6G 太赫茲傳輸鏈路特性分析

高 帥，張忠皓，李福昌，馬靜艷，延凱悅（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

0 引言

隨著高清數(shù)字電視、超高清VR/AR 等多媒體業(yè)務(wù)的日益興起，人們對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L。為了實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，通信系統(tǒng)需要分配更寬的帶寬，追求更高的頻譜效率。在帶寬方面，100 GHz 以上的載波頻率是未來無線局域網(wǎng)最有希望的替代方案。

太赫茲（THz）波段通常從300 GHz 到10 THz。這一波段的電磁波對陶瓷、紙張、木材、紡織品和塑料等介質(zhì)材料可以輕易穿透，但很難穿透金屬和水。在外層空間，太赫茲波可以無損耗的傳輸，用很小的功率就可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，因此，太赫茲頻段可以廣泛應(yīng)用于太空通信中。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的挑戰(zhàn)。在不同的天氣條件下，如大氣分子、雨滴或霧滴，都可能導(dǎo)致太赫茲波段電磁波的高衰減或散射。

然而在某些確定的太赫茲頻段依舊可以產(chǎn)生較低的衰減，因此可以在這些頻率窗口范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通常這些頻率窗口被定義在300 GHz～1 THz，超過1 THz 的頻段由于極端的衰減不在無線通信建議的使用選項中。

因此，6G 太赫茲應(yīng)用落地還面臨一系列的問題與挑戰(zhàn)。運(yùn)營商和各個行業(yè)已經(jīng)開始從太赫茲器件和太赫茲光學(xué)應(yīng)用方面進(jìn)行研究，但業(yè)界對太赫茲在無線鏈路的傳播特性的分析還比較少。本文分析了太赫茲在晴朗空氣、雨天、霧天等場景的鏈路損耗，并依據(jù)太赫茲鏈路傳播特點提出6G太赫茲應(yīng)用場景建議。

1 6G 太赫茲在大氣中傳播特性分析

1.1 晴朗天氣太赫茲傳播特性分析

在晴朗的天氣中太赫茲波的衰減取決于電磁波和分子共振的頻率差，當(dāng)波的頻率與共振頻率重合時，衰減會達(dá)到最大值。在557 GHz和752 GHz 2種諧振頻率下，均表現(xiàn)出較高的衰減。分子共振引起的衰減可以達(dá)到很高的值，但也有衰減小于等于100 dB/km 的頻率窗，可根據(jù)以下3 種衰減評估模型：MPM 模型、AM 模型和ITU-R P.676-10 模型計算不同頻段太赫茲波傳輸時的損耗。

其中ITU-R P.676-10模型可以被引用在1 THz以下的頻率模型中，在頻率f點處損耗的計算公式如下：

其中N″（f）為頻率相關(guān)復(fù)折射率的虛部。

N″D（f）為壓力誘導(dǎo)氮吸收引起的連續(xù)體，Si為頻譜線強(qiáng)度。

這里p是干燥空氣的壓力，e是水蒸氣壓力，θ是環(huán)境溫度。系數(shù)a1、a2、b1、b2可由文獻(xiàn)［3］得出。

則由式（4）可得晴朗天氣的損耗與路徑距離d的關(guān)系：

因此，在鄱陽湖流域布設(shè)點數(shù)有限，不能全面地反映地區(qū)地下水整體水質(zhì)狀況，也不能較好地反映鄱陽湖流域不同塊段含水層水質(zhì)狀況。五河中上游及重點礦山開采區(qū)未建立縣域水質(zhì)考核斷面，存在監(jiān)測空白區(qū)，不能滿足源頭控制、跨界斷面控制、系統(tǒng)建設(shè)全省地下水監(jiān)測網(wǎng)的要求。故我省地下水監(jiān)測現(xiàn)狀是動態(tài)監(jiān)測點控制程度不高，點密度處于國內(nèi)外中等偏下水平，控制面積不夠，急需繼續(xù)加強(qiáng)。

圖1 展示了0.01～10 THz 的太赫茲波在晴朗天氣下的頻率衰減譜。由圖1 可知，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，在0.3 THz 以下，太赫茲波的大氣衰減低于10 dB/km，適合作為無線通信載波，而超過1 THz 的太赫茲頻段由于極端的衰減不在無線通信傳輸?shù)目紤]范圍內(nèi)。同時圖1 展示了A～J 各頻點處呈現(xiàn)明顯的波峰，這是由于太赫茲波在長距離傳輸時易受水蒸氣、氧氣分子的影響，出現(xiàn)分子共振效應(yīng)，導(dǎo)致?lián)p耗急劇增大。因此在設(shè)計太赫茲室外遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)時，應(yīng)選擇合適的頻率窗口進(jìn)行傳輸，來獲得較高的傳輸效率。

圖1 太赫茲波大氣衰減譜（0.01～10 THz）

表1 展示了理論可用的太赫茲頻率窗范圍，包含94 GHz、120 GHz、140 GHz，220 GHz，340 GHz 等多個可用頻點。在頻譜申請和應(yīng)用方面，國際電信聯(lián)盟ITU 指定120 GHz 和220 GHz 頻段分別用于下一代地面無線通信和衛(wèi)星間通信，世界無線電通信大會WRC-2019 將275～450 GHz 頻段定位為可用以陸地移動通信的頻段，美國、歐盟、日本等分別對0.12 THz、0.24 THz的無線通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究?？紤]到國內(nèi)外太赫茲的技術(shù)成熟度和太赫茲波的高傳輸損耗特點，中國聯(lián)通太赫茲頻譜申請和應(yīng)用方面，建議采用0.12 THz 和0.24 THz 頻段作為太赫茲無線通信傳輸系統(tǒng)的主要頻段。

表1 THz頻率窗范圍

1.2 雨天太赫茲傳播特性分析

在雨天環(huán)境中，空氣中的雨滴球形散射會給太赫茲波帶來額外的衰減，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)，如式（5）所示：

式中：

r——降雨速率（mm/h）

k和a——取自于頻率函數(shù)（1～1 000 GHz）的參數(shù)

由于雨滴的形狀、大小與射頻信號的波長相關(guān)，雨衰也是一個關(guān)于信號偏振的函數(shù)，則雨衰與路徑d的關(guān)系可表示為：

圖2展示了不同頻率電磁波的水平極化波在多種雨天環(huán)境下的損耗，低于10 GHz的雨衰可以忽略，10～120 GHz的雨衰隨著頻率增加而遞增，超過300 GHz到900 GHz 雨衰會隨著頻率增加而遞減，但仍維持一個較高的損耗水平。由此可知，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很大的挑戰(zhàn)，是太赫茲器件設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時需解決的問題。

圖2 不同頻率電磁波在雨天的損耗

1.3 霧天太赫茲傳播特性分析

在大霧天氣中，太赫茲波的衰減隨著頻率和霧的密度增加而增加。圖3 展示了在15°C 條件下，不同頻段電磁波穿透300 m 范圍的霧時（0.05 g/m3）與穿透50 m 范圍的霧時（0.5 g/m3）的鏈路損耗對比。由圖3 可知，對于400 GHz 以上的頻率，在50 m 范圍內(nèi)0.5 g/m3的霧天環(huán)境下額外的衰減為10 dB/km，因此霧天環(huán)境也會影響太赫茲波的傳輸效率。

1.4 自由空間太赫茲傳播特性分析

在自由空間中采用經(jīng)典的Friis 公式描述太赫茲波的鏈路損耗：

圖4 顯示了參考距離為1 km 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2 個場景分別代表最佳和最差的環(huán)境條件。與預(yù)期一樣，50 mm/h 的降雨速率會導(dǎo)致最大的衰減值，因此，通常來說這將是未來太赫茲通信系統(tǒng)運(yùn)行的極限情況。

圖3 不同頻段電磁波在大霧天氣的損耗

圖4 不同頻段在干凈大氣與雨天場景的損耗圖

2 太赫茲應(yīng)用場景分析

2.1 太赫茲適用于室內(nèi)場景

由圖4 可以看出，由于受到水蒸氣以及大氣其他氣體的吸收，超過0.3 THz 的頻段在大氣中的損耗較高，1 THz 以下有幾個頻率窗口的損耗在100 dB/km 之下，但是依舊保持較高的損耗值。因此在不考慮收發(fā)兩端高天線增益條件下，可以認(rèn)為太赫茲波不適合作為室外數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，但是可以將其應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境，一般室內(nèi)無線場景只有10 m 的通信距離或者更短，在10 m 的范圍內(nèi)比如0.3 THz 的信號衰減約為0.1 dB/m或者更小，這在室內(nèi)環(huán)境是可以忽略的。

借助太赫茲超大的可用帶寬以及極高的傳輸速率，在室內(nèi)的環(huán)境下太赫茲可以作為替代WLAN 的一種方案，比如用于無線顯示、家庭高清電視、從一個服務(wù)器的高速上傳下載大文件、回傳鏈路或者點對點配置、校園或者禮堂部署、自動化制造等室內(nèi)場景，利用太赫茲系統(tǒng)將會促進(jìn)超寬帶視頻業(yè)務(wù)在室內(nèi)移動、靜止等場景中的應(yīng)用。

2.2 太赫茲適用于室外場景

考慮到太赫茲室外通信的主要問題是由水蒸氣引起的大氣衰減以及目前較低的資源利用率和低發(fā)射功率，補(bǔ)償損失的一種方法是在鏈路兩端使用極高的天線增益，即使用大規(guī)模的天線陣列。

此時，通?？梢砸?yún)?shù)EIRP 與Grx，該參數(shù)分別代表輸出功率和鏈路兩端可用的天線增益。這樣，任何平衡鏈路損耗（自由空間路徑損耗、大氣等）的系統(tǒng)需求都可能來自天線增益，而不是發(fā)射功率。

在參考文獻(xiàn)［4］中，對EIRP+Grx參數(shù)進(jìn)行了3 個值的檢驗，分別是50 dBm、100 dBm 和150 dBm。同時，文章假設(shè)環(huán)境溫度為300 K，接收機(jī)噪聲為10 dB。圖5給出了晴空條件下1 km固定無線鏈路的最大數(shù)據(jù)速率。由于這是衰減方面的最佳方案，因此參數(shù)EIRP+Grx的3種不同情況下顯示的數(shù)據(jù)速率為峰值速率。隨著EIRP+Grx的增加，可以用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ǘ纬杀稊U(kuò)寬。因此未來太赫茲產(chǎn)業(yè)鏈需要研究超高增益的天線技術(shù)，小型化高功率射頻前端、超高速信號處理技術(shù)、波束捷變天線技術(shù)、新型高效MAC 協(xié)議、新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等來彌補(bǔ)超高的路損，提供Tbit/s的超高速率。

圖5 不同太赫茲頻率下的峰值速率

3 太赫茲部署場景建議

太赫茲波在自由空間以及雨天、空氣中的鏈路損耗較大，因此室外部署初期應(yīng)充分考慮太赫茲短距離熱點覆蓋或用于寬帶無線接入。應(yīng)用于熱點覆蓋時，可搭配5G低頻以及毫米波系統(tǒng)進(jìn)行通信，并需要充分考慮惡劣天氣如雨、雪、霧對太赫茲頻段的影響。

太赫茲波同樣適合室內(nèi)部署，借助定向波束或豐富的反射路徑來實現(xiàn)家庭或辦公區(qū)域的覆蓋，替代WLAN進(jìn)行高清視頻會議業(yè)務(wù)或高清電視業(yè)務(wù)。

4 總結(jié)

太赫茲波段的高自由空間損耗和大氣衰減，可以通過使用高增益天線和特定頻率窗口的傳輸來解決，借助這種方法，即使在惡劣的環(huán)境條件下，也有可能實現(xiàn)大容量的室外太赫茲無線通信網(wǎng)絡(luò)，然而現(xiàn)有太赫茲的硬件方面還面臨一系列挑戰(zhàn)，比如功率放大器、處理器速度、天線和硬件技術(shù)。

若基站和終端的天線增益受限，則需要考慮在室內(nèi)部署太赫茲通信系統(tǒng)來降低高自由空間損耗和大氣衰減對通信質(zhì)量帶來的影響。對于較短的室內(nèi)距離，由于降低了路徑損耗可以實現(xiàn)更高的效率以及多Tbit/s的容量。但太赫茲通信還面臨鏈路損耗、衍射損耗、設(shè)備封裝技術(shù)不夠成熟等挑戰(zhàn)。