性能。文章首先概括了太赫兹通信感知一体化波形设计所面临的场景与需求；然后，从体现通信与感知功能的太赫兹一体化波形入手，综述了太赫兹通信感知一体化波形的研究现状；最后，指出太赫兹通信感知一体化波形的未来研究方向。

本专题第二篇文章对太赫兹通信系统提高容量和传输距离的技术和方法进行了介绍。具体地，在D 频段（110～170 GHz）的4×4 MIMO PS-64QAM，采用先进的数字信号处理技术，包括概率整形和预失真，实现了太赫兹信号无线传输3.1 m，总比特率达1.056 Tbit/s；在光子辅助太赫兹波通信系统中通过1 m空芯光纤实验证明了325 GHz的32 GBaud PS-4096 QAM 太赫兹信号的有线传输。在太赫兹频段实验性地实现了无太赫兹放大器的高速光子辅助无线集成系统，其中高达 109.6 Gbit/s 的TPS-256QAM信号可以通过20 km的SMF-28传输，然后基于一对合适的介电透镜和先进的DSP 技术提供超过54.6 m 的无线链接。这一成果显著提升了无线移动数据通信的性能，延长了传输距离，增加了传输容量。

本专题第五篇文章针对太赫兹链路传输距离短的问题，研究了智能反射表面（RIS）辅助的混合双跳射频（RF）/THz 系统的性能。RIS 用于增强信号强度，从而提升系统性能。采用固定增益放大转发协议，推导了混合RF/THz 链路端到端信噪比的累积分布函数和概率密度函数表达式。利用这些统计特性，进一步推导了该混合中继系统的中断概率、平均误码率和平均信道容量的分析表达式。此外，还对中断概率和平均误码率进行了渐近分析，获得了混合RF/THz 系统的分集度。仿真结果表明，RIS 可以有效提高混合RF/THz 系统的性能。此外，系统的性能还与信道衰落参数、指向误差和距离有关。

准确有效的信道模型是搭建通信网络的基础。与低频段的毫米波和微波，以及高频段的可见光相比较，太赫兹波的信道特征差异较大。已有的毫米波、微波、可见光系统的信道模型及测量方法均无法直接应用于太赫兹波。为了在太赫兹频段实现最优无线通信网络设计，我们必须建立一个能准确表征太赫兹频谱特性的统一信道模型。本专题第三篇和第四篇文章介绍了2 种先进的太赫兹信道建模方法。

本专题第三篇文章针对太赫兹无线信号与传统频谱的差异性制约其应用于室内通信场景的问题，提出了一种室内太赫兹无线信号传播的修正模型，并分析了宽带单载波太赫兹无线信号传播及覆盖性能。具体地，考虑障碍物厚度导致的吸收损耗问题，建立了宽带太赫兹信道传递函数模型。基于射线追踪技术，阐明了障碍物厚度、信号带宽对上述性能的影响。研究表明，非视距障碍物反射可增强覆盖。此外，太赫兹通信存在覆盖范围与容量性能间的均衡问题，且理论频谱效率随太赫兹载频升高而下降。

本专题第四篇文章针对太赫兹频段进行大规模、高自由度的信道测量不再现实，使基于测量数据的信道关键参数提取和信道特性分析不再适用的问题，提出了一种基于射线跟踪技术的信道特征分析的方法。该方法即使在缺乏广泛的信道测深测量的情况下，也能实现接近6G 的真实太赫兹信道数据，由此进行信道特性分析。2 个案例研究从室内桌面通信场景到室外智能车联网场景，分别代表了6G 从短距离到远距离用例的两端，对于室外场景还额外考虑了不同气象条件下对信道参数的影响，对太赫兹系统的设计和评估具有重大意义。