B5G毫米波和太赫茲技術(shù)的背景、 應(yīng)用和挑戰(zhàn)

彭琳 段亞娟 別業(yè)楠

摘要：認(rèn)為在后5G（B5G）和6G時(shí)代，毫米波和太赫茲通信在地面無線移動(dòng)通信及空間通信中都將發(fā)揮重要作用。從發(fā)展的預(yù)期來看，B5G將擴(kuò)展到毫米波高端頻譜，而6G將擴(kuò)展到太赫茲頻段。要將高頻毫米波和太赫茲通信推向?qū)嶋H部署，還需要解決射頻器件、天線、信號(hào)處理復(fù)雜度、空間信道建模、組網(wǎng)的一系列關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：毫米波通信;太赫茲通信;未來移動(dòng)通;B5G

Abstract： In Beyond 5G （B5G） and 6G era， the millimeter wave and terahertz communication will play an important role in wireless mobile communication and space communication. B5G will extend to the high-end millimeter wave spectrum and 6G will extend to terahertz frequencies. To push the millimeter wave and terahertz communication to actual deployment， it still need to face many key challenges in radio frequency （RF） devices， antenna， signal processing complexity， space channel modeling and networking.

Key words： millimeter wave communication; terahertz communication; future mobile communication; B5G

1 技術(shù)背景

隨著無線通信的快速發(fā)展，頻率在30 GHz以下的無線電波已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用;但是各種信息終端的大量涌現(xiàn)，使得無線數(shù)據(jù)速率每18個(gè)月就翻一番[1]，無線通信系統(tǒng)呈現(xiàn)出超高數(shù)據(jù)速率的爆炸性增長趨勢(shì)。雖然5G接入的峰值速率為1～20 Gbit/s，但仍不能滿足未來無線通信中日益增長的數(shù)據(jù)流量要求。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備的最小數(shù)據(jù)速率將達(dá)到10 Gbit/s。此外，無壓縮的超高清視頻和3D視頻的數(shù)據(jù)速率將分別達(dá)到24 Gbit/s和100 Gbit/s[2]。要達(dá)到更高的信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率，根據(jù)香農(nóng)定理，在當(dāng)前常規(guī)頻段帶寬受限條件，可以通過努力進(jìn)行改進(jìn)。但如果要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到100 Gbit/s甚至1 Tbit/s，改進(jìn)仍然是不切實(shí)際或者代價(jià)巨大的。為了更好地解決這一問題，需要探索新的頻段。

毫米波和太赫茲波，是一種介于無線電與光之間的電磁波。從30 GHz到3 THz的頻率仍然沒有得到充分利用。毫米波和亞太赫茲頻段的大氣衰減特性如圖1所示[4]，存在一些寬頻帶的“大氣窗口”，具有較低的大氣衰減。如果能保證這個(gè)范圍內(nèi)的寬頻帶，就有可能使用高階調(diào)制以超過100 Gbit/s的速度進(jìn)行高速無線通信[3]。隨著5G的逐步商用落地，業(yè)界也將越來越多關(guān)注毫米波和太赫茲頻段。

2 技術(shù)發(fā)展

5G定義了增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、超可靠低時(shí)延（uRLLC）、海量機(jī)器類通信（mMTC）3大場景。其中eMBB場景針對(duì)速率的提升，主要應(yīng)對(duì)集城區(qū)、室內(nèi)熱點(diǎn)等大流量場景;uRLLC場景針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的降低，主要應(yīng)用于無人駕駛、智能工廠等低時(shí)延場景;mMTC場景針對(duì)海量大連接，對(duì)應(yīng)的是物聯(lián)網(wǎng)等海量機(jī)器類通信的場景。5G頻率涵蓋低、中、高頻段：6 GHz以下的中、低頻段覆蓋能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)覆蓋，滿足uRLLC場景和mMTC通信場景;6 GHz以上的高頻段擁有連續(xù)大帶寬，滿足eMBB場景，如圖2[5]所示。

全球5G頻率規(guī)劃工作主要在國際電信聯(lián)盟（ITU）、第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的框架下開展。面對(duì)2020年后國際移動(dòng)通信（IMT）系統(tǒng)對(duì)頻譜資源需求的激增，2019年即將舉行的世界無線電通信大會(huì)（WRC-19）專設(shè)1.13議題，在24.25～86 GHz頻率范圍的若干個(gè)候選頻段中為5G尋找新增頻段，并在ITU-R第5研究組特設(shè)了TG 5/1工作組專門負(fù)責(zé)該議題的研究。目前最可能優(yōu)先部署26 GHz/28 GHz/39 GHz，同時(shí)隨著3GPP R15定義eMBB與固定無線接入（FWA）業(yè)務(wù)后，毫米波產(chǎn)業(yè)鏈也迅速被催熟。3GPP R17還將研究52.6～114.25 GHz頻段。

針對(duì)下一代通信演進(jìn)，100 GHz～3 THz之間的太赫茲頻段的研究也引起越來越多的關(guān)注。日本也將開發(fā)太赫茲技術(shù)列為“國家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。日本NTT早在2006年在國際上首次研制出0.12 THz無線通信樣機(jī)，并于2008年北京奧運(yùn)會(huì)上成功用于高清轉(zhuǎn)播[6]，目前正在全力研究 0.5～0.6 THz 高速率大容量無線通信系統(tǒng)。日本總務(wù)省規(guī)劃將在2020年東京奧運(yùn)會(huì)上采用太赫茲通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)100 Gbit/s高速無線局域網(wǎng)服務(wù)[4]。歐盟已將發(fā)展太赫茲通信列為了6G 研究計(jì)劃。ITU在WRC-19大會(huì)專設(shè)議題 1.15，以確定運(yùn)行在275 GHz以上頻段的陸地移動(dòng)和固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)與操作特性，包括研究相關(guān)頻譜需求、建立 0.275～0.475 THz 頻段范圍內(nèi)的傳播模型、開展業(yè)務(wù)間電磁兼容分析、確定候選頻段等。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）于2019年3月正式開放面向未來6G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的“太赫茲頻譜”，實(shí)驗(yàn)頻譜范圍為95 GHz～3 THz。

3 應(yīng)用場景

3.1 無線移動(dòng)通信

高頻毫米波、太赫茲頻段有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)幾十吉比特每秒甚至太比特每秒的數(shù)據(jù)速率。從無線通信的發(fā)展趨勢(shì)來看，高頻毫米波、太赫茲無線通信系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，具體的覆蓋場景如圖3所示。

目前，中興通訊26 GHz 毫米波基站有源天線單元（AAU）產(chǎn)品已經(jīng)全面支持上述場景;但到了更高的毫米波、太赫茲波段，由于傳輸損耗及水汽影響和當(dāng)前器件輸出功率發(fā)展的限制，我們認(rèn)為高頻毫米波、太赫茲無線通信的發(fā)展需要經(jīng)過先提升速率后提升覆蓋距離的過程。最先可能廣泛應(yīng)用于室內(nèi)應(yīng)用場景，包括室內(nèi)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)（WLAN）、無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）[7]。對(duì)于WPAN系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)手機(jī)、筆記本電腦、耳機(jī)等桌面設(shè)備的特定應(yīng)用。對(duì)于室內(nèi)蜂窩網(wǎng)和WLAN系統(tǒng)，我們認(rèn)為可以在高/地鐵站、機(jī)場、辦公場所等人流密集的開闊型室內(nèi)場所部署。與采用低頻段室內(nèi)覆蓋不同，高頻毫米波 、太赫茲天線能夠用窄波束同時(shí)向不同方向的多用戶傳輸信息。超高的數(shù)據(jù)速率和超低延時(shí)技術(shù)將支持用戶在室內(nèi)體驗(yàn)高品質(zhì)的視頻服務(wù)。尤其目前虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的發(fā)展受到低數(shù)據(jù)速度無線通信的嚴(yán)重限制，毫米波、太赫茲帶寬應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)后，無線VR技術(shù)將帶來比有線VR系統(tǒng)更好的用戶體驗(yàn)，將推動(dòng)各種現(xiàn)實(shí)（XR）技術(shù)進(jìn)一步快速發(fā)展。

3.2 空間通信網(wǎng)絡(luò)

隨著通信技術(shù)的演進(jìn)，無所不在的網(wǎng)絡(luò)是未來網(wǎng)絡(luò)的重要特征，其中一個(gè)重要途徑是對(duì)空間通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及與地面網(wǎng)絡(luò)的融合。為了滿足空間通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，新的頻譜需要提供極高的數(shù)據(jù)速率傳輸。毫米波、太赫茲信號(hào)的高大氣衰減大大縮短了地面通信系統(tǒng)的通信距離和傳輸速率;但與地面上的毫米波、太赫茲通信相反，在無大氣環(huán)境中的空間應(yīng)用則可不受大氣衰減的影響，這對(duì)毫米波、太赫茲波段的空間通信是非常重要的。基于毫米波、太赫茲的衛(wèi)星通信可用于星地間骨干鏈路、星間骨干鏈路、星-浮空平臺(tái)間鏈路、星-飛行器間鏈路、飛行器/浮空平臺(tái)與地面間鏈路，實(shí)現(xiàn)大容量信息傳輸[8]。此外，還有一個(gè)太赫茲的特殊應(yīng)用例子：當(dāng)高速飛行器飛進(jìn)大氣層后，由于激波產(chǎn)生高溫使空氣電離，并形成一個(gè)等離子體鞘包裹在飛行器外部。通常等離子體鞘頻率在60～70 GHz左右，傳統(tǒng)的測量和通信方法難以穿透等離子體鞘層。然而，太赫茲波頻率遠(yuǎn)高于等離子體鞘層頻率，可以穿透等離子體鞘層對(duì)飛行器進(jìn)行通信和測量。

4 關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

4.1 毫米波/太赫茲射頻器件

在未來的毫米波、太赫茲波段通信中，射頻器件在硬件電路方面存在一些挑戰(zhàn)。

（1）器件建模。隨著半導(dǎo)體器件工作頻率達(dá)到太赫茲頻段，半導(dǎo)體材料的影響和器件封裝在高頻頻段的分布參數(shù)效應(yīng)越來越突出。非線性模型的交流和半導(dǎo)體器件的參數(shù)提取直接影響電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能的確定;因此，利用一些新穎的設(shè)計(jì)方法來獲得半導(dǎo)體器件的精確參數(shù)對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)具有重要意義。

（2）太赫茲調(diào)制器。作為太赫茲電路的核心部件，根據(jù)電路實(shí)現(xiàn)方式可分為混頻調(diào)制和直接調(diào)制，其中混頻調(diào)制器可以支持高階調(diào)制方式，可以大大提高頻率譜利用率，實(shí)現(xiàn)較高的傳輸速率，但缺點(diǎn)是目前本振倍頻相噪惡化和變頻損耗大;直接調(diào)制器能實(shí)現(xiàn)太赫茲波幅度和相位的直接調(diào)制，可靈活搭配中高功率太赫茲源，是實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離無線通信的有效途徑，已成為近年來研究的熱點(diǎn)，但目前直接調(diào)制器的調(diào)制速率和深度還有待提高。

（3）毫米波/太赫茲系統(tǒng)芯片集成的挑戰(zhàn)。在高頻毫米波、太赫茲頻段，由于不同半導(dǎo)體工藝特征頻率（ft）的存在不同如表1，要融合多種工藝（如硅基工藝和III-V基工藝等）各自獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高集成度、高性能、多功能的單片電路，異質(zhì)集成電路技術(shù)的研究具有重要意義。近期隨著硅基工藝能力不斷提升，截止頻率也在提升;目前看功率放大器（PA）適合用氮化鎵（GaN）工藝，RX適合用磷化銦（InP）工藝，單片集成電路可以用異質(zhì)集成方式來實(shí)現(xiàn)。

（4）太赫茲芯片封裝的挑戰(zhàn)。由于電感電抗的存在，隨著工作頻率的增加，傳統(tǒng)的鍵合線通過射頻信號(hào)變得損耗難以接受;因此，必須開發(fā)一種用于射頻信號(hào)輸入和輸出的低損耗方法。

4.2 毫米波/太赫茲天線

高頻毫米波、太赫茲頻段，為了補(bǔ)償比低頻更加明顯的大氣衰減，需要采用高增益天線來補(bǔ)償。雖然在高精度機(jī)械加工的基礎(chǔ)上，應(yīng)用傳統(tǒng)的卡塞格倫天線和拋物面天線，可以實(shí)現(xiàn)60 dB以上的高增益天線。然而，B5G/6G移動(dòng)通信系統(tǒng)的集成度和小型化是重要的考量，需要更小的微型天線，如平面貼片天線陣。在毫米波、太赫茲移動(dòng)通信應(yīng)用中，需要快速波束掃描、跟蹤、切換等波束管理和多用戶賦形，這類天線應(yīng)具有高增益和快速的波束掃描功能，波束成型芯片和陣列天線是關(guān)鍵器件。因此，研究高性能的平面多功能天線陣列毫米波系統(tǒng)，支持不同的應(yīng)用場景應(yīng)用，是一項(xiàng)十分重要的工作。

4.3 超寬帶低復(fù)雜度信號(hào)處理

在B5G/6G時(shí)代中，毫米波、太赫茲通信有望使得100 Gbit/s甚至1 Tbit/s的高速通信成為可能，這要求模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣率隨著通信帶寬的增大而增大。然而，要制造出滿足低功耗、小尺寸和高帶寬要求的ADC越來越困難。例如，高速（如≥10 G Sample/s）和高精度（如≥12位）ADC實(shí)現(xiàn)難度大，過于昂貴且功耗大。為了解決這一問題，采用低分辨率ADC進(jìn)行量化和ADC時(shí)間交織技術(shù)都是值得研究的方向。

4.4 空間信道模型

在無線通信系統(tǒng)中，建立有效的信道模型對(duì)最大化帶寬分配，提高頻譜效率至關(guān)重要。常見的太赫茲波傳播模型可以由視距（LOS）和非視距（NLOS）2種波傳播模型組成。太赫茲信道的移動(dòng)性，至少對(duì)于未來的應(yīng)用來說，仍然是一個(gè)值得進(jìn)一步探索的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。由于混合波束形成結(jié)構(gòu)和大量天線的存在，太赫茲通信系統(tǒng)的信道估計(jì)面臨著很大的挑戰(zhàn)。由于用戶的移動(dòng)性往往導(dǎo)致太赫茲波信道變化較快，基站（BS）獲取準(zhǔn)確的太核資波信道信息也具有一定的挑戰(zhàn)性。因此，需要更有效的信道估計(jì)方案來利用時(shí)變信道的時(shí)間相關(guān)性。

4.5 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)和空口的優(yōu)化

未來，隨著高頻毫米波、太赫茲技術(shù)在不同通信場景中的廣泛應(yīng)用，毫米波、太赫茲環(huán)境下的無線通信組網(wǎng)必將成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)目前的研究，與低頻段相比，高頻毫米波、太赫茲頻段的波束相對(duì)較窄，波束的覆蓋范圍有限，且性能易受障礙物、路損，以及天氣變化影響;因此，由全向天線實(shí)現(xiàn)的全向組網(wǎng)技術(shù)不能滿足快速查找網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、完成全向組網(wǎng)和節(jié)約系統(tǒng)能耗的要求。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，需要進(jìn)一步研究無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（MESH）與多跳組網(wǎng)、點(diǎn)到多點(diǎn)、終端合作、靈活雙工與接入、分布式和或網(wǎng)絡(luò)多輸入多輸出（MIMO）及人工智能（AI）網(wǎng)優(yōu)等新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)來提升B5G的網(wǎng)絡(luò)性能、效率與靈活性。

4.6 空口與高頻段組合技術(shù)

（1）頻譜靈活使用與管理。毫米波/太赫茲大帶寬（例如3～5 GHz）頻譜的許可、使用、管理與經(jīng)營方式相對(duì)傳統(tǒng)低頻段頻譜將可能發(fā)生很大的變化。這部分頻譜是獨(dú)占式的許可頻譜，非獨(dú)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方式，都將對(duì)技術(shù)帶來挑戰(zhàn)。

（2）基帶傳輸與空口設(shè)計(jì)。具體包括與毫米波/太赫茲信道傳播模型及組網(wǎng)拓?fù)湎嗥ヅ涞牟ㄐ巍Y(jié)構(gòu)、參數(shù)集、信道編碼、高階調(diào)制、自適應(yīng)鏈路、超窄波束管理、靈活雙工模式、干擾管理與消除、調(diào)度、接入、移動(dòng)性管理、覆蓋擴(kuò)展等方案設(shè)計(jì)，尤其是引入AI/機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)之后的空口設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)。

（3）終端復(fù)雜性與能耗降低。如前所述，毫米波/太赫茲芯片與超大帶寬信號(hào)處理對(duì)網(wǎng)絡(luò)側(cè)站點(diǎn)或客戶終端設(shè)備（CPE），以及終端側(cè)的復(fù)雜性和能耗（包括電池）都有很大的影響;因此，從低頻段向高頻段的演進(jìn)，始終需要進(jìn)一步降低終端的復(fù)雜性與能耗，以滿足網(wǎng)絡(luò)在單位焦耳能耗上實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)比特率等性能和終端耗電與充電等要求。

5 結(jié)束語

根據(jù)業(yè)界對(duì)B5G/6G演進(jìn)的預(yù)期，更高頻毫米波和太赫茲無線通信系統(tǒng)已成為全球研究的熱點(diǎn)。擁有大帶寬的高頻毫米波和太赫茲頻段是面向未來通信的頻譜寶庫，其中太赫茲技術(shù)更可能是6G時(shí)代的重要技術(shù)組成部分。毫米波和太赫茲通信不僅能夠面向未來超高速率、超低時(shí)延無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)未來的全頻譜接入，還可支持空天一體化的全覆蓋需求。標(biāo)準(zhǔn)組織、運(yùn)營商和設(shè)備廠家以及產(chǎn)業(yè)鏈各方都在積極努力，以實(shí)現(xiàn)毫米波和太赫茲無線通信的早日成熟。雖然由于更高毫米波、太赫茲通信的發(fā)展周期較短，需要進(jìn)一步發(fā)展來探索毫米波、太赫茲頻段的特性和高性能器件，但我們相信該技術(shù)必將成為未來超高速無線通信的重要組成部分。

致謝

本文得到了中興通訊無線產(chǎn)品經(jīng)營部方敏、李師波、段向陽、段斌、王永貴、郁光輝、胡留軍的鼎力幫助，謹(jǐn)致謝意！

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作者簡介

彭琳，中興通訊股份有限公司B5G/6G射頻技術(shù)預(yù)研負(fù)責(zé)人、項(xiàng)目經(jīng)理，負(fù)責(zé)B5G/6G射頻技術(shù)預(yù)研論證、關(guān)鍵技術(shù)規(guī)劃等工作;帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)多款WiMax、LTE宏站RRU機(jī)型及Qcell 室內(nèi)覆蓋RRU機(jī)型;負(fù)責(zé)研發(fā)的Qcell數(shù)字室內(nèi)覆蓋方案曾獲LTE Awards創(chuàng)新大獎(jiǎng);獲國家發(fā)明專利3項(xiàng)。

段亞娟，中興通訊股份有限公司RRU射頻TRX專業(yè)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人;負(fù)責(zé)TRX器件規(guī)劃、定義，以及TRX鏈路方案設(shè)計(jì)和器件導(dǎo)入工作;帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)規(guī)劃和定義了多顆核心芯片，使中興通訊射頻部分鏈路競爭力一直保持業(yè)界領(lǐng)先;獲國家發(fā)明專利7項(xiàng)。

別業(yè)楠，中興通訊股份有限公司無線研究院副院長、硬件研發(fā)中心主任;擁有超過20年的電信行業(yè)研發(fā)管理經(jīng)歷;負(fù)責(zé)研發(fā)的業(yè)界第一款高效率、超寬帶RRU曾獲得了深圳市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng);發(fā)表論文1篇，獲國家發(fā)明專利8項(xiàng)。