面向6G的太赫茲波傳輸特性綜述

林明睿

（福州大學(xué)梅努斯國(guó)際工程學(xué)院 福建 莆田 350000）

0 引言

從20世紀(jì)80年代第一代移動(dòng)通信技術(shù)（1G）發(fā)展到現(xiàn)在第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G），每十年就會(huì)研發(fā)出新一代的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)不斷更新?lián)Q代，數(shù)據(jù)傳輸速率、通信質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)延遲和網(wǎng)絡(luò)覆蓋率等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能也隨著不斷提升[1]。2020年6月，5G網(wǎng)絡(luò)正式在全球范圍內(nèi)（5G）投入商用，5G網(wǎng)絡(luò)可以提供很高的傳輸速率（20 Gbps的峰值速率和100 MHz的用戶體驗(yàn)速率）和極低的數(shù)據(jù)延時(shí)（小于1 ms），滿足超高清視頻傳輸、遠(yuǎn)程醫(yī)療、無(wú)人駕駛、VR、XR等應(yīng)用需求，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[2]。

1 5G6G技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)的全新業(yè)務(wù)及應(yīng)用對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求，用戶對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求也在不斷提高，根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的預(yù)測(cè)，到2025年全球每月移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將在達(dá)到607 EB（1 EB=106 TB），到2030年預(yù)計(jì)達(dá)到 5 016 EB[3]。

5G技術(shù)無(wú)法滿足高數(shù)據(jù)傳輸速率、極低延遲等需求的局限性以及頻譜資源未來(lái)仍將無(wú)法滿足移動(dòng)通信日益增長(zhǎng)的傳輸速率需求，必須提前開(kāi)展新一代移動(dòng)通信技術(shù)（6G）的研發(fā)，需要在6G關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。

相比現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)，6G無(wú)線通信技術(shù)將在速度、延遲、容量、精確度和可靠性等多方面尋求進(jìn)一步提升。在延遲方面，雖然5G技術(shù)將延時(shí)縮小到1 ms之內(nèi)，但是對(duì)于自動(dòng)化、無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等對(duì)數(shù)據(jù)延時(shí)要求較高的領(lǐng)域，還有待進(jìn)一步縮短延時(shí)力求達(dá)到人體無(wú)法感知的程度；在容量方面，5G可供連接的移動(dòng)設(shè)備數(shù)量達(dá)到100臺(tái)設(shè)備每平方米（10 Mbit/s/m2），6G網(wǎng)絡(luò)的容量將比5G高10～1 000倍；在速度方面，雖然5G技術(shù)使用的毫米波（30～300 GHz）可以提高很高的載波頻率，但仍然難以支撐Tbps級(jí)的傳輸速率，要想實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)的Tpbs傳輸，需要在太赫茲頻段（0.1～10 THz）尋求突破，受限于對(duì)太赫茲傳輸中分子吸收衰減、傳播損耗、多徑損耗、粗糙材料表面透射衰減等現(xiàn)象的研究還不夠深入，太赫茲信道建模尚未有通用的模型，研究太赫茲波在6G通信中的傳輸特性，有助于信道模型的建立，推動(dòng)6G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。如表1所示。

表1 5G/6G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2 太赫茲頻段傳輸特性

2.1 太赫茲頻段特性

太赫茲（THz）波是指位于在0.1～10 THz頻段內(nèi)的電磁波，在低頻段與毫米波重疊，在高頻段與紅外光重疊，是經(jīng)典理論向量子理論的過(guò)渡區(qū)，因此太赫茲波既具備某些電學(xué)特性又有一些光學(xué)特性。相比于毫米波，太赫茲具有更大的帶寬，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率；太赫茲波束更窄，具有更好的方向性，具備更好的安全性和可靠性；太赫茲允許非視距傳輸（NLoS）的特點(diǎn)使其在惡劣環(huán)境下具有較好的通信能力。太赫茲波特殊的性質(zhì)使其在醫(yī)學(xué)影像學(xué)、太赫茲通信技術(shù)、太赫茲雷達(dá)、安全檢查等方面有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。然而由于缺乏高效的太赫茲源和靈敏的太赫茲探測(cè)器等設(shè)備，太赫茲未被充分利用，被稱為“太赫茲空隙（THz gap）”。太赫茲頻段豐富的頻率資源加上太赫茲通信能實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率的特點(diǎn)，符合未來(lái)6G的發(fā)展需求，是未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。如圖1所示。

圖1 電磁頻譜及對(duì)應(yīng)頻段典型應(yīng)用

2.2 太赫茲波段大氣傳輸衰減

2.2.1 太赫茲大氣吸收衰減

太赫茲波主要用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地面近距離傳輸，大氣衰減主要?dú)w結(jié)于分子吸收衰減，太赫茲的波長(zhǎng)和一些分子的尺寸相近，許多物質(zhì)相互作用能級(jí)落在太赫茲頻段，大氣中的分子在這個(gè)頻段產(chǎn)生共振，固體的晶格振動(dòng)、能級(jí)躍遷、組成分子的特征譜線的擴(kuò)展、大氣分子間碰撞作用等物理過(guò)程都會(huì)導(dǎo)致較為明顯的連續(xù)吸收和線吸收作用。田浩宇等[4]從大氣、降雨、沙塵等方面研究了太赫茲波的分子吸收特性，結(jié)果表明水蒸氣在太赫茲傳輸損耗中起到了主要的作用，同時(shí)大氣中的水蒸氣分子在不同頻率的太赫茲系統(tǒng)中的折射率不同導(dǎo)致了色散效應(yīng)，將會(huì)引入有色噪聲；降雨產(chǎn)生的冷凝水增大了傳輸損耗，但在頻率高于90 GHz時(shí)，衰落作用趨于恒定；沙塵對(duì)太赫茲通信的影響很小，影響可以忽略。

王玉文等[5]在已有的大氣傳輸模型Grischkowsky團(tuán)隊(duì)的太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）模型及其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)連續(xù)吸收，完善了太赫茲大氣傳輸衰減模型，通過(guò)與Liebe-MPM模型對(duì)比，給出了340、410和667 GHz三個(gè)窗口區(qū)；研究發(fā)現(xiàn)在吸收峰處（0.556、0.751、0.987 THz）連續(xù)吸收的影響小，水線吸收較強(qiáng)，在大氣窗口區(qū)（0.21、0.35、0.41、0.68、0.85、0.93 THz）附近有相對(duì)較弱的水線吸收，透過(guò)率較高。

胡皓然等[6]借用經(jīng)典的Liebe-MPM模型研究了大氣中太赫茲波的譜線吸收衰減和連續(xù)體吸收衰減，同時(shí)考慮了太赫茲波在大氣中的自由空間傳輸損耗；研究發(fā)現(xiàn)氧氣和水蒸氣是造成太赫茲傳輸衰減的主要原因，吸收峰處連續(xù)吸收效果小，在大氣窗口內(nèi)連續(xù)吸收效果較大，在200～300 GHz之間有個(gè)具有一定帶寬的寬口可以降低衰減，以上結(jié)論與王玉文等的研究結(jié)論相近。

2.2.2 太赫茲大氣散射衰減

室外太赫茲通信不僅要考慮大氣分子對(duì)太赫茲的吸收衰減，還要考慮云霧、雨雪等粒子對(duì)太赫茲波的散射衰減作用。卷云在大氣中承擔(dān)著重要的作用，而太赫茲波波長(zhǎng)與卷云冰晶粒子有著相同的尺度，對(duì)太赫茲大氣散射衰減有較大影響，陳夢(mèng)婷圍繞卷云冰晶粒子和水滴散射特性展開(kāi)研究；首先在94、220、340 GHz將用于計(jì)算勻質(zhì)球形粒子散射特性Mie 散射理論和DDA 法（離散偶極子近似法）對(duì)比證明DDA的正確性，然后采用DDA法研究不同頻率（94 GHz、220 GHz、340 GHz）、不同復(fù)折射率、不同等效半徑對(duì)球形冰晶粒子散射特性的影響，計(jì)算了340 GHz不同頻段、不同形狀、不同復(fù)折射率、不同縱橫比以及不同空間取向?qū)Ψ乔蛐伪ЯＷ拥纳⑸涮匦缘挠绊?，最后提出一種新型用于非球形冰晶粒子的M-SDSU（modified satellite data simulator unit）模型。

陳夢(mèng)婷研究發(fā)現(xiàn)[7]，不同頻段下的球形冰晶粒子散射特性明顯，粒子的散射特性對(duì)頻率敏感，頻率越大，散射特性越明顯；340 GHz頻段下，散射呈現(xiàn)多峰波動(dòng)特征，而在94 GHz只有一個(gè)峰值且散射峰值對(duì)應(yīng)的等效半徑與頻率呈負(fù)相關(guān)，94 GHz和340 GHz水滴散射均呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)且峰值對(duì)應(yīng)等效半徑與頻率的關(guān)系與冰晶粒子相似；研究340 GHz頻段下球形冰晶粒子散射特性隨復(fù)折射率和等效半徑的變化發(fā)現(xiàn)，復(fù)折射率對(duì)球形冰晶粒子散射效應(yīng)影響不大，由此得到散射特性與溫度影響不大的推論。

陳夢(mèng)婷[7]進(jìn)而研究發(fā)現(xiàn)太赫茲頻段對(duì)非球形冰晶粒子散射特性更加敏感，形狀、縱橫比、空間取向等參數(shù)對(duì)非球形冰晶粒子散射特性有著不同程度的影響，復(fù)折射率與溫度對(duì)散射特性影響不大。霧具有和云相似的微觀物理結(jié)構(gòu)，特別是在城市中，霧的影響不能忽略，根據(jù)ITU-R建議書(shū)，采用Rayleigh近似算法給出了計(jì)算云霧衰減的方法，并借助已有的降雨衰減大致估計(jì)雨雪粒子對(duì)太赫茲傳輸?shù)乃p影響。

2.3 太赫茲波段室內(nèi)傳輸特征

2.3.1 建筑材料表面散射特性

太赫茲通信系統(tǒng)同時(shí)依賴視距傳輸（LoS）和非視距傳輸（NLoS)，材料表面粗糙度會(huì)對(duì)反射率造成影響，當(dāng)材料表面粗糙度在微波頻段可以忽略時(shí)，在太赫茲頻段時(shí)表面粗糙程度不同，需要考慮在內(nèi)，同時(shí)入射角與入射頻率等參數(shù)也會(huì)對(duì)反射率造成不同程度的影響，研究建筑材料表面散射特性對(duì)于太赫茲室內(nèi)通信系統(tǒng)建模有很大意義[8]。菲涅爾方程的基礎(chǔ)上，利用瑞利粗糙因子對(duì)傳統(tǒng)反射系數(shù)加權(quán)，并用基爾霍夫標(biāo)量近似分析不同材料在不同入射頻率、材料表面粗糙度、不同入射角下的散射特性；實(shí)驗(yàn)表明，材料的粗糙表面會(huì)明顯降低鏡面反射反射系數(shù)，漫散射隨著入射頻率、粗糙度的增大而增大，TE波（橫電波）的反射系數(shù)隨入射角增大而增大，TM波（橫磁波）在60°會(huì)出現(xiàn)布魯斯特角，TE極化波比TM極化波更適合太赫茲室內(nèi)通信。

利用基爾霍夫近似和太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）系統(tǒng)研究不同粗糙程度葡萄糖片的反射光譜，發(fā)現(xiàn)粗糙表面引起的漫散射減弱了反射光譜的強(qiáng)度并提出了一種補(bǔ)償方法；利用基爾霍夫散射理論推導(dǎo)修正的菲涅耳方程來(lái)模擬光滑材料的反射率，并用修正的菲涅耳方程解釋散射損失，引入瑞利粗糙度因子計(jì)算出一組反射系數(shù)，從而驗(yàn)證模型的可靠性，通過(guò)光線追蹤模擬研究了墻壁和天花板的粗糙度對(duì)未來(lái)室內(nèi)場(chǎng)景太赫茲波傳播的影響，發(fā)現(xiàn)在某些情況下，較長(zhǎng)的傳播路徑反射傳輸可能比較短的傳輸產(chǎn)生的損失更有效。給出了1個(gè)調(diào)制太赫茲光束在5個(gè)金屬粗糙表面上的漫散射測(cè)量方法，研究了表面粗糙度對(duì)頻率為100 GHz及以上的非視距（NLOS）無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的影響，研究了包括均方根高度和相關(guān)長(zhǎng)度在內(nèi)的散射模式對(duì)表面粗糙度參數(shù)的依賴關(guān)系首次證明了在非鏡面方向包含NLOS反射的數(shù)據(jù)鏈路可以在高于100 GHz的頻率上建立且誤碼率低[9]。

2.3.2 建筑材料透射特性

由于太赫茲通信系統(tǒng)同時(shí)依賴 (LoS）和非視距傳輸（NLoS），在考慮視距傳輸?shù)淖杂陕窂綋p失和分子吸收的同時(shí)，建筑材料的透射吸收衰減作用也不可忽視，選取1個(gè)擁有8間房間和1個(gè)走廊的室內(nèi)空間，仿真了室內(nèi)熱點(diǎn)場(chǎng)景下的太赫茲透射路徑功率的分布情況，實(shí)驗(yàn)分別選取60 GHz，340 GHz兩種頻段，灰砂磚和玻璃2種材料的墻壁，先后將基站放置在大廳、房間、大廳和房間一共模擬了3種場(chǎng)景；實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，將基站單獨(dú)放在大廳或房間，60 GHz和350 GHz頻段的信號(hào)都無(wú)法透過(guò)灰砂磚或玻璃材質(zhì)的墻壁，無(wú)法維持大廳/房間與基站之間的通信，不能滿足太赫茲的高數(shù)率無(wú)線通信，然而在理想的情況下在房間和大廳同時(shí)放置基站可以實(shí)現(xiàn)太赫茲的高速率無(wú)線通信，在未來(lái)的6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中應(yīng)該將高性能低成本的設(shè)備密集部署以擴(kuò)大通信覆蓋范圍。

2.3.3 室內(nèi)路徑信道傳輸特性

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)和完善以及人們對(duì)于高速無(wú)線寬帶的需求不斷增強(qiáng)[10]，流量需求特別是室內(nèi)數(shù)據(jù)流量將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，太赫茲室內(nèi)超高速通信具有較高的研究?jī)r(jià)值，然而由于太赫茲波很強(qiáng)的方向性以及明顯的衰減作用，太赫茲波在信號(hào)傳播過(guò)程中容易被遮擋物阻擋。在實(shí)際的場(chǎng)景中，遮擋物并非靜止，遮擋物的位置變化將會(huì)影響遮擋損耗進(jìn)而影響信道的傳播特性，研究了室內(nèi)NLoS情況下的大尺度衰落，基于近距離參考模型（CI），引入遮擋損耗進(jìn)行修正，提出了一種具有遮擋損耗的路徑損耗模型，并研究了遮擋物相對(duì)位置變化、傳輸頻率變化對(duì)路徑損耗的影響；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在NLoS情況下，遮擋物靜止時(shí)，遮擋損耗和接收端到遮擋物的距離呈指數(shù)關(guān)系，頻率增大，深度衰減的遮擋損耗距離增大，遮擋物移動(dòng)時(shí)，遮擋損耗和接收端到遮擋物的距離呈二次函數(shù)關(guān)系，頻率增大，最小遮擋損耗位置不斷趨近發(fā)送端和接收端的中點(diǎn)位置。

一種基于相變材料二氧化釩（VO2）與編碼超表面技術(shù)的可以在反射模式和透射模式間切換的雙向太赫茲多波束調(diào)控器，使太赫茲波的傳播不受透射或反射效應(yīng)的影響，對(duì)太赫茲無(wú)線通信技術(shù)的室內(nèi)場(chǎng)景應(yīng)用發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用。一種智能反射面（IRS），通過(guò)調(diào)整IRS的離散相移重新配置電磁波傳播來(lái)提高室內(nèi)場(chǎng)景太赫茲通信的覆蓋率，研究發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有IRS的情況下幾乎無(wú)法接收太赫茲信號(hào)，用IRS增強(qiáng)時(shí)，在房間可以實(shí)現(xiàn)更好的覆蓋率。

3 總結(jié)與展望

太赫茲通信技術(shù)是6G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一[11]，本文首先介紹了太赫茲通信技術(shù)對(duì)6G網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的重要意義，其次從室外大氣傳輸和室內(nèi)通信應(yīng)用兩個(gè)方面介紹了太赫茲波的傳輸特性，著重介紹目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于太赫茲波傳輸過(guò)程中衰減現(xiàn)象的研究進(jìn)展，研究太赫茲波在6G通信中的傳輸特性，有助于信道模型的建立，推動(dòng)6G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。