太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)分析

馬靜艷 李福昌 張忠皓 高 帥

中國(guó)聯(lián)通研究院 北京 100048

引言

2019年隨著全球5G商用化進(jìn)程加快，國(guó)際各區(qū)域和研究組織已紛紛開(kāi)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(dú)有特性，受到學(xué)術(shù)界的熱烈關(guān)注，也受到歐、美、日等國(guó)家區(qū)域和組織的高度重視，成為極具潛力的6G無(wú)線候選技術(shù)。

太赫茲是指頻段在0.1～10THz之間，波長(zhǎng)在30um～3000um之間的電磁波，該頻段電磁波位于微波波段和可見(jiàn)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(diǎn)，可用于超寬帶無(wú)線接入、安全保密通信等應(yīng)用場(chǎng)景，另外也有可能與高精度定位和3D成像感知等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)融合，應(yīng)用于多種未來(lái)通信場(chǎng)景[1]。

國(guó)際各區(qū)域和研究組織已較早啟動(dòng)了太赫茲通信技術(shù)相關(guān)的研究計(jì)劃，并取得了眾多研究進(jìn)展[2-13]。但目前研究成果多偏向于系統(tǒng)傳輸能力的驗(yàn)證，信道建模及空口設(shè)計(jì)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(duì)太赫茲通信關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)展開(kāi)探討，有助于厘清和明確太赫茲通信未來(lái)產(chǎn)業(yè)推進(jìn)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(hào)，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(diǎn)是傳輸速率高，缺點(diǎn)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(yuǎn)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(wú)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(hào)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(diǎn)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(guò)多次倍頻后相噪惡化，且變頻損耗大，載波信號(hào)的輸出功率在微瓦級(jí)，該類系統(tǒng)也需要進(jìn)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(guó)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(bǔ)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(gè)通信原型系統(tǒng)的無(wú)線傳輸能力試驗(yàn)中得到應(yīng)用，器件功能已得到有效驗(yàn)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(biāo)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(yuǎn)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(wèn)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(jìn)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(dòng)通信。

基于太赫茲通信的未來(lái)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(lái)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(shí)現(xiàn)，也是未來(lái)面向?qū)嶋H場(chǎng)景應(yīng)用時(shí)，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(jìn)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(lái)的太赫茲天線技術(shù)[15]，用以實(shí)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(shí)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(shí)間交織方案來(lái)實(shí)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(wèn)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(yàn)證系統(tǒng)的工作帶寬多在GHz量級(jí)(＞2GHz)，未來(lái)太赫茲通信系統(tǒng)的工作帶寬預(yù)計(jì)也會(huì)遠(yuǎn)大于5G的高頻毫米波段設(shè)備(400MHz/800MHz)，當(dāng)前采樣芯片能力難以滿足高達(dá)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(yùn)算資源需求都大大增加，給基帶芯片帶來(lái)更大的功耗和成本壓力。

面臨上述問(wèn)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(hào)處理系統(tǒng)，比如比特量化與信號(hào)算法的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，聯(lián)合自適應(yīng)量化門限單比特解調(diào)優(yōu)化等。未來(lái)太赫茲通信系統(tǒng)的實(shí)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(jìn)行無(wú)損傳輸，用較小功率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(gè)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(jìn)行評(píng)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.?？梢钥吹?，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(shì)，超過(guò)1THz的太赫茲頻段衰減過(guò)大，不適于應(yīng)用于無(wú)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(duì)較低，可以考慮作為無(wú)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(zhǎng)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(diǎn)處呈現(xiàn)明顯的波峰。因此太赫茲室外無(wú)線傳輸系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適的頻率窗口進(jìn)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(shí)，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(cè)降雨以及預(yù)測(cè)雨衰的重要因素。在ITU-R II.838-3雨衰模型[20]中計(jì)算了信號(hào)的衰減隨著降雨速率、信號(hào)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(guò)300GHz(1THz以下)，雨衰會(huì)隨頻率遞減，但仍維持較高的損耗水平，雨水吸收衰減將會(huì)使得太赫茲波應(yīng)用于室外無(wú)線通信時(shí)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(duì)比

在自由空間中采用自由空間損耗計(jì)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(shí)，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(duì)比，所考慮的晴天和雨天兩個(gè)場(chǎng)景分別代表最佳和最差的環(huán)境條件?？梢钥吹?，50mm/h的降雨速率會(huì)導(dǎo)致最大的衰減值，通常來(lái)說(shuō)該環(huán)境是未來(lái)太赫茲通信系統(tǒng)運(yùn)行的極限情況[22]。

圖6 不同頻段在晴朗天氣與雨天場(chǎng)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(jì)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(jì)信道建模方法。該類方法基于典型場(chǎng)景的實(shí)測(cè)結(jié)果，無(wú)需地圖信息，復(fù)雜度低，多用于系統(tǒng)仿真和鏈路級(jí)仿真，標(biāo)準(zhǔn)化成熟度高，是3GPP標(biāo)準(zhǔn)化建模方法，適用于于5G移動(dòng)通信。

確定性信道建模方法主要通過(guò)導(dǎo)入目標(biāo)場(chǎng)景的地圖模型，利用射線追蹤(Ray Tracing)技術(shù)[23]，對(duì)電磁傳播中譬如直射、透射、反射、衍射等主要物理現(xiàn)象，進(jìn)行傳播環(huán)境精確重構(gòu)和確定性計(jì)算，得到了構(gòu)成實(shí)際傳播的主導(dǎo)分量(Dominant Ray)的確定性結(jié)果。該類方法準(zhǔn)確度高，計(jì)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(jì)算，其余豐富的多徑通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算，該類建模方法準(zhǔn)確度較高，計(jì)算復(fù)雜程度與射線追蹤方法比相對(duì)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(qiáng)，未來(lái)太赫茲頻段可能更適合使用確定性信道建?；騾?shù)化半確定性信道建模方法[24]。無(wú)論是哪種類型的建模方法，都需要以大量的信道實(shí)測(cè)試驗(yàn)為基礎(chǔ)。但目前尚未有針對(duì)全面的應(yīng)用場(chǎng)景、支持太赫茲全頻段的充分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐的太赫茲信道建模工作。

對(duì)太赫茲波傳播特性的分析和信道的準(zhǔn)確建模是提高頻譜利用效率，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署的前提，也是實(shí)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(jìn)行廣泛測(cè)試驗(yàn)證的基礎(chǔ)技術(shù)方向。

3 太赫茲通信空口設(shè)計(jì)

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(hào)頻段更高，空間傳播損耗和穿透損耗也明顯變大。基于通信覆蓋的需求，多數(shù)大尺度通信應(yīng)用場(chǎng)景下，太赫茲通信設(shè)備較大可能會(huì)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(shí)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(qiáng)的演進(jìn)關(guān)系，包括信道建模、多天線傳輸方案、參考信號(hào)設(shè)計(jì)，信道狀態(tài)估計(jì)、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(jìn)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(wèn)題與挑戰(zhàn)。

太赫茲電磁波的繞射能力非常差，在遮擋時(shí)很難實(shí)現(xiàn)可靠的通信，因此需要考慮分布式接入節(jié)點(diǎn)以及新型反射體/反射材料的部署來(lái)改善信道狀況，太赫茲天線陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)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(hào))開(kāi)銷、搜索復(fù)雜度和波束訓(xùn)練延遲，需要對(duì)現(xiàn)有的波束訓(xùn)練機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)空間稀疏特性進(jìn)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(shí)現(xiàn)架構(gòu)設(shè)計(jì)、波束賦形對(duì)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(wèn)題。超大帶寬的大規(guī)?；旌腺x形陣列校準(zhǔn)技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)誤差具有魯棒性的波束賦形算法，設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)誤差具有檢測(cè)和容錯(cuò)機(jī)制的波束管理方案等技術(shù)研究，對(duì)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(jì)

太赫茲高頻通信的多種應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，包括超大帶寬、超高速率等，需要通過(guò)對(duì)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(jì)來(lái)保證和體現(xiàn)。面向6G的高頻通信空口設(shè)計(jì)將會(huì)成為承載6G通信技術(shù)特征和優(yōu)勢(shì)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

業(yè)界目前對(duì)于太赫茲物理層的空口設(shè)計(jì)研究思路主要有兩個(gè)方向。一個(gè)研究思路是沿用4G/5G時(shí)代的OFDM波性調(diào)制方式繼續(xù)向前演進(jìn)，該方向目前提出的方案多是在5G技術(shù)研究時(shí)期就提出但未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的理論設(shè)計(jì)。該方向技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是相關(guān)設(shè)計(jì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化可以實(shí)現(xiàn)平滑演進(jìn)，但同時(shí)需要解決高頻系統(tǒng)應(yīng)用帶來(lái)的一些非理想因素導(dǎo)致的性能惡化問(wèn)題，包括硬件鏈路相噪、變頻損耗等問(wèn)題，此外也需要考慮到大帶寬帶來(lái)的基帶運(yùn)算資源和復(fù)雜度的問(wèn)題。上述問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低，嚴(yán)重時(shí)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(jì)和幀結(jié)構(gòu)參數(shù)集設(shè)計(jì)。目前該方向提出的方案多為針對(duì)分離技術(shù)點(diǎn)的孤立討論，例如針對(duì)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(jì)和算法補(bǔ)償方案。該類方法盡管在局部技術(shù)點(diǎn)上可以應(yīng)對(duì)和改善系統(tǒng)的一些非理想特性，但是方案多會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體頻譜效率降低。且復(fù)雜的算法補(bǔ)償方案也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算資源負(fù)擔(dān)的增長(zhǎng)，對(duì)整體系統(tǒng)的能效影響缺乏量化對(duì)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(rèn)可的能夠全面支撐系統(tǒng)性空口設(shè)計(jì)體系的革命性設(shè)計(jì)理論和技術(shù)方案。基于此，現(xiàn)階段該方向的研究工作開(kāi)展思路建議先盡量沿用5G標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)進(jìn)行適配的大帶寬的物理層設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行離散技術(shù)點(diǎn)的“6G化物理層設(shè)計(jì)”與性能評(píng)估驗(yàn)證，由易到難，由點(diǎn)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(yíng)方式相對(duì)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(huì)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(wú)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(lái)挑戰(zhàn)[14]。

合理的資源分配與調(diào)度技術(shù)方案對(duì)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(duì)于帶寬資源極為豐富的太赫茲系統(tǒng)而言，對(duì)無(wú)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(jì)算復(fù)雜度進(jìn)行資源分配和調(diào)度以進(jìn)一步優(yōu)化和提升整體系統(tǒng)效能，也將會(huì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

可以預(yù)期的是，未來(lái)太赫茲通信空口技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該具有足夠的靈活性，可以支持頻譜和帶寬資源的動(dòng)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(chǎng)景。未來(lái)空口設(shè)計(jì)方案需要具有上述能力和特點(diǎn)才能適配6G太赫茲通信的技術(shù)特征和優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(lái)太赫茲通信空口技術(shù)路線和發(fā)展方向。未來(lái)社會(huì)和產(chǎn)業(yè)信息交互都會(huì)對(duì)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(lái)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(shì)，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(chǎng)景，作為未來(lái)B5G/6G通信的重要支撐技術(shù)，成為未來(lái)社會(huì)信息融合聯(lián)接的重要組成部分。