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隨著第五代通信技術在全球的商業(yè)部署，太赫茲通信技術已成為下一代無線通信技術的重要研究方向。太赫茲波具有大量的絕對帶寬資源和顯著的優(yōu)勢，使其在通信領域具有廣泛的應用潛力。本文介紹了6G通信網(wǎng)絡的規(guī)劃和愿景以及太赫茲通信技術的國內外研究現(xiàn)狀，討論了太赫茲通信的關鍵技術及潛在應用場景，并總結了目前的研究成果和未來的研究方向。太赫茲通信技術的進一步研究將為邁進“太赫茲時代”提供新的思路，為未來的通信網(wǎng)絡提供更高的數(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，其傳輸速率高、容量大、安全性高，可以滿足未來通信業(yè)務對超高數(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，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10Gb/s的無線傳輸速率，比當前的超寬帶技術快幾百甚至上千倍。
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)文件的應用場景非常有用，例如高清視頻或醫(yī)學圖像等。
方向性和波束質量：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)結構也可以做得更加簡單、經(jīng)濟，甚至能夠將設備做成納米級別，實現(xiàn)納米級設備之間的通信。
安全性：太赫茲波的穿透能力強，可以在惡劣環(huán)境如大風、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)濟性等多個方面都具有顯著優(yōu)勢，使其成為未來通信技術的重要發(fā)展方向之一[1]。
PART
02
國內外現(xiàn)狀
自2000年初開始，國外已經(jīng)開始對太赫茲技術進行研究并在實踐中得到應用。以下是美國、歐洲和日本的太赫茲通信技術現(xiàn)狀，以及國內重要科研院所的發(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，應用場景包括移動自組網(wǎng)空間通信、機載大容量遠距離通信等。許多研究機構和重要實驗室也積極參與太赫茲技術的研究，并取得了不錯的成果。在太赫茲固態(tài)電子學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應用的產(chǎn)業(yè)化方面有兩項標志性事件。第一，2018年2月，美國聯(lián)邦通信委員會批準了一項名為“Spectrum Horizons”的NPRM，開放了未來移動通信應用中的95GHz到3THz頻段，鼓勵相關產(chǎn)業(yè)機構加入到太赫茲無線移動通信的應用研究中，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構批準正式生效。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用技術。
歐洲太赫茲通信技術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通信技術研發(fā)，網(wǎng)絡峰值數(shù)據(jù)達Tbps量級，而超高速太赫茲通信技術是達成上述目標的核心技術之一。以德國KIT研究所和Fraunhofer協(xié)會為代表的歐洲科研機構在太赫茲核心器件和光電結合通信系統(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列為未來十年十大關鍵科學技術首位。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會的高清轉播。該系統(tǒng)工作頻點120GHz，傳輸距離可達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和大阪大學為代表的日本科研機構在核心光電器件UTC-PD和光-電結合太赫茲通信系統(tǒng)的研究中占據(jù)領先地位。
雖然中國在太赫茲技術研究起步稍晚一些，但科技部等多個相關部委陸續(xù)設立了太赫茲相關研究計劃，如“毫米波與太赫茲無線通信技術開發(fā)”863計劃專項，“太赫茲無線通信技術與系統(tǒng)”科技部重大專項，“太赫茲核心器件與收發(fā)芯片”國家自然科學基金委移動網(wǎng)絡專項等。另一方面，國內以高校和研究院所為代表的科研機構也在積極投入太赫茲研究，并以不同形式進行了互通協(xié)作，共同推動國內太赫茲技術和產(chǎn)業(yè)進展。經(jīng)過十余年的技術發(fā)展，以電子科技大學、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、湖南大學、浙江大學、復旦大學等眾多高校和科研院所為代表的國家太赫茲相關研究單位在太赫茲核心關鍵器件和通信原型系統(tǒng)的開發(fā)上取得了眾多技術成果，接近或部分達到了世界先進水平。2020年成立了IMT-2030(6G)推進產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟參與單位涵蓋了通信運營商、通信設備供應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、中電集團相關研究所、中物院等相關科研單位隨著6G研究工作的推進和相關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才能參與的一個科研領域國內太赫茲通信技術的研究工作短板在核心芯片器件和模塊方面的性能指標[2-7]。
PART
03
太赫茲波的應用場景
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，太赫茲波可以應用于5G和6G通信網(wǎng)絡中，提高網(wǎng)絡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，為移動設備提供高速互聯(lián)網(wǎng)連接。這種技術適用于各種移動設備，如手機、平板、筆記本電腦等。通過太赫茲波的無線寬帶接入技術，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，用戶可以更加安全地傳輸敏感信息，保護數(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、高質量視頻在線會議、增強現(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)超遠距離傳輸。在天線對準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相對于無線激光通信，擁有更大的技術優(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、飛艇等天基平臺和空基平臺，作為無線通信和中繼設備，應用于衛(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)設備和組件，在極短距離范圍內實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)鏈應用。
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，需要加強信號處理和抗干擾技術的研究。此外，太赫茲波的設備成本較高，也需要進一步降低成本才能廣泛應用。
根據(jù)目前室內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，超高速太赫茲室內通信將是最重要的應用場景之一，太赫茲波具有很強的方向性，太赫茲信號的傳播路徑很容易被室內障礙物阻擋。Salhi 等［8］介紹了基于矢量網(wǎng)絡分析儀的辦公室、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)實復雜環(huán)境對傳播信道的影響，在50~325 GHz范圍內，視距無線傳輸（LOS）在以上場景中占主導地位，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）以緩解室內覆蓋問題，如圖 2（b）所示，通過調整 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，降低了計算負擔。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 增強的通信方案中，該用戶在房間角落的接收功率高達?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室內通信場景鋪平道路。
PART
05
未來展望
隨著6G通信網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，太赫茲波的應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)絡的重要技術之一，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相結合，形成更加高效和安全的通信網(wǎng)絡。我們期待著太赫茲波在未來的應用和發(fā)展。
參考文獻：
李麗,葛宏義,蔣玉英,等.太赫茲波在6G通信網(wǎng)絡中的研究進展[J].激光與光電子學進展, 2022, 59(13):10.DOI:10.3788/LOP202259.1300007.
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文章來源：遠大恒通
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