王佳佳，陳琪美，江 昊，吳 靜

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢430072)

0 引言

未來通信將具有超高的網(wǎng)絡(luò)速率、超低的通信時延和更廣的覆蓋深度，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界正在努力定義和確定未來通信相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]。處于低頻段的頻譜資源已不能滿足人們對于更高速率應(yīng)用的需求，為了滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展需求，新的頻段需要被探索以創(chuàng)造超高數(shù)據(jù)傳輸速率，大帶寬的太赫茲無線通信系統(tǒng)具有提供超高數(shù)據(jù)傳輸速率的潛力，基于此100 GHz～3 THz之間的太赫茲頻段研究將引來學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注。

在無線移動通信系統(tǒng)中，峰值速率是自第一代無線移動通信以來就一直追求的關(guān)鍵技術(shù)與需求指標(biāo)之一。從無線通信系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律和未來通信前景2個角度分析可知，未來通信的峰值速率將進一步提高，峰值速率可能進入太比特時代。首先，根據(jù)1G～5G移動通信系統(tǒng)峰值速率發(fā)展的統(tǒng)計規(guī)律，可定量預(yù)測10年后的峰值速率需求，預(yù)測出2030年可能達到Tb/s的峰值速率。其次，從對未來通信“人與世界溝通零距離”的愿景中可以看出，未來至少有2類應(yīng)用需要有大幅度提升的峰值速率：① 基于人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化應(yīng)用將驅(qū)動數(shù)據(jù)通信的爆發(fā)，為了滿足海量數(shù)據(jù)傳輸需求以及避免通信網(wǎng)絡(luò)擁塞，此類應(yīng)用需要超高的數(shù)據(jù)傳輸速率；② 未來，由高清視頻傳輸帶來的高保真度全息通信和增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實等技術(shù)將會應(yīng)用在生活的各個角落，這些應(yīng)用對未來的無線通信傳輸速率提出了更高的要求。以上分析表明，與傳統(tǒng)無線通信中僅覆蓋局部區(qū)域(如熱點區(qū)域)需達到峰值速率的需求不同，未來網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求能夠隨時隨地實現(xiàn)Tb/s水平的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率和低時延的連接需求，這是未來網(wǎng)絡(luò)需要應(yīng)對的巨大挑戰(zhàn)。太赫茲通信憑借帶寬大、傳輸速率高及頻譜資源豐富等優(yōu)點，是未來移動通信中極具優(yōu)勢的Tb/s級通信接入技術(shù)，可以應(yīng)對未來通信的巨大挑戰(zhàn)[4]。

未來通信網(wǎng)絡(luò)將充分利用太赫茲波段的超高頻無線頻譜資源，同時融合地面移動通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)及微波網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，形成一個具備萬物群體協(xié)作、數(shù)據(jù)智能感知、安全實時評估和天地協(xié)同覆蓋的一體化綠色網(wǎng)絡(luò)。未來通信網(wǎng)絡(luò)所關(guān)注的主要目標(biāo)不再是數(shù)據(jù)傳輸性能，它將向空天地海外太空、全維度感知世界和網(wǎng)絡(luò)空間不斷延伸，更智能、更安全、更靈活地為人類提供全天時、全天候、全地域[5]的信息基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，改善現(xiàn)存蜂窩系統(tǒng)的局限性。

1 太赫茲通信技術(shù)

頻譜作為一種稀缺資源，是移動通信的基礎(chǔ)，也是未來通信發(fā)展的關(guān)鍵所在。隨著用戶數(shù)和移動終端設(shè)備數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)流量將呈指數(shù)級增長，有限的頻譜帶寬需要為更多的終端提供服務(wù)，這將導(dǎo)致終端服務(wù)質(zhì)量的嚴(yán)重下降，因此不斷開拓和利用更高頻段的頻譜資源至關(guān)重要。目前，我國三大運營商的主力頻段都位于微波和毫米波頻段，頻段使用十分擁擠，已趨近飽和，未來通信日益增長的業(yè)務(wù)量需要更多的頻譜資源來支撐，因此需要尋找新的頻率資源來滿足通信需求，太赫茲頻段憑借自身優(yōu)勢成為最具優(yōu)勢的候選頻段，未來通信將進入頻率更高的太赫茲頻段[6]。

1.1 太赫茲頻段的發(fā)展優(yōu)勢

太赫茲頻譜在通信等領(lǐng)域的開發(fā)和利用受到了發(fā)達國家和區(qū)域的高度重視，也獲得了國際電信聯(lián)盟(ITU)的大力支持。太赫茲是介于微波與紅外線之間的電磁波，頻譜在100 GHz～10 THz之間，是一個頻率比5G高出許多的頻段。太赫茲波段在低頻段與毫米波相鄰，在高頻段與紅外光相鄰，位于宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)的過渡區(qū)域，具備激光通信和毫米波通信優(yōu)勢。與毫米波通信相比，太赫茲鏈路具有更大的通信容量；波束比毫米波更窄，具備更好的方向性和更強的抗干擾能力；太赫茲通信的設(shè)備質(zhì)量和體積等比毫米波設(shè)備更小，具有更好的保密性。與激光鏈路相比，太赫茲波具有更好的穿透沙塵煙霧的能力和更高的能量效率，在惡劣天氣下比激光通信更具優(yōu)勢。此外，在350，450，620，735，870 μm的太赫茲波長附近有相對透明的大氣窗口，能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗傳輸，以較低的功率完成遠距離通信。

太赫茲作為一個介于微波與光波之間的全新頻段尚未被完全開發(fā)，是未來移動通信中極具優(yōu)勢的寬帶無線接入(Tb/s級通信)技術(shù)。美國聯(lián)邦通信委員會專員Jessica Rosenworcel在2018年9月召開的美國移動通信世界大會上表示，6G可以采用基于太赫茲頻譜的網(wǎng)絡(luò)和空間復(fù)用技術(shù)[7]。

此外，當(dāng)前大部分低軌通信衛(wèi)星星座設(shè)計軌道高度均在1 000 km左右，與遙感衛(wèi)星500～800 km的軌道高度相差不大，在這個距離上可以充分利用太赫茲鏈路通信速率高、天線口徑小、能量集中的特點，使用太赫茲鏈路將遙感衛(wèi)星節(jié)點接入低軌通信衛(wèi)星節(jié)點，以較低代價實現(xiàn)遙感信息大容量、高速回傳。太赫茲通信憑借頻段優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于未來遙感通信中。在太赫茲無線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的推動下，未來通信時代將實現(xiàn)超高數(shù)據(jù)速率，為計算機通信、自動車輛、機器人控制、高密度全息游戲、娛樂、視頻會議和數(shù)據(jù)中心的高速無線數(shù)據(jù)分發(fā)提供超快的下載速度[8]，相對于5G通信將有大約2個數(shù)量級的比特率增長。

太赫茲天線利用窄波束同時向不同方向的多用戶傳輸信息，提高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時降低了通信延時。傳統(tǒng)無線通信較低的數(shù)據(jù)速率限制了AR/VR技術(shù)的發(fā)展，高速率和低延時的太赫茲通信應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)后，將推動各種現(xiàn)實(XR)技術(shù)進一步快速發(fā)展[9]，支持用戶在室內(nèi)體驗高品質(zhì)的視頻服務(wù)，實現(xiàn)高清視頻的傳輸，同時給用戶帶來比有線VR系統(tǒng)更好的體驗。此外，太赫茲在空間通信方面的應(yīng)用也具有很大的潛力。在空間通信中，太赫茲波在外層空間中可實現(xiàn)無損傳輸，僅利用極低的頻率即可實現(xiàn)超長距離傳輸，同時大氣層可以屏蔽大部分太赫茲輻射，使太赫茲空間通信避免了地球輻射噪聲的影響，地面應(yīng)用無法監(jiān)聽到空間通信信號，進一步提高傳輸質(zhì)量，保障了傳輸安全。因此太赫茲通信有望在未來太空雷達、星際通信等應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，并用于重返大氣層的導(dǎo)彈、飛船等飛行器的通信[10]，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.2 太赫茲通信存在的主要技術(shù)問題

太赫茲通信技術(shù)目前還處在研究開發(fā)核心器件(如調(diào)制器、解調(diào)器、混頻器、太赫茲源等)及實驗室演示通信系統(tǒng)的階段，在未來的發(fā)展過程中，太赫茲無線通信還面臨一些挑戰(zhàn)，需要研究解決的主要技術(shù)包括：

① 太赫茲輻射功率較低，難以達到正常通信所需的載波功率，需要進一步研制出可不間斷工作的大功率太赫茲源。此外，由于現(xiàn)有研究的缺陷，已有的太赫茲通信信號源與本振源不具備穩(wěn)定的頻率和良好的相干性，從而導(dǎo)致太赫茲接收系統(tǒng)靈敏度較低。

② 目前關(guān)于大氣衰減和閃爍特性對太赫茲通信影響的實驗研究相對較少，需要進行更多實驗研究來探索適應(yīng)太赫茲通信頻段的大氣傳輸模型，將高碼率調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)用到太赫茲通信鏈路中，研制高性能的太赫茲調(diào)制解調(diào)器件，實現(xiàn)調(diào)制增益和更高的頻譜利用率，進而實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的信道傳輸。

③ 缺乏太赫茲通信的原創(chuàng)性重大基礎(chǔ)性機理研究和高性能器件技術(shù)創(chuàng)新研究。在太赫茲的輻射技術(shù)、探測技術(shù)和光譜技術(shù)等重大基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的起步較晚，缺乏原創(chuàng)性的重大基礎(chǔ)研究成果，急需研制新體制太赫茲通信。

④ 缺乏太赫茲通信系統(tǒng)性能指標(biāo)及參數(shù)的測試評估和計量技術(shù)手段[11]。目前，急需開展此方面研究，為太赫茲頻段通信系統(tǒng)參數(shù)值的準(zhǔn)確可靠獲取提供技術(shù)支撐[12]。

⑤ 現(xiàn)存的太赫茲無線通信系統(tǒng)多數(shù)針對地面靜止?fàn)顟B(tài)下或運動速度低的通信終端，針對高速移動目標(biāo)的太赫茲無線通信系統(tǒng)的研究極為有限，因此需要發(fā)展波束追蹤和波束控制對準(zhǔn)技術(shù)來滿足高速移動狀態(tài)下無線通信的鏈路需求，實現(xiàn)高速移動目標(biāo)的太赫茲無線通信。

1.3 太赫茲適用于未來遙感衛(wèi)星通信的應(yīng)用可行性分析

在典型的遙感數(shù)據(jù)快速回傳場景中：

① 基于不同通信距離、不同緯度、不同通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型和背光約束的影響下，太赫茲鏈路的理論建鏈時間窗口能夠為大數(shù)據(jù)遙感業(yè)務(wù)快速回傳業(yè)務(wù)提供充足的接入時間。

② 由于傳感數(shù)據(jù)量大，傳輸速率要求高，傳統(tǒng)的Ka，Ku波段波束在速率與帶寬上無法滿足遙感大數(shù)據(jù)的要求；同時由于遙感衛(wèi)星針對低軌通信衛(wèi)星星座的不同高度軌道間的鏈路距離較短，且鏈路角速度變化快的特點，激光通信鏈路在這種高速運動的場景上實現(xiàn)鏈路對準(zhǔn)有很大的難度，而太赫茲鏈路的高帶寬和對應(yīng)距離約束下的波束半徑范圍能夠滿足高速率傳輸和高動態(tài)接入鏈路波束對準(zhǔn)的需求。

③ 考慮遙感衛(wèi)星與通信衛(wèi)星之間的相對運動，可得到的波束覆蓋相對時長比現(xiàn)有太赫茲天線的機動時間間隔高3個數(shù)量級，理論上能夠很好地滿足現(xiàn)有太赫茲天線的機動時間需求。

④ 目前的衛(wèi)星通信主要應(yīng)用Ka，Ku頻段進行接入，傳統(tǒng)的Ka，Ku共用拋物面天線半徑為0.8 m左右，若使用太赫茲天線，天線尺寸能進一步壓縮，絕大部分的遙感衛(wèi)星和通信衛(wèi)星都能夠負(fù)載。

⑤ 在遙感衛(wèi)星低軌接入場景中，相比于能量聚集、傳輸距離遠、速率高的激光鏈路，太赫茲波束寬度更大，天線粗跟蹤系統(tǒng)能滿足要求，不需要精跟蹤系統(tǒng)，且天饋系統(tǒng)成本更低，有一定成本優(yōu)勢，相比激光天饋系統(tǒng)體積重量較小，便于搭載；此外,采用相控陣天線后太赫茲鏈路能同時形成多個波束，可以連續(xù)調(diào)整波束跟蹤移動的通信節(jié)點。無需多副天線，也無需天線在多個方向往復(fù)切換，天線增益僅略微降低便可在高速運動條件下實現(xiàn)多址接入；太赫茲的大速率足夠滿足遙感信息傳輸，帶寬利用率高。

基于上述的理論分析，太赫茲鏈路能夠滿足未來大數(shù)據(jù)量遙感業(yè)務(wù)快速回傳的應(yīng)用需求，提供可行有效的太赫茲接入方案。

2 太赫茲鏈路下遙感衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

遙感衛(wèi)星是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的重要業(yè)務(wù),衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品相比，其顯著特點是含有極為豐富的空間地理信息，出于安全保密方面的考慮，帶有高精度地理坐標(biāo)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)無法通過公眾平臺媒介進行分發(fā)。同時由于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)本身具有數(shù)據(jù)量龐大、更新快等特點，對于數(shù)據(jù)的處理、存儲、分發(fā)、管理及接入機制制定等方面都有嚴(yán)格要求，所以需解決衛(wèi)星節(jié)點的接入窗口選擇、節(jié)點選擇、波束對準(zhǔn)與流量適配問題，以支撐高速、實時、并發(fā)的遙感傳輸業(yè)務(wù)。未來通信時代遙感衛(wèi)星通過太赫茲鏈路接入低軌通信衛(wèi)星將成為必然趨勢，接入示意圖如圖1所示。

針對現(xiàn)有能夠應(yīng)用于太赫茲超高速無線網(wǎng)絡(luò)的能量和頻譜感知的媒介接入控制協(xié)議存在的時隙申請量未及時更新，超幀結(jié)構(gòu)不合理及分配時隙時未合并同一節(jié)點之間的時隙請求等問題，需要解決以下關(guān)鍵的接入問題。

2.1 遙感衛(wèi)星接入時空窗口的選擇策略

可見光及高光譜遙感衛(wèi)星多在地球向陽面采集數(shù)據(jù)，低軌通信衛(wèi)星與遙感衛(wèi)星的相對位置和相對運動速度對低軌通信衛(wèi)星的可服務(wù)時長產(chǎn)生一定程度的影響。此外，在高緯度地區(qū)，衛(wèi)星間相對運動較快，波束對準(zhǔn)難度大，星間鏈路極不穩(wěn)定；在低緯度地區(qū)，衛(wèi)星間相對距離較遠，星間鏈路性能較差。因此需根據(jù)低軌通信衛(wèi)星的分布情況，評估遙感衛(wèi)星接入通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的最佳時間與空間范圍，確定遙感衛(wèi)星接入的時空窗口區(qū)域。

2.2 遙感內(nèi)容驅(qū)動的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點選擇

隨著遙感衛(wèi)星變得越來越密集，需在同一時空窗口區(qū)域接入的不同遙感衛(wèi)星將競爭有限的低軌通信衛(wèi)星資源。鑒于未來移動通信使用的太赫茲頻段波束具有較強的方向性，高速運行的遙感衛(wèi)星需要在低軌通信衛(wèi)星之間進行連續(xù)切換。根據(jù)遙感衛(wèi)星攜帶內(nèi)容的重要、緊急程度，劃分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級，使攜帶高優(yōu)先級內(nèi)容的遙感衛(wèi)星可優(yōu)先選擇切換衛(wèi)星及時間窗口，建立吞吐量更高、時延更短、可靠性更強以及可持續(xù)時間更長的通信衛(wèi)星鏈路。

2.3 極窄波束的空間多址接入

在遙感衛(wèi)星接入低軌通信衛(wèi)星的未來移動通信場景架構(gòu)下，由于接入的遙感衛(wèi)星類型各異、數(shù)量較多，且遙感衛(wèi)星與低軌通信衛(wèi)星之間的太赫茲鏈路波束極窄，所以低軌通信衛(wèi)星具有有限的可服務(wù)時長和稀缺的接入時空窗口。在同一個低軌通信衛(wèi)星視距范圍內(nèi)，可能存在多個遙感衛(wèi)星等待接入的情況，遙感業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此低軌通信衛(wèi)星在接收到遙感衛(wèi)星的接入請求后，利用自適應(yīng)性和靈活性強的多址接入技術(shù)，在單波束場景下通過控制天線波束轉(zhuǎn)向，合理調(diào)度分配給待接入遙感衛(wèi)星的波束覆蓋時長；在多波束場景下，設(shè)計合理的調(diào)度配對方式，實現(xiàn)低軌通信衛(wèi)星波束與遙感業(yè)務(wù)之間的靈活調(diào)配，以保證通信的連續(xù)性、實時性和可靠性，在提升衛(wèi)星資源利用率的同時，滿足遙感傳輸業(yè)務(wù)對時延、吞吐量、可靠性與持續(xù)服務(wù)時間的需求。

2.4 自適應(yīng)波束對準(zhǔn)的控制方法

太赫茲通信波束較窄、通信距離有限，在極地區(qū)域與高緯度區(qū)域，遙感衛(wèi)星與通信衛(wèi)星之間的接入存在波束對準(zhǔn)問題。同時衛(wèi)星在實際運行中受到多種攝動力的作用，信號接收和發(fā)送方之間的距離不斷變化，易引起波束的指向損耗和指向誤差。針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時鐘高度統(tǒng)一、節(jié)點運行軌跡可預(yù)測的場景特點以及衛(wèi)星攝動因素已知的先決條件，基于帶外信令進行信息交互，結(jié)合人工智能方法來設(shè)計控制算法實時預(yù)測攝動方向，進而動態(tài)調(diào)整以保證波束方向?qū)R，實現(xiàn)自適應(yīng)的波束對準(zhǔn)。

2.5 異質(zhì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的速率適配

低軌遙感衛(wèi)星星座通過太赫茲頻段接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，太赫茲網(wǎng)絡(luò)的通信速率較高，而工作在Ka，Ku頻段的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)速率較低。在異質(zhì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)多個遙感衛(wèi)星同時對采集的數(shù)據(jù)進行高速下行傳輸時，為避免因速率不適配導(dǎo)致Ka，Ku頻段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重，影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)質(zhì)量，需解決 “高速轉(zhuǎn)低速”流量適配問題。為此，研究異質(zhì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同緩存策略，對高速并發(fā)數(shù)據(jù)流進行降速處理。為滿足多平臺、多時間/空間分辨率的遙感應(yīng)用需求，支持多元化常態(tài)、應(yīng)急遙感業(yè)務(wù)，協(xié)同緩存策略應(yīng)根據(jù)遙感數(shù)據(jù)流速率、星間鏈路狀態(tài)及用戶請求內(nèi)容，在多節(jié)點間協(xié)同分配與更新緩存，并通過多星協(xié)作回傳，實現(xiàn)多級流量適配。

3 結(jié)束語

未來通信網(wǎng)絡(luò)將會不斷地對太赫茲頻段進行探索，擴展尚未使用的太赫茲頻段和亞太赫茲頻段，將地面和空中無線電接入點結(jié)合在一起，實現(xiàn)3D覆蓋[13]。本文介紹了太赫茲頻段給未來通信時代空天地一體化發(fā)展帶來的機遇與挑戰(zhàn)，分析了太赫茲鏈路適用于海量遙感數(shù)據(jù)通信場景，同時介紹了太赫茲鏈路下的相關(guān)接入技術(shù)。未來通信網(wǎng)絡(luò)將會打破信息互聯(lián)互通的壁壘，充分利用太赫茲通信技術(shù)的先進優(yōu)勢及衛(wèi)星通信領(lǐng)域的技術(shù)積累，打造基于太赫茲通信技術(shù)的空間信息走廊，建立太赫茲通信及衛(wèi)星通信互聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，真正實現(xiàn)智連萬物，讓信息在全球每個角落都能自由安全地聯(lián)通。