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隨著第五代通信技術(shù)在全球的商業(yè)部署，太赫茲通信技術(shù)已成為下一代無線通信技術(shù)的重要研究方向。太赫茲波具有大量的絕對帶寬資源和顯著的優(yōu)勢，使其在通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。本文介紹了6G通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和愿景以及太赫茲通信技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，討論了太赫茲通信的關(guān)鍵技術(shù)及潛在應(yīng)用場景，并總結(jié)了目前的研究成果和未來的研究方向。太赫茲通信技術(shù)的進(jìn)一步研究將為邁進(jìn)“太赫茲時代”提供新的思路，為未來的通信網(wǎng)絡(luò)提供更高的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲。
PART
01
太赫茲波的優(yōu)勢
太赫茲波是一種具有大量絕對帶寬資源的無線通信技術(shù)，其傳輸速率高、容量大、安全性高，可以滿足未來通信業(yè)務(wù)對超高數(shù)據(jù)速率和極低延遲的需求。相比于傳統(tǒng)的毫米波和微米波，太赫茲波的頻率更高，因此其傳輸速率和容量也更高。同時，太赫茲波的傳輸距離也更遠(yuǎn)，適用于各種長距離、高速率通信場景。
太赫茲波段提供傳輸速率和帶寬的優(yōu)勢主要可以總結(jié)為以下幾點：
帶寬大：太赫茲波段的帶寬非常寬，比傳統(tǒng)的微波通信高出幾個數(shù)量級。這意味著太赫茲通信可以提供高達(dá)10Gb/s的無線傳輸速率，比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)快幾百甚至上千倍。
傳輸容量大：太赫茲波段的大帶寬使得其能夠支持高速數(shù)據(jù)傳輸，能夠在短時間內(nèi)傳輸大量數(shù)據(jù)。這對于一些需要傳輸大數(shù)據(jù)文件的應(yīng)用場景非常有用，例如高清視頻或醫(yī)學(xué)圖像等。
方向性和波束質(zhì)量：太赫茲波的波束更窄，方向性更好，可以用于更精確的定位。同時，由于波長更短，天線的尺寸可以做得更小，使得其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以做得更加簡單、經(jīng)濟(jì)，甚至能夠?qū)⒃O(shè)備做成納米級別，實現(xiàn)納米級設(shè)備之間的通信。
安全性：太赫茲波的穿透能力強(qiáng)，可以在惡劣環(huán)境如大風(fēng)、沙塵、濃煙等中傳輸數(shù)據(jù)，不易受到干擾和攻擊。此外，太赫茲波的光子能量較低，大概是可見光子能量的1/40，因此使用太赫茲波通信的能量效率更高。同時，由于太赫茲波段的信號傳輸很難被竊聽或干擾，因此它具有更高的安全性。
因此，太赫茲波段在傳輸速率、帶寬、安全性以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等多個方面都具有顯著優(yōu)勢，使其成為未來通信技術(shù)的重要發(fā)展方向之一[1]。
PART
02
國內(nèi)外現(xiàn)狀
自2000年初開始，國外已經(jīng)開始對太赫茲技術(shù)進(jìn)行研究并在實踐中得到應(yīng)用。以下是美國、歐洲和日本的太赫茲通信技術(shù)現(xiàn)狀，以及國內(nèi)重要科研院所的發(fā)展概況。
自2009年起，美國開始大力投入太赫茲關(guān)鍵組件的研制和系統(tǒng)的研發(fā)，主要頻段集中在0.1~1THz，應(yīng)用場景包括移動自組網(wǎng)空間通信、機(jī)載大容量遠(yuǎn)距離通信等。許多研究機(jī)構(gòu)和重要實驗室也積極參與太赫茲技術(shù)的研究，并取得了不錯的成果。在太赫茲固態(tài)電子學(xué)核心器件和模塊方面，美國有一些旗艦型公司，如VDI。美國在推動太赫茲通信和相關(guān)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化方面有兩項標(biāo)志性事件。第一，2018年2月，美國聯(lián)邦通信委員會批準(zhǔn)了一項名為“Spectrum Horizons”的NPRM，開放了未來移動通信應(yīng)用中的95GHz到3THz頻段，鼓勵相關(guān)產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)加入到太赫茲無線移動通信的應(yīng)用研究中，該報告和命令于2020年8月24日由美國國家電信與信息管理機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)正式生效。第二，美國工業(yè)伙伴聯(lián)盟和DARPA共同創(chuàng)建了ComSenTer研究中心和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，開發(fā)太赫茲無線傳輸和感知應(yīng)用技術(shù)。
歐洲太赫茲通信技術(shù)研究主要依靠歐盟框架計劃“Horizon 2020”和“Horizon Europe”。通過這兩個計劃，歐盟投資了至少千萬歐元啟動了多個跨國太赫茲研發(fā)項目，包括WORTECS、EPIC、TERAPAD、ULTRAWAVE、DREAM等。2017年，歐盟基于“地平線歐洲”計劃開始6G通信技術(shù)研發(fā)，網(wǎng)絡(luò)峰值數(shù)據(jù)達(dá)Tbps量級，而超高速太赫茲通信技術(shù)是達(dá)成上述目標(biāo)的核心技術(shù)之一。以德國KIT研究所和Fraunhofer協(xié)會為代表的歐洲科研機(jī)構(gòu)在太赫茲核心器件和光電結(jié)合通信系統(tǒng)方面具有優(yōu)勢，并且啟動了太赫茲通信和傳感協(xié)同發(fā)展的T-KOS項目。
日本政府將太赫茲技術(shù)列為未來十年十大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)首位。2006年，日本電報電話公司NTT完成世界上首例太赫茲通信演示，并在2008年成功用于北京奧運(yùn)會的高清轉(zhuǎn)播。該系統(tǒng)工作頻點120GHz，傳輸距離可達(dá)15公里。目前，NTT正在全力研究0.5~0.6THz高速大容量無線通信系統(tǒng)。以NTT和大阪大學(xué)為代表的日本科研機(jī)構(gòu)在核心光電器件UTC-PD和光-電結(jié)合太赫茲通信系統(tǒng)的研究中占據(jù)領(lǐng)先地位。
雖然中國在太赫茲技術(shù)研究起步稍晚一些，但科技部等多個相關(guān)部委陸續(xù)設(shè)立了太赫茲相關(guān)研究計劃，如“毫米波與太赫茲無線通信技術(shù)開發(fā)”863計劃專項，“太赫茲無線通信技術(shù)與系統(tǒng)”科技部重大專項，“太赫茲核心器件與收發(fā)芯片”國家自然科學(xué)基金委移動網(wǎng)絡(luò)專項等。另一方面，國內(nèi)以高校和研究院所為代表的科研機(jī)構(gòu)也在積極投入太赫茲研究，并以不同形式進(jìn)行了互通協(xié)作，共同推動國內(nèi)太赫茲技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。經(jīng)過十余年的技術(shù)發(fā)展，以電子科技大學(xué)、中國工程物理研究所、中電13所、中科院上海微系統(tǒng)所、天津大學(xué)、湖南大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等眾多高校和科研院所為代表的國家太赫茲相關(guān)研究單位在太赫茲核心關(guān)鍵器件和通信原型系統(tǒng)的開發(fā)上取得了眾多技術(shù)成果，接近或部分達(dá)到了世界先進(jìn)水平。2020年成立了IMT-2030(6G)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟參與單位涵蓋了通信運(yùn)營商、通信設(shè)備供應(yīng)商和主要的高校和科研院所如中國聯(lián)通、華為、上海交大、電子科技大學(xué)、中電集團(tuán)相關(guān)研究所、中物院等相關(guān)科研單位隨著6G研究工作的推進(jìn)和相關(guān)單位的推動太赫茲頻段的感知-通信一體化研究成為太赫茲通信在6G研究中的一個重要主題同時太赫茲遠(yuǎn)程通信和組網(wǎng)是少部分研究院所中電研究所中物院航天研究所電子科技大學(xué)才能參與的一個科研領(lǐng)域國內(nèi)太赫茲通信技術(shù)的研究工作短板在核心芯片器件和模塊方面的性能指標(biāo)[2-7]。
PART
03
太赫茲波的應(yīng)用場景
高速率通信
太赫茲波的高速率和大數(shù)據(jù)容量可以滿足未來通信業(yè)務(wù)對超高數(shù)據(jù)速率和極低延遲的需求。例如，太赫茲波可以應(yīng)用于5G和6G通信網(wǎng)絡(luò)中，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和傳輸速率。由于太赫茲波的傳輸速率非常高，它可以支持多用戶同時在線，提高網(wǎng)絡(luò)容量和效率。
無線寬帶接入
太赫茲波可以作為一種無線寬帶接入技術(shù)，為移動設(shè)備提供高速互聯(lián)網(wǎng)連接。這種技術(shù)適用于各種移動設(shè)備，如手機(jī)、平板、筆記本電腦等。通過太赫茲波的無線寬帶接入技術(shù)，用戶可以隨時隨地享受到高速互聯(lián)網(wǎng)連接，提高網(wǎng)絡(luò)使用體驗。
安全通信
太赫茲波的高傳輸速率和大容量可以用于安全通信領(lǐng)域，如加密通信、防竊聽等方面。由于太赫茲波的頻率較高，其難以被攔截和竊聽，因此可以提供更高級別的安全性。通過太赫茲波的安全通信技術(shù)，用戶可以更加安全地傳輸敏感信息，保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性。
地面通信
太赫茲波具有超大帶寬的頻譜資源，可以支持Tbps量級的峰值通信速率，適合與地面超高速無線通信。適用場景如：（A）超高速無線移動場景，例如全息通信、高質(zhì)量視頻在線會議、增強(qiáng)現(xiàn)實 / 虛擬現(xiàn)實、3D 游戲等；（B）固定無線接入場景；（C）高速無線回傳；（D）無線數(shù)據(jù)中心；（E）數(shù)據(jù)亭下載等。
非地面通信
太赫茲波在外層空間中基本可做到無損傳播，通過極低的功率就可實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸。在天線對準(zhǔn)和跟瞄方面和抗大氣湍流擾動方面，在星地大容量數(shù)據(jù)傳輸場景下太赫茲通信技術(shù)相對于無線激光通信，擁有更大的技術(shù)優(yōu)勢。如果未來太赫茲天線系統(tǒng)可以實現(xiàn)小型化、平面化，太赫茲通信系統(tǒng)可通過搭載衛(wèi)星、無人機(jī)、飛艇等天基平臺和空基平臺，作為無線通信和中繼設(shè)備，應(yīng)用于衛(wèi)星集群間、天地間和千公里以上的星間高速無線通信場景，實現(xiàn)未來的空天地海一體化通信的重要一環(huán)。
微系統(tǒng)通信
太赫茲波長極短，隨著太赫茲通信技術(shù)的持續(xù)突破和發(fā)展，未來有望實現(xiàn)毫、微尺寸甚至是微納尺寸的收發(fā)設(shè)備和組件，在極短距離范圍內(nèi)實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用。
PART
04
太赫茲波的挑戰(zhàn)
雖然太赫茲波具有很多優(yōu)勢，但是在實際應(yīng)用中還存在一些挑戰(zhàn)需要解決。首先，太赫茲波的傳輸距離較短，需要使用中繼器等技術(shù)來增加傳輸距離。其次，太赫茲波的信號容易受到大氣干擾和電磁噪聲等影響，需要加強(qiáng)信號處理和抗干擾技術(shù)的研究。此外，太赫茲波的設(shè)備成本較高，也需要進(jìn)一步降低成本才能廣泛應(yīng)用。
根據(jù)目前室內(nèi)寬帶高速無線通信系統(tǒng)持續(xù)增長的需求，太赫茲波段具備 10 GB/s 以上的通信速率的特點，超高速太赫茲室內(nèi)通信將是最重要的應(yīng)用場景之一，太赫茲波具有很強(qiáng)的方向性，太赫茲信號的傳播路徑很容易被室內(nèi)障礙物阻擋。Salhi 等［8］介紹了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的辦公室、工業(yè)環(huán)境等場景中的寬帶信道傳播信道測量，考慮到現(xiàn)實復(fù)雜環(huán)境對傳播信道的影響，在50~325 GHz范圍內(nèi)，視距無線傳輸（LOS）在以上場景中占主導(dǎo)地位，反射信號是傳播過程中不可忽略的一部分。Ma 等［9］提出太赫茲頻段智能反射面（IRS）以緩解室內(nèi)覆蓋問題，如圖 2（b）所示，通過調(diào)整 IRS 元件的離散相移重新配置電磁波的傳播，實現(xiàn)接近最優(yōu)的覆蓋性能，降低了計算負(fù)擔(dān)。在沒有 IRS 的傳統(tǒng)通信方案的情況下，如圖2（a）所示，太赫茲信號的功率分布差距明顯，傳輸功率被設(shè)定為100 dBm，由于太赫茲波的路徑損耗極高，給定用戶的接收功率約為?67.35dBm，該用戶幾乎無法接收太赫茲信號。在 IRS 增強(qiáng)的通信方案中，該用戶在房間角落的接收功率高達(dá)?4.76 dBm，可以實現(xiàn)更好的覆蓋性能。一旦 IRS 解決了高頻通信中存在的覆蓋問題，太赫茲通信系統(tǒng)將為未來6G室內(nèi)通信場景鋪平道路。
PART
05
未來展望
隨著6G通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，太赫茲波的應(yīng)用前景也越來越廣闊。未來，我們相信太赫茲波將會成為6G通信網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一，為人們的生活帶來更多便利和安全。同時，太赫茲波也將會與其他無線通信技術(shù)相結(jié)合，形成更加高效和安全的通信網(wǎng)絡(luò)。我們期待著太赫茲波在未來的應(yīng)用和發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
李麗,葛宏義,蔣玉英,等.太赫茲波在6G通信網(wǎng)絡(luò)中的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2022, 59(13):10.DOI:10.3788/LOP202259.1300007.
太赫茲通信技術(shù)研究報告
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文章來源：遠(yuǎn)大恒通
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