太赫兹通信应用与产业化发展分析*

马静艳，张忠皓，李福昌，高帅

（中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

2019 年6G 研究启动初期，6G 整体技术路线尚不明确，学术界和产业界对未来6G 的底层候选技术、网络特征和目标愿景都进行了激烈的自由探讨，涌现出很多颠覆性通信架构和技术概念。经过近年来产业界的共同推进，全球6G 研究已开始进入新阶段，目前6G 应用场景已基本明确，潜在关键技术的观点也已基本成型并达成初步共识，太赫兹作为重要的6G 潜在关键技术，研究进展跟随6G 产业发展变化也进入新的发展阶段。

国际各区域和研究组织较早就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[1-13]。随着6G研究启动，太赫兹通信技术作为高潜力候选技术，在产业界受到了更多关注。近年来随着太赫兹通信的研究不断深入，太赫兹通信关键器件/芯片/组件性能及能力不断提升，不同场景的信道研究及系统测试成果日趋丰富[14-17]，产业推进工作开始由前期偏重学术和技术上的自由讨论，逐渐向技术试验和标准化方向收敛。

文中基于绿色、智能、融合的太赫兹通信应用愿景，介绍了太赫兹通信技术特点及应用场愿景分析了太赫兹通信应用面临的众多挑战，例如现有原型验证系统的移动性和多用户接入能力不足，系统能耗相对较高以及产业化成熟度相对较低等，并初步厘清和明确未来太赫兹通信技术突破方向和产业化发展趋势，推动太赫兹通信产业化成熟度能够及时呼应6G 产业发展节奏，成为未来6G 关键支撑技术。

1 太赫兹通信技术特点及应用愿景

1.1 技术特点

（1）超大带宽支持超高速率

如图1 所示，现阶段5G 高频毫米波支持的最大工作带宽为800 MHz，目前业界的实验测试下行峰值速率最高在10 Gbps 左右[18]。与已经广泛应用的微波频段通信相比，太赫兹频段具有非常丰富的频率资源，可利用的工作带宽可能高达几十GHz。目前国内外已实现的太赫兹通信原型验证系统的工作带宽一般都大于2 GHz，远远大于现阶段5G通信系统的工作带宽。结合MIMO 增强和高谱效调制技术，太赫兹通信具有支持太比特量级通信能力的应用潜力，该特点也是太赫兹通信最显著的技术特征和性能优势。

图1 太赫兹和5G Sub 6 GHz及毫米波可利用带宽对比

（2）传播与穿透损耗大、易受遮挡

太赫兹频段的频率比毫米波更高，依据电磁波的传播特性，这个频段的传播与穿透损耗也比较大。根据Friis 自由空间损耗计算公式[19]，如式(1)所示：

其中，LFSdB表示路径损耗，fMHz表示电磁波频率，dkm表示传播距离，GTxdBi表示发射增益，GRxdBi表示接收增益。根据式(1)，可以得到在自由空间传播时，1 THz 以下太赫兹频段电磁波相对于26 GHz 毫米波频段的粗估路损差，如图2 所示。可以看到不考虑水分子和氧气吸收带的情况下，自由空间传播时1 THz 以下的太赫兹频段相对26 GHz 毫米波的路径损耗增加了10～35 dB（传播距离为100 m）。因此在发射和接收增益受限的情景下，太赫兹频段的通信系统覆盖距离会大大缩短，并且穿透和绕射能力较差，所以更适合用于室内短距高速通信，需要与RIS 等技术融合实现覆盖增强和应用场景拓展。

图2 太赫兹频段不同频点与毫米波26 GHz频点自由空间传播路损差（dkm=1 km）

（3）可与感知功能融合

传统通信系统和感知设备功能分离，存在无线频谱与硬件资源的浪费。如图3 所示，未来通信频谱迈向太赫兹等高频段后，会与传统的感知频谱重合，通信+感知融合在实现功能增强的同时，可节约大量频谱资源与硬件资源。面向低中频和毫米波频段的5G 通信感知融合技术相关研究已开始进行相关标准化讨论和推动，相关进展将为未来6G 太赫兹通信技术奠定重要基础。融合了太赫兹通信、高精度定位、3D 成像及感知等技术的太赫兹通信和先进感知系统有可能在未来实现，成为未来通信的技术特点。

图3 通信和感知功能融合

1.2 应用愿景

6G 业务场景需求驱动具有极致容量支持潜力的太赫兹通信为重要潜在使能技术，基于太赫兹通信技术特点，太赫兹通信可应用于多种通信场景。

首先是地面通信场景。全息通信、增强现实/虚拟现实、3D 游戏等元宇宙沉浸式业务应用，将对数据速率、时延、连接数和感知能力等提出极致连接需求，与人工智能和机器学习结合，有望成为太赫兹通信在6G 时代的“杀手级”应用。此外太赫兹通信还可以作为宏蜂窝网络的补充，构成微蜂窝网络，用于为热点地区提供超高速网络覆盖；可以实现兼具高速率通信和高精度感知的通信感知一体化应用；也可以用于无线回传、固定无线接入、数据中心等超大带宽业务需求场景。

太赫兹通信也可以用于非地面通信场景。太赫兹通信系统可通过搭载卫星、无人机、飞艇等天基平台和空基平台，作为无线通信和中继设备，应用于卫星集群间、天地间和千公里以上的星间高速无线通信场景，实现未来的空天地海一体化通信。

除了传统的宏观尺度应用，太赫兹通信还可用于芯片的高速数据传输的片上/片间无线通信，支持健康监测系统的可穿戴或植入式太赫兹设备，用于纳米体域网、纳米传感器网络等多种微小尺度通信应用场景，实现从宏观通信到微观通信的6G 网络覆盖。

太赫兹通信的应用愿景是实现绿色、智能、融合的通信。绿色主要指实现低碳节能的器件/芯片/组件和系统；智能是实现灵活、弹性、智能的空口设计和资源管理调度；融合是与其它6G 无线技术的有效融合。绿色、智能和融合既是太赫兹通信应用目标愿景，也是太赫兹通信技术研发迭代方向和发展趋势，三者相辅相成，绿色低碳通信网络要靠多技术智能融合来实现，技术融合服务于智能化应用和绿色网络的目标，智能化技术的应用则贯穿整个绿色融合的太赫兹通信网络。

2 太赫兹通信技术应用挑战分析

2.1 挑战1：高成本高能耗导致应用驱动力受限

如图4 所示，从前代无线移动通信设备能力看，5G基站能耗是4G 能耗3.5～4.5 倍，基站电费支出成本将数倍增长，运营商面临巨大的OPEX 压力。目前与5G 工作频段相比，太赫兹通信系统频段更高，关键器件功耗更高，能效更低，部署应用可能会导致极高的运营成本。更高频段导致更大的传播与穿透损耗，蜂窝组网有效覆盖半径会远低于低频网络，可以预见的是相应的组网密度也会相应增加，而且器件产业化成熟度低，规模应用可能会带来极高的建设成本。太赫兹通信将面临高成本高能耗带来的应用驱动力受限问题。

图4 4G和5G基站单站功耗对比

2.2 挑战2：现有系统移动性和多用户接入能力不足

近年来国内产业界的太赫兹通信系统原型测试成果众多[20]，测试内容涉及峰值吞吐量、频谱效率、传输距离及覆盖能力等，目的是探索6G 太赫兹关技术原型样机的当前能力及不足之处，验证6G 太赫兹技术产业链的成熟度，为后续太赫兹通信关键器件/芯片、设备制造和产业应用等提供参考。

从业界整体测试情况来看，太赫兹通信系统性能潜力巨大，且已在感知功能融合上有显著进展[21]，但受限于部分关键技术未能充分挖掘和体现。目前前沿的太赫兹通信原型系统多为点对点固定传输功能验证，移动性和多用户接入通信能力不足。从标准化进展和技术成熟度来看，点对点固定传输类场景有望较早实现应用，太赫兹无线移动通信应用则面临天线和规模集成等技术难题和挑战。

太赫兹通信系统具备移动性通信能力后才能适用于更广泛的应用场景，具备多用户接入能力后才能凸显太赫兹频段在容量方面的优势，相关技术壁垒的突破对于太赫兹通信应用可行性验证和能力评估试验结论至关重要，进而影响其标准化和产业化进度。图5 为太赫兹通信应用场景示意图：

图5 太赫兹通信应用场景示意图

2.3 挑战3：全技术链条标准化设计方向待明确

近年来太赫兹通信空口相关技术研究进展众多，内容涉及太赫兹通信波形设计、太赫兹多天线处理技术、太赫兹信道研究等[22-23]。但目前各个技术维度的讨论还是基于5G 标准化框架下的离散技术点讨论，在新一代技术研发的初级阶段，这种由点及面的技术推进方式是合适的，也有利于未来实现标准化的平滑演进。

依据ITU 和3GPP 的标准化时间计划来看，6G 使能技术已由自由探讨开始逐步进入技术路线明确和方向细化收敛的阶段，例如技术体制是采用全固态电子路线还是光电结合路线；物理层的空口设计是沿用4G/5G 时代的OFDM 波性调制方式继续向前演进，还是面向6G 技术的新型波形设计和帧结构参数集设计等。目前太赫兹通信技术空口设计方向还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全新理论和技术方案，相关的技术研究需要尽快推动产业界达成共识性观点，才能有效集中产业界力量推动相关技术标准化成熟。

太赫兹通信有很高的技术应用价值和潜力，但在讨论6G 发展的时候，不能唯技术论，要考虑业务继承、行业良性发展和产业链能力。太赫兹通信系统关键技术功能和性能突破以及标准化发展成熟度一定要能够及时地呼应6G 的产业发展节奏，才能保证太赫兹可以在未来6G 通信系统中起到关键的支撑作用，得到广泛部署应用。

3 太赫兹通信产业化发展方向

3.1 方向1：端到端自主可控全技术链条体系构建

端到端自主可控全技术链条体系构建是太赫兹通信标准化成熟和产业应用落地的前提条件，未来产业界一方面需要构建包括太赫兹通信信道建模、物理层空口设计等在内的全技术链条标准化体系，形成端到端的6G 太赫兹整体空口方案。另一方面需要聚焦技术创新，加快核心芯片、器件及关键技术攻关，构建从材料到器件与芯片集成，再到原型系统研发的自主可控产业系统，为未来样机规模化应用和落地打好产业基础，产学研用多方协同建立良好开放的太赫兹通信自主可控技术产业生态链。

3.2 方向2：绿色节能太赫兹通信技术研发

面向未来高度复杂的通信网络，无论是从践行“碳达峰、碳中和”的国家战略角度，还是从运营商投入建网的驱动力的角度，绿色节能都是未来6G 高频通信应用落地和广泛应用的前提条件和必然需求，因此更绿色节能的太赫兹通信技术亟待研发突破。

绿色节能太赫兹通信技术研发可以从硬件节能、软件节能和系统级节能三方面进行推动。首先是硬件节能，低能耗新材料技术、低能耗PA/天线等器件组件的开发，无源反射面等技术都有助于实现低能耗太赫兹通信硬件系统，实现高能效低能耗太赫兹器件/芯片/组件的研发技术突破也是实现6G 绿色高频通信最核心关键的内容；其次是软件节能，主要通过高能效空口资源配置和管理调度设计来降低能耗，例如符号关断、通道关断、小区休眠和低精度低复杂度高能效算法开发等；最后是系统级节能，主要通过协同智能节能网络运维起到降低系统能耗的作用。

3.3 方向3：多技术融合促进容量、覆盖、功能增强

首先是基于容量增强的技术融合。例如与超大规模天线阵列这种空域信息资源增强技术的融合，与灵活双工这种频域信息资源复用技术的融合，与轨道角动量这种全新电磁维度资源技术的融合等，结合适配的调制技术，服务于极致容量需求的6G 应用场景。

其次是基于覆盖增强的技术融合。太赫兹通信的一个明显缺陷就是传播过程中信号路径损耗较大，易受障碍物遮挡影响，使其在应用过程中面临覆盖半径小、盲区多、部署运维成本高的严峻形势，应用场景受到明显限制。而智能超表面技术可以提供一种新的通信范式，将无线信道由被动改为主动，可以有效弥补覆盖受限的缺陷。太赫兹通信可以与智能超表面技术融合，构建智能可控无线环境，给未来6G 带来一种全新的通信网络范式。

最后是基于感知功能增强的技术融合。感知功能的引入可以在节省频谱资源与硬件资源的同时，提供通信及感知一体化服务，满足和适应未来通信更高速率和差异化业务应用的需求，极大范围地拓展例如智慧城市、智慧交通、智慧工厂和医疗健康等生活生产应用场景。

未来的6G 整体空口技术方案不会是单一技术特征的，而全频谱、多信息维度和通信新范式技术紧耦合后形成的整体融合方案。通过多技术融合实现通信容量、覆盖和功能增强，将成为6G 太赫兹通信技术发展的核心主题。

4 结束语

当前6G 应用场景及潜在关键技术的观点已基本成型并达成初步共识，目前正向着架构逐步明确化、技术持续收敛和迭代化的总体趋势发展。太赫兹通信作为重要的潜在使能技术，凭借其丰富的频率带宽资源等天然优势，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和应用挑战，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，太赫兹有望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，成为未来社会信息融合联接的重要组成部分。