田浩宇　唐盼　張建華

【摘? 要】綜述了太赫茲信道特性與建模的研究進展。首先，對比分析了太赫茲與低頻段信道不同的傳播特性，例如分子吸收特性，障礙物表面粗糙度對折射、反射系數(shù)的影響特性以及太赫茲波的物理特性等。其次，介紹了兩種常用信道建模方法，即統(tǒng)計性和確定性信道建模。最后，總結(jié)了基于兩種建模方法的太赫茲信道建模的近期研究進展。

【關(guān)鍵詞】6G;太赫茲;信道特性;信道建模

0? ?引言

第五代移動通信（5G）已經(jīng)在全球范圍內(nèi)開始商用，而多個國家和組織也開始了第六代移動通信（6G）研究。2017年9月，歐盟啟動了后5G（B5G）/6G基礎(chǔ)技術(shù)研究項目。2018年7月，日本總務(wù)省提出了B5G/6G的概念。2019年3月，美國開放太赫茲頻段用于6G實驗。2019年1月，韓國LG電子公司宣布將啟動6G研究計劃。2019年6月，中國6G研究組成立，并開展6G預(yù)研工作。與5G相比，6G需要在數(shù)據(jù)速率、時延、連接設(shè)備密度等關(guān)鍵性能指標實現(xiàn)突破[1]，例如，6G需要提供Tbps的數(shù)據(jù)速率來滿足未來人們對數(shù)據(jù)速率的需求[2]。

為了實現(xiàn)Tbps的數(shù)據(jù)速率，需要在已有頻譜資源的基礎(chǔ)上，尋求更大帶寬的頻譜資源。2019年11月，2019年世界無線電通信大會（WRC-19）最終確定275GHz～296 GHz、306 GHz～313 GHz、318 GHz～333 GHz和356 GHz～450 GHz這四個頻段由各主管部門用于實施陸地移動和固定業(yè)務(wù)應(yīng)用。這些頻段屬于太赫茲頻段，太赫茲是頻譜范圍在0.1 THz～10 THz的電磁波，介于毫米波與可見光之間，其可供開發(fā)利用的極其寬廣的頻帶范圍可以承載數(shù)百吉赫茲甚至太赫茲的帶寬，可以極大地提升系統(tǒng)容量，被預(yù)期支持6G對數(shù)據(jù)速率指標的需求[3]。

目前為止，各國已經(jīng)開展了對太赫茲技術(shù)的研究。美國早在2004年就將太赫茲技術(shù)列為“改變未來世界的十大科學(xué)技術(shù)之一”，2019年3月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）正式啟動95 GHz～3 THz頻段許可和免授權(quán)使用，為太赫茲研究提供頻譜資源。2017年9月，歐盟啟動了研究B5G的太赫茲通信項目，德國在0.24 THz實現(xiàn)了100 Gb/s的高速率傳輸。在2013年，我國國家自然科學(xué)基金委與中國科學(xué)院聯(lián)合成立“太赫茲科學(xué)技術(shù)前沿戰(zhàn)略研究基地”，2015年科技部開展863計劃項目“毫米波與太赫茲無線通信技術(shù)開發(fā)”，2019年成立國家重大專項“星間太赫茲組網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)研究”項目，開展對太赫茲頻段的研究和利用。

無線電波從發(fā)送機天線發(fā)射后到達接收機天線所經(jīng)歷的通道就是無線信道，信道的特性決定了移動通信系統(tǒng)的性能[4]。而太赫茲信道模型是太赫茲通信系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化的基礎(chǔ)。信道建模就是在現(xiàn)有的信道測量平臺測量得到數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)公式刻畫信道各項參數(shù)，進而能夠更加科學(xué)地搭建無線平臺以及開發(fā)應(yīng)用。如圖1所示，太赫茲頻段頻率高，波長短，具有與微波等低頻不一樣的信道特性且分子效應(yīng)更加明顯。自由空間損耗與頻率的平方成正比，因此，太赫茲波在傳播過程中會經(jīng)歷較大的傳輸損耗。而且，由于波長變短，大氣中存在的微小顆粒（冰晶）以及水蒸氣等分子帶來的分子吸收效應(yīng)將十分明顯，同時在低頻段可以視為光滑表面的障礙體將變得粗糙，將存在新的反射、散射特性。這都將給信道研究帶來新的挑戰(zhàn)[5]。

1? ?太赫茲信道特性

隨著電磁波頻率增大，波長變短，太赫茲信道具備與低頻信道不同的信道特性。太赫茲在大氣中傳播時，水蒸氣、云、冰晶以及沙塵等各類分子會增大路徑損耗。而且，太赫茲波長較短，對物體表面粗糙程度更為敏感，這會對太赫茲信道折射、反射系數(shù)產(chǎn)生影響。另外，太赫茲還具有特殊的物理特性。太赫茲信道特性具體介紹如下。

由于太赫茲頻段具有明顯的分子吸收特性，不同分子對太赫茲信道特性影響成為研究重點之一，從大氣、降雨和沙塵三個方面對太赫茲頻段的分子吸收特性展開介紹。在沒有云或雨水形式的冷凝水的情況下，大氣引起的衰減是影響無線電波傳播的主要因素。太赫茲傳輸衰減對介質(zhì)的分子組成和傳輸距離都有很強的依賴性。影響太赫茲信道特性的主要因素是水蒸氣分子的吸收，如圖2所示，線A、線B和線C分別代表無線電波在大氣氣體、水蒸氣和氧氣中的傳輸損耗?？梢钥闯觯€A實際上在太赫茲頻段與線B重疊，顯示了水蒸氣在太赫茲頻段傳輸損耗中的主要作用[6]。而且水蒸氣分子不僅衰減了傳輸?shù)男盘?，還引入了有色噪聲[7]。在晴空條件和地面連接的條件下，以150 GHz為中心頻率的頻帶已經(jīng)用于實驗點對點固定鏈路中，其路徑長度約為1 km[8]。而且太赫茲系統(tǒng)中由于大氣水蒸氣分子隨頻率變化的折射率的不同導(dǎo)致大帶寬下的色散效應(yīng)，將對太赫茲無線數(shù)據(jù)傳輸速率產(chǎn)生顯著影響，需要通過補償方案來解決太赫茲脈沖的大氣色散問題[9]。

其次，云或者降雨等形式的冷凝水對無線電波傳輸將增大傳輸損耗。非球形冰晶的衰減要強于球形液滴，對于0.1 THz到1 THz之間的頻率，散射可以忽略不計[10]。對于降雨來說，當頻率高于90 GHz時，雨水的影響趨于恒定，即在90 GHz以上時，降雨衰減在給定降雨強度條件下不會隨著頻率改變發(fā)生顯著變化[6]。

而沙塵散射對太赫茲信道的影響很小，太赫茲波在沙塵條件下具有很好的穿透性，隨著沙塵厚度的增加透射率降低[11]。在太赫茲頻段，塵埃等離子體的各種參數(shù)對太赫茲信道特性的影響可以忽略。因此，使用太赫茲技術(shù)穿透空間不均勻且隨時間變化的塵土等離子體是可行的[12]。

隨著頻率升高至太赫茲頻段，不僅大氣中各類分子會對電磁波傳輸產(chǎn)生影響，而且由于波長變短，低頻光滑的表面會在太赫茲頻段變得粗糙，改變反射、散射系數(shù)。文獻[13]利用射線追蹤技術(shù)仿真評估了表面粗糙度不同的石膏在室內(nèi)環(huán)境對太赫茲信道傳輸產(chǎn)生的影響，粗糙度為σh=0.15 mm和σh=0.30 mm的石膏將會在307.4 GHz產(chǎn)生28.3 dB和30.5 dB的偏差。文獻[15]對比厚度為4 mm的隔音天花板和厚度為3 mm的木板的反射信號的路徑損耗，由圖3可以看出隔音天花板比木板的路徑傳輸損耗更低。

太赫茲波自身具備特殊的物理特性。如表1所示，相比于x光等常見檢測成像技術(shù)，太赫茲波的量子能量和黑體溫度很低，對生物組織不會造成電離損傷，同時具備強透射能力，使其能夠應(yīng)用于更加安全的醫(yī)學(xué)成像，可以作為x光和超聲波成像技術(shù)的補充。同時由于某些分子對太赫茲具有特殊的響應(yīng)和吸收特征，對太赫茲波譜分析可以很好地用于檢測危險物品，例如毒品或生物病毒。因此，太赫茲在公共安全檢測方面具備很大的研究潛力。同時，由于大量有機分子的旋轉(zhuǎn)和振動能級、半導(dǎo)體的子帶和微帶能量處于太赫茲波段，太赫茲波能夠獲得大量的生物化學(xué)、半導(dǎo)體等材料信息，也可以在疾病診斷、癌細胞的表皮成像等方面發(fā)揮作用。

2? ? 太赫茲信道建模

為了優(yōu)化和設(shè)計太赫茲無線通信系統(tǒng)，建立有效的信道模型至關(guān)重要[3]。太赫茲信道建模的方法通?？梢苑譃閮煞N：確定性建模方法和統(tǒng)計性建模方法。下文將分別介紹兩種太赫茲信道建模方法和研究成果。

2.1? 確定性信道建模

確定性信道建模方法是根據(jù)當前應(yīng)用場景基于光學(xué)和電磁學(xué)傳播理論分析來建立無線電信道模型。其優(yōu)點是不需要進行實測，缺點是需要非常詳細的應(yīng)用場景信息以及計算復(fù)雜度高。A Moldovan等人基于Kirchhoff散射理論和射線追蹤技術(shù)，提出了一個適用于0.1 THz至1 THz頻率范圍的確定性大尺度衰落模型。即將視距（LOS）徑也即直射徑損耗確定性建模為自由空間路徑損耗與分子吸收損耗之和[16]：

其中，f是電磁波的頻率，d代表收發(fā)端之間的距離，c是光速，Aabs代表了分子吸收衰減，分子吸收系數(shù)包含了溫度TK、頻率f和壓強p對分子吸收的影響，Aspread代表了太赫茲頻段下自由空間衰減。

圖4對比了在兩種不同濕度不同溫度下總路徑損耗隨頻率和路徑的變化，可以明顯地看出隨著水蒸氣濃度的增大總的路徑損耗也隨之增大。

然而，上述模型僅考慮了在收發(fā)端之間的LOS傳播路徑，并未將非視距（NLOS）傳播路徑加入考量，NLOS傳播路徑包括反射徑和散射徑。為了考慮NLOS傳播模型，基于視線追蹤技術(shù)在太赫茲頻段中建立統(tǒng)一的多射線大尺度衰落模型，LOS徑建模如式（1）所示，對于反射波，建模為：

根據(jù)修正過的Beckmann-Kirchhoff理論得出粗糙表面的散射系數(shù)S（ f ）。如圖5（b）所示，將s1表示為發(fā)射器與散射點之間的距離，將s2表示為散射點與接收器之間的距離。

C Han、A O Bicen和I F Akyildiz對上述模型進行了驗證，如圖6所示，可以看出無論是反射徑還是散射徑都能夠很好的契合。在發(fā)射端（Tx）和接收端（Rx）之間相隔3 m，頻率為300 GHz條件下，LOS徑增益達到-90.6 dB，總增益達到-86.5 dB[10]。C Han和I F Akyildiz基于光線追蹤技術(shù)開發(fā)了三維多徑的大尺度信道模型[18]，其對反射和散射路損建模與文獻[10]中一致。

S Priebe和T Krner利用射線追蹤技術(shù)建模300 GHz室內(nèi)環(huán)境，用自由空間路徑損耗公式對LOS徑幅度進行大尺度衰落建模。對于小尺度衰落，LOS徑時延被建模為τLOS=，遞歸計算各階反射徑時延，如圖7所示，一階反射徑時延測量和計算可以很好的擬合，二階則圍繞近似函數(shù)波動，這是由額外的高斯分布隨機變量引起的。將LOS徑相位建模為時延的一階函數(shù)φLOS=-2πf .τLOS，反射徑上的相位則在-180°和180°內(nèi)均勻建模。并且以均勻方式對水平到達角（AOA）進行建模，并通過AOA上增加一個差異值計算出水平離開角（AOD），該差異值等于180°的倍數(shù)[19]。

2.2? 統(tǒng)計性信道建模

統(tǒng)計性信道建模通過在應(yīng)用場景利用測量平臺進行實際測量，并擬合實際的數(shù)據(jù)得到各個信道參數(shù)的經(jīng)驗分布和統(tǒng)計特性，最后基于統(tǒng)計特性重構(gòu)信道。S Kim和A G Zaji?基于短距離實際測量建立LOS徑路徑損耗模型：

其中，路徑損耗指數(shù)表示路徑損耗對Tx和Rx之間距離的依賴程度，將陰影衰落參數(shù)Xσ建模為標準偏差為σ的零均值高斯隨機分布。如圖8所示在300 GHz進行測量，得到隨距離變化的擬合曲線，結(jié)果表明，在300 GHz～320 GHz范圍內(nèi)，γ在2左右浮動，而σ則存在較大偏差[20]。

D He等人基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成220 GHz～340 GHz的信道測量，提出太赫茲頻段信息下載應(yīng)用程序的傳播信道模型。傳輸路徑的幅度用對數(shù)距離模型來表示：

A0的值由頻率和前蓋PET窗口的校準衰減參數(shù)表示為：

根據(jù)測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)n=2和APET=1.97 dB。小尺度衰落方面，將LOS徑上的相位建模為時延的一階函數(shù)φLOS=-2πf .τtrans，反射徑上的相位則在一定角度范圍內(nèi)均勻分布建模。LOS徑的方位角AOD取決于前蓋的寬度和高度以及前蓋與發(fā)射器之間的距離，而AOA則由AOD推算得出，反射徑的相關(guān)角度則在LOS徑相關(guān)角度的基礎(chǔ)上增加修正量來進行表示[21]。

K Guan等人基于M序列相關(guān)性使用信道探測儀得到高鐵/火車車內(nèi)的信道脈沖相應(yīng)（CIR），根據(jù)第三代合作伙伴計劃（3GPP）模型擬合路徑損耗，得到公式與式（7）相似：

其中，A和B分別表示斜率和截距，Xσ表示為零均值標準偏差為σ的高斯隨機變量。在300 GHz，LOS徑上發(fā)射端放置于車中心時，A為21.66，B為79.77，σ為5.59，而當發(fā)射端放置于車頭或者車尾時，A為20.68，B為79.95，σ為5.56。車內(nèi)通道的角度擴展由頻率和位置共同確定，在300 GHz處的角度擴展通常小于60 GHz，同時在大多數(shù)情況下，Tx和Rx側(cè)面的角度擴展不對稱[22]。

C Cheng等人使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在類似數(shù)據(jù)中心的環(huán)境進行測量，對大小尺度衰落均進行建模研究分析。大尺度衰落方面，使用浮動截距（Floating-Intercept， FI）方程對路徑損耗進行建模：

如圖9（a）所示，兩種傳輸路徑損耗均能很好擬合接近，其中LOS徑上浮動截距α為43.2 dB，路徑損耗指數(shù)β為1.94，零均值標準偏差為σ的高斯分布陰影增益XσFI為0.06 dB。小尺度衰落方面，將數(shù)據(jù)中心的LOS徑時延建模為對距離單調(diào)以依賴的線性擬合模型：

其中，GT0是參考距離d0處的τrms，ε是線性擬合的斜率，Lσ是零均值高斯分布，具有標準偏差σ。收發(fā)端都在機箱頂部的LOS徑GT0是-103.5 dB，ε為0.38，Lσ為1.4，而發(fā)端在機箱頂部，收端放置于機箱中部的LOS徑GT0是-107.8 dB，ε為0.83，Lσ為1.9，如圖9（b）所示，測量值在擬合公式上下范圍內(nèi)波動[17]。

3? ? 結(jié)束語

本文綜述了太赫茲信道特性與建模的研究現(xiàn)狀。首先，介紹了太赫茲信道與低頻信道不同的傳播特性，例如分子吸收特性，障礙物表面粗糙度對折射、反射系數(shù)的影響特性以及太赫茲波自身的物理特性等。其次介紹了統(tǒng)計性建模和確定性建模兩種信道建模方式，并介紹基于這兩種建模方法的太赫茲信道建模研究成果。展望未來太赫茲信道研究，幾個挑戰(zhàn)性的問題等待解決。首先是太赫茲信道的空間特性在當前研究中相對缺乏;其次需要探究由于高頻率、大帶寬和大規(guī)模MIMO天線陣列帶來的非平穩(wěn)太赫茲信道特性;最后，是否需要開發(fā)新的建模方法研究太赫茲信道模型[5]。隨著研究的深入，相信太赫茲通信技術(shù)將成為6G的重要組成部分，而且會應(yīng)用于社會生活的方方面面。

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作者簡介

田浩宇：學(xué)士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向是太赫茲信道測量與建模。

唐盼：博士后，現(xiàn)任職于北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，主要研究方向是V2V、毫米波、太赫茲信道測量與建模等，在國內(nèi)外核心期刊和會議發(fā)表論文數(shù)十篇。

張建華：北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院教授，現(xiàn)任我國IMT-2020（5G）推進組頻率子組副組長，IMT-2030（6G）工作組頻率子組副組長，主要研究方向是移動通信信道建模理論和傳輸技術(shù)等，發(fā)表SCI論文70余篇，獲國家授權(quán)發(fā)明專利40余項。2016年當選ITU-R IMT-2020（5G）信道模型起草組主席，負責起草了5G信道模型國際標準。2019年獲得國家杰出青年基金資助。先后兩次獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎等獎勵。