馬靜艷 李福昌 張忠皓 高 帥

中國聯(lián)通研究院 北京 100048

引言

2019年隨著全球5G商用化進程加快，國際各區(qū)域和研究組織已紛紛開啟下一代通信技術(shù)研究。太赫茲波段以其豐富的頻譜資源和獨有特性，受到學(xué)術(shù)界的熱烈關(guān)注，也受到歐、美、日等國家區(qū)域和組織的高度重視，成為極具潛力的6G無線候選技術(shù)。

太赫茲是指頻段在0.1～10THz之間，波長在30um～3000um之間的電磁波，該頻段電磁波位于微波波段和可見光波段之間，低頻段部分與毫米波段有部分重合。太赫茲通信可支持超大帶寬超高速率通信傳輸，但太赫茲波路徑損耗較大，且穿透和繞射能力較差，易被建筑物和物體遮擋，因此太赫茲通信具有大帶寬、超高速、短距、安全等應(yīng)用特點，可用于超寬帶無線接入、安全保密通信等應(yīng)用場景，另外也有可能與高精度定位和3D成像感知等應(yīng)用實現(xiàn)技術(shù)融合，應(yīng)用于多種未來通信場景[1]。

國際各區(qū)域和研究組織已較早啟動了太赫茲通信技術(shù)相關(guān)的研究計劃，并取得了眾多研究進展[2-13]。但目前研究成果多偏向于系統(tǒng)傳輸能力的驗證，信道建模及空口設(shè)計方面涉及較少。太赫茲通信技術(shù)仍面臨較多亟待發(fā)展和突破的關(guān)鍵技術(shù)方向，本文將針對太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)展開探討，有助于厘清和明確太赫茲通信未來產(chǎn)業(yè)推進和技術(shù)攻關(guān)的突破方向。

1 太赫茲通信系統(tǒng)關(guān)鍵器件

1.1 太赫茲通信鏈路調(diào)制技術(shù)

太赫茲通信原型系統(tǒng)的鏈路調(diào)制方式目前主要有兩種不同架構(gòu)。一種是光電結(jié)合的方案[13]，利用光學(xué)外差法產(chǎn)生頻率為兩束光頻率之差的太赫茲信號，如圖1所示。太赫茲通信原型系統(tǒng)光電調(diào)制方案的優(yōu)點是傳輸速率高，缺點是發(fā)射功率低、系統(tǒng)體積大、能耗高，適用于地面短距離高速通信方面，較難用于遠距離通信。

圖1 光電調(diào)制方案示意圖

另一種太赫茲通信鏈路是與微波無線鏈路類似的全固態(tài)電子鏈路[13]，利用混頻器將基帶或中頻調(diào)制信號上變頻搬頻到太赫茲頻段，如圖2所示。太赫茲通信原型系統(tǒng)全固態(tài)電子混頻調(diào)制方案采用全電子學(xué)的鏈路器件，該類型方案的優(yōu)點射頻前端易集成和小型化，功耗較低，但是發(fā)射功率也較低，本振源經(jīng)過多次倍頻后相噪惡化，且變頻損耗大，載波信號的輸出功率在微瓦級，該類系統(tǒng)也需要進一步發(fā)展高增益寬頻帶功率。

圖2 全固態(tài)電子混頻方案示意圖

1.2 太赫茲關(guān)鍵器件

太赫茲通信的關(guān)鍵器件/芯片/組件是目前太赫茲通信發(fā)展的核心與關(guān)鍵所在，國內(nèi)外都高度重視太赫茲關(guān)鍵器件與芯片的研究。根據(jù)通信功能模塊的不同，目前與通信設(shè)備相關(guān)的太赫茲全電子鏈路的關(guān)鍵器件主要包括太赫茲發(fā)射源、倍頻器件/混頻器、功放/低噪放、調(diào)制解調(diào)器等，材料工藝一般為CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)、SiGe(鍺硅)、GaAs(砷化鎵)、GaN(氮化鎵)、InP(磷化銦)等[14]。

目前太赫茲通信全固態(tài)電子鏈路各類型關(guān)鍵器件已經(jīng)在多個通信原型系統(tǒng)的無線傳輸能力試驗中得到應(yīng)用，器件功能已得到有效驗證，但也存在一些性能方面的不足。比如由于工作帶寬大導(dǎo)致收發(fā)鏈路相噪指標惡化且變頻損耗較大等原因，關(guān)鍵器件的功率和效率較低(遠小于1%)。面向?qū)嶋H應(yīng)用，除了需要不斷優(yōu)化和提升器件性能外，還需要解決小型化和低成本的問題，因此關(guān)鍵分立元器件的研制需要向太赫茲收發(fā)前端的集成化、芯片化方向進化。

1.3 太赫茲天線

太赫茲頻段天線可能需要支持小到2GHz、大到10GHz以上的工作帶寬，目前公布的太赫茲原型系統(tǒng)研發(fā)成果多采用喇叭天線或拋物面天線，這些天線可提供其中心頻率10%的輻射帶寬。而且為保證發(fā)射功率，目前全電子太赫茲原型系統(tǒng)中使用的太赫茲天線體積較大，不適合用于集成陣列天線和移動通信。

基于太赫茲通信的未來的應(yīng)用愿景，太赫茲頻段通信需要超寬帶天線以及超大規(guī)模天線陣列來克服太赫茲頻帶中高路徑損耗。超寬帶、小型化、集成化太赫茲天線陣列的實現(xiàn)，也是未來面向?qū)嶋H場景應(yīng)用時，太赫茲通信系統(tǒng)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一。從目前學(xué)術(shù)界的研究進展看，納米材料和石墨烯等超材料有較高潛力應(yīng)用于未來的太赫茲天線技術(shù)[15]，用以實現(xiàn)超大規(guī)模超寬帶太赫茲天線陣列的小型化和集成化，如圖3所示。

圖3 基于石墨烯的等離子體太赫茲波段天線

1.4 超寬帶采樣和高速基帶處理芯片

除了上述倍頻器、混頻器等太赫茲模擬器件外，超大帶寬數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和高速基帶處理硬件也是實現(xiàn)太赫茲通信系統(tǒng)的關(guān)鍵芯片和功能模塊。目前5G設(shè)備主要采用時間交織方案來實現(xiàn)大寬帶采樣速率需求，存在硬件成本較高和功耗較大的問題。太赫茲頻段較高，可用頻段的窗口頻率多在幾十GHz，目前的太赫茲通信原型收發(fā)驗證系統(tǒng)的工作帶寬多在GHz量級(＞2GHz)，未來太赫茲通信系統(tǒng)的工作帶寬預(yù)計也會遠大于5G的高頻毫米波段設(shè)備(400MHz/800MHz)，當前采樣芯片能力難以滿足高達幾十GHz的帶寬需求。而超大帶寬也往往意味著基帶處理復(fù)雜度和運算資源需求都大大增加，給基帶芯片帶來更大的功耗和成本壓力。

面臨上述問題，技術(shù)路線一是研發(fā)更高采樣速率、低成本、低功耗的超大帶寬數(shù)模轉(zhuǎn)化芯片；技術(shù)路線二是研究低量化精度信號處理系統(tǒng)，比如比特量化與信號算法的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，聯(lián)合自適應(yīng)量化門限單比特解調(diào)優(yōu)化等。未來太赫茲通信系統(tǒng)的實現(xiàn)可能需要兩種技術(shù)路線的綜合應(yīng)用。

2 太赫茲傳播特性及信道建模

2.1 太赫茲波傳播特性

2.1.1 太赫茲波大氣傳播特性分析

在外層空間，太赫茲可以進行無損傳輸，用較小功率實現(xiàn)遠距離通信。但在大氣環(huán)境下，高自由空間損耗以及大氣效應(yīng)引起的額外衰減是一個巨大挑戰(zhàn)。太赫茲的大氣頻率衰減譜可以使用多種衰減模型進行評估，包括MPM模型[16]、AM模型[17]和ITU-R P.676-10模型[18]等。

圖4為使用ITU-R P.676-10模型[18]的太赫茲波在晴朗天氣下的頻率衰減譜，頻率范圍為0.001～1THz.。可以看到，太赫茲波在大氣中的傳播衰減率隨著頻率增加呈現(xiàn)指數(shù)增加的趨勢，超過1THz的太赫茲頻段衰減過大，不適于應(yīng)用于無線通信傳輸；在300GHz以下頻段，太赫茲波的大氣衰減低于10dB/km，相對較低，可以考慮作為無線通信載波。此外，由于受到水蒸氣、氧氣分子的影響，太赫茲波在長距離傳輸易出現(xiàn)分子共振效應(yīng)，導(dǎo)致?lián)p耗急劇增大，所以圖4中A-J各頻點處呈現(xiàn)明顯的波峰。因此太赫茲室外無線傳輸系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)選擇合適的頻率窗口進行傳輸[19]。

圖4 0.001～1THz頻段電磁波大氣衰減損耗

2.1.2 太赫茲波雨天傳播特性分析

太赫茲波在室外傳播時，傳播損耗易受到雨水衰減的影響，雨衰的大小與雨滴的直徑有關(guān)，因此雨滴大小的分布是監(jiān)測降雨以及預(yù)測雨衰的重要因素。在ITU-R II.838-3雨衰模型[20]中計算了信號的衰減隨著降雨速率、信號頻率、偏振度等因素的變化函數(shù)。圖5展示了不同頻率電磁波在多種雨天環(huán)境下的損耗[21]，10GHz～120GHz的雨衰隨著頻率遞增，超過300GHz(1THz以下)，雨衰會隨頻率遞減，但仍維持較高的損耗水平，雨水吸收衰減將會使得太赫茲波應(yīng)用于室外無線通信時面臨較大挑戰(zhàn)。

圖5 不同頻率電磁波在雨天的損耗

2.1.3 不同天氣太赫茲波傳播特性對比

在自由空間中采用自由空間損耗計算公式[21]描述太赫茲波的鏈路損耗，如下式所示：

圖6顯示了參考距離為1km時，不同頻段電磁波在晴朗天氣、多雨天氣、以及疊加自由空間損耗的晴天和雨天環(huán)境中的鏈路損耗對比，所考慮的晴天和雨天兩個場景分別代表最佳和最差的環(huán)境條件。可以看到，50mm/h的降雨速率會導(dǎo)致最大的衰減值，通常來說該環(huán)境是未來太赫茲通信系統(tǒng)運行的極限情況[22]。

圖6 不同頻段在晴朗天氣與雨天場景的損耗圖

2.2 太赫茲信道建模

太赫茲信道模型建模方法一般有參數(shù)化統(tǒng)計信道建模、確定性信道建模和參數(shù)化半確定性建模等三種類型：

統(tǒng)計信道建模方法。該類方法基于典型場景的實測結(jié)果，無需地圖信息，復(fù)雜度低，多用于系統(tǒng)仿真和鏈路級仿真，標準化成熟度高，是3GPP標準化建模方法，適用于于5G移動通信。

確定性信道建模方法主要通過導(dǎo)入目標場景的地圖模型，利用射線追蹤(Ray Tracing)技術(shù)[23]，對電磁傳播中譬如直射、透射、反射、衍射等主要物理現(xiàn)象，進行傳播環(huán)境精確重構(gòu)和確定性計算，得到了構(gòu)成實際傳播的主導(dǎo)分量(Dominant Ray)的確定性結(jié)果。該類方法準確度高，計算復(fù)雜度高。

參數(shù)化半確定性建模方法將關(guān)鍵多徑分量用確定性模型計算，其余豐富的多徑通過統(tǒng)計學(xué)方法計算，該類建模方法準確度較高，計算復(fù)雜程度與射線追蹤方法比相對較低。

太赫茲波衰減較大，多徑少，且趨于光學(xué)特性，信道傳播路徑稀疏性較強，未來太赫茲頻段可能更適合使用確定性信道建模或參數(shù)化半確定性信道建模方法[24]。無論是哪種類型的建模方法，都需要以大量的信道實測試驗為基礎(chǔ)。但目前尚未有針對全面的應(yīng)用場景、支持太赫茲全頻段的充分實測數(shù)據(jù)支撐的太赫茲信道建模工作。

對太赫茲波傳播特性的分析和信道的準確建模是提高頻譜利用效率，實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署的前提，也是實現(xiàn)太赫茲通信技術(shù)有效應(yīng)用的前提，因此太赫茲傳播特性和信道建模是太赫茲通信亟待深入研究和進行廣泛測試驗證的基礎(chǔ)技術(shù)方向。

3 太赫茲通信空口設(shè)計

3.1 超大規(guī)模陣列天線

與5G高頻使用的毫米波段相比，太赫茲信號頻段更高，空間傳播損耗和穿透損耗也明顯變大?；谕ㄐ鸥采w的需求，多數(shù)大尺度通信應(yīng)用場景下，太赫茲通信設(shè)備較大可能會繼續(xù)采取一體化超大規(guī)模天線陣列方案，用以保證發(fā)射和接收增益，實現(xiàn)有效通信。太赫茲通信超大規(guī)模天線技術(shù)涵蓋的技術(shù)內(nèi)容與5G大規(guī)模天線技術(shù)之間存在較強的演進關(guān)系，包括信道建模、多天線傳輸方案、參考信號設(shè)計，信道狀態(tài)估計、Massive MIMO混合預(yù)編碼、模擬波束管理以及波束協(xié)作技術(shù)等。太赫茲通信系統(tǒng)超大規(guī)模天線陣列技術(shù)既需要考慮已有相關(guān)技術(shù)的持續(xù)演進與優(yōu)化，又因工作頻段、帶寬和天線陣列規(guī)模大小不同面臨新的技術(shù)問題與挑戰(zhàn)。

太赫茲電磁波的繞射能力非常差，在遮擋時很難實現(xiàn)可靠的通信，因此需要考慮分布式接入節(jié)點以及新型反射體/反射材料的部署來改善信道狀況，太赫茲天線陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個重要的研究方向。

由于傳播損耗較大，基于增益需求，太赫茲通信設(shè)備可能從接入階段就需要使用窄波束才能夠建立通信。大量窄波束意味著極大的導(dǎo)頻(包括同步信號)開銷、搜索復(fù)雜度和波束訓(xùn)練延遲，需要對現(xiàn)有的波束訓(xùn)練機制進行優(yōu)化，對空間稀疏特性進行更充分的利用。該方向研究可以結(jié)合大規(guī)模太赫茲天線陣列高角度分辨率和高多普勒頻移信息的利用，將定位技術(shù)和太赫茲窄波束通信互相輔助結(jié)合保證性能的有效性。

此外，陣列實現(xiàn)架構(gòu)設(shè)計、波束賦形對病態(tài)信道信息的魯棒性等是超大規(guī)模天線陣列可能引入的待探討問題。超大帶寬的大規(guī)?；旌腺x形陣列校準技術(shù)，對系統(tǒng)誤差具有魯棒性的波束賦形算法，設(shè)計對系統(tǒng)誤差具有檢測和容錯機制的波束管理方案等技術(shù)研究，對太赫茲通信應(yīng)用都具有重要意義。

3.2 太赫茲通信物理層設(shè)計

太赫茲高頻通信的多種應(yīng)用優(yōu)勢，包括超大帶寬、超高速率等，需要通過對幀結(jié)構(gòu)、波形調(diào)制和調(diào)制編碼等物理層相關(guān)技術(shù)設(shè)計來保證和體現(xiàn)。面向6G的高頻通信空口設(shè)計將會成為承載6G通信技術(shù)特征和優(yōu)勢的核心關(guān)鍵技術(shù)。

業(yè)界目前對于太赫茲物理層的空口設(shè)計研究思路主要有兩個方向。一個研究思路是沿用4G/5G時代的OFDM波性調(diào)制方式繼續(xù)向前演進，該方向目前提出的方案多是在5G技術(shù)研究時期就提出但未實現(xiàn)標準化的理論設(shè)計。該方向技術(shù)方案的優(yōu)點是相關(guān)設(shè)計和技術(shù)標準化可以實現(xiàn)平滑演進，但同時需要解決高頻系統(tǒng)應(yīng)用帶來的一些非理想因素導(dǎo)致的性能惡化問題，包括硬件鏈路相噪、變頻損耗等問題，此外也需要考慮到大帶寬帶來的基帶運算資源和復(fù)雜度的問題。上述問題可能會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低，嚴重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效。

另一條研究思路是面向6G技術(shù)的新型波形設(shè)計和幀結(jié)構(gòu)參數(shù)集設(shè)計。目前該方向提出的方案多為針對分離技術(shù)點的孤立討論，例如針對高頻通信系統(tǒng)鏈路存在的一些非理想特性，例如相位噪聲、高路損、在變頻損耗較大、采樣帶寬受限、基帶處理功耗大等，提出的空口設(shè)計和算法補償方案。該類方法盡管在局部技術(shù)點上可以應(yīng)對和改善系統(tǒng)的一些非理想特性，但是方案多會導(dǎo)致系統(tǒng)整體頻譜效率降低。且復(fù)雜的算法補償方案也會導(dǎo)致運算資源負擔的增長，對整體系統(tǒng)的能效影響缺乏量化對比，利弊難分。

整體上，目前該技術(shù)發(fā)展方向尚未出現(xiàn)得到業(yè)界廣泛認可的能夠全面支撐系統(tǒng)性空口設(shè)計體系的革命性設(shè)計理論和技術(shù)方案。基于此，現(xiàn)階段該方向的研究工作開展思路建議先盡量沿用5G標準化設(shè)計進行適配的大帶寬的物理層設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上進行離散技術(shù)點的“6G化物理層設(shè)計”與性能評估驗證，由易到難，由點及面，逐步形成完整的6G高頻通信物理層技術(shù)方案。

3.3 太赫茲通信資源調(diào)度管理

太赫茲頻率具有超大帶寬資源可供利用，太赫茲頻譜的許可、使用、管理與經(jīng)營方式相對傳統(tǒng)低頻段頻譜將可能發(fā)生很大的變化。太赫茲頻譜應(yīng)用會是獨占式的許可頻譜，非獨占方式的非許可、頻譜接入共享，還是地區(qū)或應(yīng)用特定的微許可，以及將蜂窩無線接入與前傳/回傳頻譜共享的IAB(Integrated Access Backhaul，接入回傳一體化)方式，都將給太赫茲通信的頻譜資源管理帶來挑戰(zhàn)[14]。

合理的資源分配與調(diào)度技術(shù)方案對于寬帶系統(tǒng)頻率利用效率的提升、多用戶調(diào)度增益的體現(xiàn)以及干擾的管理與抑制都具有極為重要的作用。對于帶寬資源極為豐富的太赫茲系統(tǒng)而言，對無線資源應(yīng)用的靈活度得以極大的提升，而如何在廣闊的可用資源中以合理的計算復(fù)雜度進行資源分配和調(diào)度以進一步優(yōu)化和提升整體系統(tǒng)效能，也將會是一個巨大的挑戰(zhàn)。

可以預(yù)期的是，未來太赫茲通信空口技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計應(yīng)該具有足夠的靈活性，可以支持頻譜和帶寬資源的動態(tài)配置、波束接入的智能管理，以及高低頻、空天地多維度、宏觀到微觀多尺度的空口協(xié)同和信息融合，支持覆蓋多種太赫茲通信應(yīng)用場景。未來空口設(shè)計方案需要具有上述能力和特點才能適配6G太赫茲通信的技術(shù)特征和優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

目前6G技術(shù)研究仍處于探索起步階段，技術(shù)路線尚不明確，需要產(chǎn)業(yè)界共同參與研究，積極探討，逐步厘清未來太赫茲通信空口技術(shù)路線和發(fā)展方向。未來社會和產(chǎn)業(yè)信息交互都會對通信網(wǎng)絡(luò)提出更大帶寬、更高速率、更加多樣化的通信能力和業(yè)務(wù)需求，太赫茲擁有超大帶寬資源，可以滿足和適應(yīng)未來通信更高速率和差異化業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求。盡管現(xiàn)階段太赫茲通信的發(fā)展面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷突破和高頻太赫茲器件產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，太赫茲將憑借其豐富的頻率帶寬資源等天然優(yōu)勢，與其他低頻段網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)，廣泛應(yīng)用于多維度多尺度通信場景，作為未來B5G/6G通信的重要支撐技術(shù)，成為未來社會信息融合聯(lián)接的重要組成部分。