謝莎　李浩然　李玲香　陳智　李少謙

【摘? 要】在6G中，太赫茲通信由于能提供極高的數(shù)據(jù)速率與巨大帶寬，具有極大應(yīng)用潛力。首先調(diào)研了6G的發(fā)展規(guī)劃與訴求，然后介紹了應(yīng)對(duì)新訴求下THz通信的優(yōu)勢與應(yīng)用場景，包括THz納米級(jí)應(yīng)用、THz無線接入服務(wù)、THz超大容量回程、THz安全通信以及THz空間通信。最后指出THz通信發(fā)展趨勢與技術(shù)挑戰(zhàn)，包括THz通信器件、無線覆蓋增強(qiáng)技術(shù)、超大規(guī)模MIMO技術(shù)、THz定向組網(wǎng)技術(shù)、綠色THz通信技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】6G;太赫茲通信;超高數(shù)據(jù)速率;海量頻譜資源

0? ?引言

隨著智能終端和新興應(yīng)用（如實(shí)時(shí)和交互服務(wù)）的快速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)流量急劇增加，其中移動(dòng)數(shù)據(jù)流量、視頻流量預(yù)計(jì)將在2016年至2021年間分別增長7倍和3倍[1]，現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)無法完全滿足這種快速增長的需求。

為了迎接未來的挑戰(zhàn)，6G網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)引起了各國的廣泛關(guān)注。截至目前，歐盟、國際電信聯(lián)盟等多個(gè)組織，以及中國、美國、日本和芬蘭等多個(gè)國家已經(jīng)相繼部署開展6G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究。

相比于目前已存在的無線通信系統(tǒng)，6G預(yù)計(jì)在速度、延遲和容量方面帶來極大的飛躍。在速度方面，6G將具有海量的頻譜資源，例如，作為6G候選頻段之一的太赫茲（THz， Terahertz）頻段頻譜范圍為0.1—10 THz，遠(yuǎn)比5G 毫米波（mmWave，millimeter Wave）頻段（頻譜范圍為30—300 GHz）豐富。如此海量的帶寬資源將可以提供超高的數(shù)據(jù)速率，如實(shí)現(xiàn)Tbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，預(yù)計(jì)將比5G快100到1 000倍。在延遲方面，6G將提供相比于5G更低的延遲。具體地，5G使工業(yè)自動(dòng)化、無人駕駛、拓展現(xiàn)實(shí)（XR， Extended Reality）等成為可能，但人類仍能感知到存在的延遲。而6G在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行提升，力求達(dá)到人類無法察覺的延遲，因此對(duì)延遲的要求變得更加嚴(yán)格。在容量方面，6G期望實(shí)現(xiàn)全維度的覆蓋，因此能有效地為上萬億級(jí)別數(shù)量的設(shè)備連接提供足夠的支持，而在5G網(wǎng)絡(luò)中，可以支持的移動(dòng)設(shè)備連接數(shù)量為數(shù)十億級(jí)別。因此，6G網(wǎng)絡(luò)的容量可能會(huì)比5G系統(tǒng)高10到1 000倍。

1? ?6G發(fā)展規(guī)劃與愿景

1.1? 發(fā)展規(guī)劃與愿景

5G技術(shù)側(cè)重實(shí)現(xiàn)人、車聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)之間的通信，提出的三大重要服務(wù)場景：增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬、大規(guī)模機(jī)器類通信以及高可靠低時(shí)延通信，為未來2020～2030年的5G愿景“信息隨心至，萬物觸手及”提供堅(jiān)實(shí)支持[2]。然而，隨著全球無線接入設(shè)備的激增，對(duì)于時(shí)延性能要求極高的應(yīng)用大量出現(xiàn)，如時(shí)延甚至要達(dá)到1 ms的觸覺互聯(lián)網(wǎng)（TI， Tactile Internet）應(yīng)用，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了5G技術(shù)的支持能力。此外，在5G場景中，不能在有海量接入的場景中同時(shí)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延高可靠的性能。因此，不難推測，2030年5G技術(shù)的容量將會(huì)達(dá)到極限[3]。

為了進(jìn)一步提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的適用范圍以及適用能力，6G將依托5G技術(shù)，進(jìn)一步在以人類需求為根本的“隨時(shí)隨地隨心的智慧網(wǎng)絡(luò)”的基礎(chǔ)上進(jìn)行探索。一方面，6G技術(shù)將實(shí)現(xiàn)在宏觀以及微觀人類通信的無縫連接：“空-天-陸-?！比S度的服務(wù)范圍將解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、無人區(qū)，以及地質(zhì)災(zāi)害造成的基站毀壞等地區(qū)通信問題[2];納米網(wǎng)絡(luò)在微觀世界的部署將進(jìn)一步探索人類微觀生理結(jié)構(gòu)。另一方面，6G網(wǎng)絡(luò)“智慧”的本質(zhì)是滿足不同個(gè)體的個(gè)性化需求，即6G網(wǎng)絡(luò)可以提供類人思維方式的服務(wù)（包括分析人類情感、感官以及通信環(huán)境[2]）。6G時(shí)代，將實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入、超低時(shí)延的要求、智能分析能力、安全可靠的服務(wù)以及高能效網(wǎng)絡(luò)部署[4]，一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

1.2? 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了加快開啟6G技術(shù)的研究步伐，實(shí)現(xiàn)“以人類需求為本”的個(gè)性化需求，各個(gè)國家以及組織在積極推進(jìn)6G技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程。6G網(wǎng)絡(luò)的正式部署預(yù)計(jì)將于2027～2030年展開。因此，如何進(jìn)行6G網(wǎng)絡(luò)的部署至關(guān)重要。

首先，“空-天-陸-?！比S度網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要：地球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及飛機(jī)、無人機(jī)、飛艇等空中飛行設(shè)備組成的“空天”網(wǎng)絡(luò);深海潛艇以及海上航行的船只等構(gòu)成的深海通信網(wǎng)絡(luò)，以及將“空-天-?！蓖ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)蜂窩、無線局域網(wǎng)等統(tǒng)一規(guī)劃連接，最終形成覆蓋全球全地形的全維度通信系統(tǒng)。

其二，超密度小蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將成為各式應(yīng)用的主要支撐。為了滿足人類需求，各式新興應(yīng)用包括拓展現(xiàn)實(shí)、全息通信、智能醫(yī)療、無線腦-機(jī)交互、自動(dòng)化制造等，海量超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將成為6G一大特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)更高的能源效率和頻譜利用率、提高通信服務(wù)質(zhì)量，小蜂窩網(wǎng)絡(luò)成為6G發(fā)展的一個(gè)趨勢，另外利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)為通信服務(wù)質(zhì)量提供了有力保障。

其三，TI網(wǎng)絡(luò)將成為6G網(wǎng)絡(luò)的“大腦”。TI網(wǎng)絡(luò)通過與深度學(xué)習(xí)以及人工智能建立的智能連接，以類人思維為人類提供更好的服務(wù)。TI網(wǎng)絡(luò)將利用網(wǎng)絡(luò)軟件化虛擬化，確保網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可重構(gòu)性以及可編程性，實(shí)現(xiàn)物理基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)數(shù)十億臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，從而使得全球網(wǎng)絡(luò)融為一體，為用戶提供“隨時(shí)隨地隨心”的通信服務(wù)。

1.3? 6G關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)6G的新訴求，需要探索新興技術(shù)，進(jìn)一步提高6G網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、靈活性和效率。

（1）物聯(lián)網(wǎng)

未來以萬物互聯(lián)為目標(biāo)，6G將是一個(gè)超密集、超靈活的網(wǎng)絡(luò)，可以整合不同的技術(shù)，滿足各種不同的服務(wù)需求，因此物聯(lián)網(wǎng)成為了6G技術(shù)的關(guān)鍵。

（2）人工智能

隨著6G網(wǎng)絡(luò)中接入設(shè)備數(shù)量的急劇增加，網(wǎng)絡(luò)愈加復(fù)雜，因此需要進(jìn)行更加智能化的管理?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)可以改進(jìn)6G中系統(tǒng)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)[7]。

（3）大規(guī)模MIMO技術(shù)

從8天線的4G MIMO到256/1024天線的5G MIMO，多天線技術(shù)在無線通信中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，可以顯著提高能量效率，減少延遲，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在6G中用戶數(shù)量更多，數(shù)據(jù)速率要求更高，因此大規(guī)模MIMO技術(shù)在6G中也同樣重要，預(yù)計(jì)在天線陣列中將部署超過10 000個(gè)天線單元[8]。

（4）激光和可見光通信

基于電磁波信號(hào)的無線通信無法為“空-天-陸-海”全覆蓋場景提供高速率傳輸。而激光和可見光通信分別利用激光束和由發(fā)光二極管產(chǎn)生的可見光實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，適用于自由空間和水下等環(huán)境。

（5）量子通信

量子的不可克隆性，為量子通信的安全性提供了強(qiáng)有力的保障，這是因?yàn)楫?dāng)竊聽者在量子通信中進(jìn)行觀察、測量或復(fù)制操作時(shí)，量子狀態(tài)會(huì)馬上改變，不再是之前的量子，由此防止了竊聽。同時(shí)在量子密鑰分發(fā)技術(shù)中，通過量子密鑰對(duì)信息進(jìn)行加密，極大提高了信息的安全性[9]。

（6）THz通信

THz頻段的范圍為0.1 THz到10 THz，在長波段與毫米波相重合，在短波段與紅外光相重合。THz通信技術(shù)集成了微波通信與光通信的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是滿足移動(dòng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)流量需求的關(guān)鍵無線技術(shù)，可以解決當(dāng)前無線系統(tǒng)的頻譜稀缺和容量限制等問題。

2? ? 面向6G的THz通信

2.1? THz通信的優(yōu)勢

為滿足通信網(wǎng)絡(luò)中不斷增長的需求[10-11]，mmWave和THz以及光通信（包括紅外線、可見光以及深紫外線頻段）備受關(guān)注，本節(jié)將對(duì)比mmWave、光通信，對(duì)THz通信優(yōu)勢進(jìn)行闡述，圖1為無線電頻譜示意及應(yīng)用：

（1）Tbit/s級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸速率

THz頻段，其有效帶寬比mmWave頻段高三個(gè)數(shù)量級(jí)，能提供Tbit/s級(jí)的無線傳輸鏈路，而mmWave、紅外線以及可見光通信只能提供10 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

（2）天氣條件因素影響低

THz波長短不易衍射，當(dāng)遇到霧、塵以及湍流等天氣時(shí)，THz通信表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，而紅外線通信卻會(huì)受到很大衰減。此外紅外線以及可見光通信會(huì)受室內(nèi)外出現(xiàn)的熒光燈以及日/月光噪聲的影響。

（3）安全性

THz的安全性包括兩方面，一方面非電離的THz頻段對(duì)人體健康沒有危害，另一方面，由于THz頻段波長短，比mmWave具有更高的方向性，因此，THz未經(jīng)授權(quán)的用戶必須在較窄的發(fā)射波束范圍內(nèi)攔截消息。此外，THz頻段頻譜資源豐富，充足的帶寬資源為擴(kuò)頻、跳頻等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供保障，而這些技術(shù)將為THz通信的抗干擾性提供強(qiáng)大支撐。

（4）可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信

光通信相比于THz通信具有更高方向性，然而這對(duì)收發(fā)端的方向性要求極高，因此對(duì)于紅外線和可見光只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。mmWave和THz由于存在非視線路徑，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)到單點(diǎn)通信。

綜上，表2對(duì)比了以上各頻段通信系統(tǒng)的性能：

2.2? THz通信的應(yīng)用場景

THz通信技術(shù)憑借其極高的數(shù)據(jù)傳輸速率、安全性等一系列優(yōu)勢，將為人類提供從納米通信到衛(wèi)星通信的覆蓋全球的應(yīng)用服務(wù)。接下來，介紹THz通信技術(shù)的應(yīng)用場景，具體示意如圖2所示。

（1）THz納米級(jí)應(yīng)用

納米級(jí)場景兩個(gè)典型應(yīng)用是納米網(wǎng)絡(luò)、片上及片間通信。納米網(wǎng)絡(luò)將許多納米機(jī)器人連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于環(huán)境傳感和人體醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。此外，在每個(gè)芯片中加入越來越多的計(jì)算核心來實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的縱向擴(kuò)展是目前提高算力主要方法。為了實(shí)現(xiàn)核心間公共數(shù)據(jù)共享并同步其活動(dòng)，THz將為芯片間的這種通信提供快速、可靠的服務(wù)[13]。

（2）THz無線接入服務(wù)

THz通信可進(jìn)一步提高多媒體應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量，如視頻格式Super Hi-Vision的分辨率為7680×4320，需要超過24 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率[12]。此外，THz通信可以支持如拓展現(xiàn)實(shí)、全息通信這類數(shù)據(jù)量極大且對(duì)時(shí)延要求極高的新興業(yè)務(wù)[12]?？紤]到如公共建筑入口、商場大廳、賽事場館等人流量數(shù)據(jù)量極大的場所，THz通信同樣可以滿足其需求。當(dāng)用戶具有高速移動(dòng)性時(shí)，THz還可以支持高速移動(dòng)通信，如自動(dòng)駕駛。

（3）THz超大容量回程

6G時(shí)代，在蜂窩基站之間（回程）或蜂窩基站與遠(yuǎn)程電臺(tái)之間（前端）進(jìn)行數(shù)Gbit/s的通信，將會(huì)帶來巨大的回程容量。THz技術(shù)憑借極大的數(shù)據(jù)傳輸速率（峰值傳輸數(shù)據(jù)速率達(dá)到1 Tbit/s），將成為解決回程鏈路100 Gbit/s標(biāo)準(zhǔn)容量的有效方案之一[14]。

（4）THz安全通信

解決竊聽以及干擾攻擊是保證用戶通信隱私及安全的關(guān)鍵。幸運(yùn)的是，如2.1節(jié)闡述，THz的高定向窄波束的存在和極寬的通信帶寬使得竊聽和干擾極難發(fā)生。目前THz安全通信在軍事場景中的典型應(yīng)用是不同的作戰(zhàn)單位可以在較短距離內(nèi)組成一個(gè)THz自組織網(wǎng)絡(luò)，避免了作戰(zhàn)信息的泄漏，保證了通信安全。在民用領(lǐng)域，特定的應(yīng)用包括從帶有無線身份驗(yàn)證的自動(dòng)取款機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)下載的kiosk系統(tǒng)，利用THz技術(shù)的有限通信范圍和窄波束保證了消息的機(jī)密性。

（5）THz空間通信

在太空沒有THz吸收損耗，因此THz頻段下的衛(wèi)星通信傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)，且THz通信終端具備小型化的優(yōu)點(diǎn)[15]，使得THz空間通信極具前景，如實(shí)時(shí)太空觀景[8]。

3? ?THz通信技術(shù)發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

6G技術(shù)帶來海量接入、高可靠、超低時(shí)延、智能分析以及安全的性質(zhì)，將進(jìn)一步推動(dòng)新型應(yīng)用的開發(fā)，為用戶提供沉浸式、智能的服務(wù)。接下來，介紹面向6G的THz通信發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)。

3.1? THz通信器件

盡管各式半導(dǎo)體、金屬等材料的器件的提出大幅度提高了THz通信設(shè)備性能，但是目前的THz器件仍不能滿足超高性能的THz通信技術(shù)要求。首先，THz射頻器件發(fā)射功率有限，限制了THz在室外遠(yuǎn)距離通信場景中的應(yīng)用。與此同時(shí)，在THz通信中，隨著發(fā)射功率的提高，器件會(huì)更容易“發(fā)燙”，因此會(huì)對(duì)器件的微散熱技術(shù)提出更高要求。

其次，THz通信需要高天線增益來補(bǔ)償極大的信號(hào)傳輸損耗，因此高增益的、靈活的THz天線設(shè)備至關(guān)重要。目前，反射面天線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高增益THz天線的主要手段，然而這種技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)靈活的波束成形，限制了THz頻段下多用戶復(fù)雜通信的實(shí)現(xiàn)。因此考慮使用相控陣列天線增大THz天線靈活性。然而，目前THz相控陣列天線的技術(shù)突破有限，仍需要在材料、器件等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)攻關(guān)。

再有，未來6G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)端用戶將以海量的形式存在，這就要求通信端THz核心芯片具備集成度高、體積小等特點(diǎn)。然而當(dāng)傳輸距離達(dá)到幾十米甚至是公里級(jí)別時(shí)，THz通信能耗就會(huì)極大提高，大大縮短了移動(dòng)端電池的使用壽命。此外，相對(duì)其他技術(shù)（例如信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理速度），在有限尺寸大小的移動(dòng)端，提升電池容量的技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，因此一定程度上限制了THz通信的移動(dòng)應(yīng)用。

3.2? 無線覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

由于路徑損耗高，單一的THz系統(tǒng)通信范圍有限，需要結(jié)合其他技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更廣的覆蓋范圍。

（1）地面移動(dòng)通信

在地面通信中，由于分子吸收和自由空間損耗，極大限制了通信距離。因此，可以結(jié)合可重構(gòu)智能表面或（和）無人機(jī)來提高通信距離。

可重構(gòu)智能表面通過可調(diào)的移相器對(duì)入射信號(hào)進(jìn)行反射，可以提高接收機(jī)的信號(hào)質(zhì)量，不需要專門花費(fèi)能量在射頻處理、編碼、解碼或重傳上[16]?？芍貥?gòu)智能表面克服了半波長限制，具有成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。此外，無人機(jī)由于體積小、重量輕，因此具有極高的靈活性以及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的極強(qiáng)適應(yīng)性[17]。當(dāng)?shù)孛嬗脩襞c基站/其他用戶的通信鏈路遭到建筑物、植物等障礙物的阻斷時(shí)，通過收集通信周圍環(huán)境以及通信雙方位置信息，無人機(jī)可以在空中進(jìn)行有效放置，以此為通信雙方提供另外一條輔助通信鏈路。同時(shí)當(dāng)通信雙方距離比較遠(yuǎn)，無法進(jìn)行正常通信時(shí)，無人機(jī)可以充當(dāng)中繼的作用，以此實(shí)現(xiàn)雙方的正常通信，因此在通信中運(yùn)用無人機(jī)可以提高通信范圍。

需要注意的是，與無人機(jī)運(yùn)行在當(dāng)前無線通信系統(tǒng)中相比，當(dāng)無人機(jī)運(yùn)用到THz通信系統(tǒng)中，會(huì)消耗無人機(jī)更多的能量，由此續(xù)航不足問題會(huì)更加尖銳，不能長時(shí)間提供穩(wěn)定的通信鏈路。另一方面，結(jié)合可重構(gòu)智能表面/無人機(jī)擴(kuò)大通信范圍時(shí)，需要考慮放置、資源調(diào)度和分配等問題，當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路數(shù)量龐大時(shí)，相關(guān)問題會(huì)更復(fù)雜，需要運(yùn)用高效的資源管理技術(shù)，提升系統(tǒng)性能。

（2）衛(wèi)星輔助通信

衛(wèi)星輔助的無線通信可以提供更大的覆蓋范圍，這是因?yàn)樵谔罩袩oTHz吸收損耗問題，因此在THz頻段的衛(wèi)星通信傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)。特別是運(yùn)用低地球軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)，由于衛(wèi)星軌道高度相對(duì)較低，因此可以實(shí)現(xiàn)較低的傳輸時(shí)延。此外，當(dāng)終端具有極高移動(dòng)性時(shí)，地面移動(dòng)通信系統(tǒng)不足以對(duì)終端的位置變化等信息做出快速響應(yīng)，而衛(wèi)星通信則可以很好應(yīng)對(duì)這種高速移動(dòng)覆蓋問題。

但是，衛(wèi)星輔助通信存在以下挑戰(zhàn)：其一是當(dāng)無線通信系統(tǒng)中衛(wèi)星的數(shù)量較大時(shí)，對(duì)衛(wèi)星的控制、操作和管理問題會(huì)變得比較困難，并且衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)的集成也面臨巨大的挑戰(zhàn)。其二，由于THz波束具有高方向性，且從衛(wèi)星到接收端需要經(jīng)歷的距離仍然很遠(yuǎn)，因此在應(yīng)用時(shí)，會(huì)涉及波束對(duì)準(zhǔn)的問題，即當(dāng)傳輸鏈路較遠(yuǎn)時(shí)，即使波束出發(fā)的方向與接收端方向之間的偏差較小，但也極大可能會(huì)導(dǎo)致波束到達(dá)位置與接收端位置產(chǎn)生極大的偏差，由此帶來信息傳輸?shù)氖　?/p>

3.3? 超大規(guī)模MIMO技術(shù)

在THz通信系統(tǒng)中，由于天線尺寸變小以及THz波束經(jīng)歷更高的路徑損耗，天線數(shù)量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于mmWave通信系統(tǒng)，從而出現(xiàn)了超大規(guī)模MIMO，這是大規(guī)模MIMO（massive MIMO）的進(jìn)一步升級(jí)，例如1 THz時(shí)，在1平方毫米內(nèi)可嵌入1 024個(gè)天線陣列單元[18]。

然而，超大規(guī)模MIMO技術(shù)也帶來新問題。第一，超大型天線陣列意味著更多的陣列單元，隨著而來的是對(duì)陣列單元的分組和控制變得更具挑戰(zhàn);第二，隨著天線陣列規(guī)模的提升，能耗也隨之增加，因此需要考慮超大型天線陣列帶來的性能提升與能耗之間的權(quán)衡;第三，由于并行信道增多，相比mmWave通信，THz通信中超大規(guī)模MIMO下的信道估計(jì)會(huì)更復(fù)雜。

3.4? THz定向組網(wǎng)技術(shù)

傳統(tǒng)的全向組網(wǎng)技術(shù)是節(jié)點(diǎn)利用全向天線進(jìn)行全方向的鄰居發(fā)現(xiàn)，然而全向天線易受干擾，且全方向鄰居發(fā)現(xiàn)花費(fèi)時(shí)間長，耗能高[19]。因此在THz通信中，考慮部署定向天線完成組網(wǎng)，以此提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和降低能耗，實(shí)現(xiàn)更廣的通信距離。

與全向組網(wǎng)技術(shù)不同，在定向組網(wǎng)技術(shù)中，節(jié)點(diǎn)要想與鄰居實(shí)現(xiàn)通信過程，節(jié)點(diǎn)的天線就必須指向鄰居的具體位置。一般來說，節(jié)點(diǎn)事先并不清楚鄰居的位置信息，因此在定向組網(wǎng)中，如何實(shí)現(xiàn)高效的鄰居位置發(fā)現(xiàn)算法至關(guān)重要。此外，配置了定向天線的節(jié)點(diǎn)的初始方向和波束寬度等天線特性也將在一定程度上影響到鄰居位置發(fā)現(xiàn)算法效率。

同時(shí)，在THz通信中部署定向天線，對(duì)媒體訪問控制協(xié)議的設(shè)計(jì)也提出了新的挑戰(zhàn)。一方面，雖然定向天線的使用讓節(jié)點(diǎn)可以選擇性地接收信號(hào)，然而節(jié)點(diǎn)會(huì)忽略其他嘗試與它通信的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)沒有收到響應(yīng)時(shí)，會(huì)繼續(xù)重傳，因此如何設(shè)計(jì)協(xié)議減少無效傳輸是媒體訪問控制協(xié)議關(guān)注重點(diǎn)。另一方面，考慮到THz易阻斷的性質(zhì)，如何通過協(xié)議保證節(jié)點(diǎn)間通信的質(zhì)量也是媒體訪問控制協(xié)議的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

3.5? 綠色THz通信技術(shù)

6G時(shí)代，海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及以及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的部署，使得碳排放不可忽視[20]，如何降低能耗成為6G關(guān)注重點(diǎn)。目前THz通信發(fā)射端能耗為毫瓦級(jí)，然而由于基帶信號(hào)處理能耗大，達(dá)到瓦特級(jí)，THz通信總能耗較高。因此，降低THz能效成為6G實(shí)現(xiàn)“綠色通信”的主要目標(biāo)。能效研究可以集中在兩個(gè)方面。一方面，大規(guī)模MIMO技術(shù)作為THz技術(shù)的實(shí)現(xiàn)支撐，混合波束成形為提高通信能效得到初步驗(yàn)證，THz通信提供幾Gbits/J的能效，是mmWave通信能效的100倍[21]。因此，進(jìn)一步研究大規(guī)模MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)THz低能耗通信勢在必行，如何利用更密集天線陣列實(shí)現(xiàn)低能耗系統(tǒng)成為綠色THz通信的挑戰(zhàn)之一。另一方面，與新興技術(shù)的結(jié)合也是綠色THz通信研究的熱點(diǎn)，如納米網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，智能反射材料與THz通信技術(shù)的結(jié)合。然而，由于新興領(lǐng)域缺乏諸如材料、發(fā)射功率等通信標(biāo)準(zhǔn)，跨領(lǐng)域合作也將成為實(shí)現(xiàn)綠色THz通信的另一個(gè)挑戰(zhàn)。

[15]? ?雷紅文，王虎，楊旭，等. 太赫茲技術(shù)空間應(yīng)用進(jìn)展分析與展望[J]. 空間電子技術(shù)， 2017，14（2）： 1-7.

[16]? E B. Reconfigurable Intelligent Surface-Based Index Modulation： A New Beyond MIMO Paradigm for 6G[J]. IEEE Transactions on Communications， 2020，99（99）： 1.

[17]? Y Z， R Z， T J L， et al. Wireless communications with unmanned aerial vehicles： opportunities and challenges[J]. IEEE Communications Magazine， 2016，54（5）： 36-42.

[1 8]? ?I F A， J M J. Realizing Ultra-Massive MIMO （1024×1024）?communication in the （0.06-10） Terahertz band[J]. Nano Commun Networks， 2016（8）： 46-54.

[19]? ?C Z， M X Y， Z B， et al. A survey on terahertz communications?[J]. China Communications， 2019，16（2）： 1-35.

[20]? T S R， Y X， O K， et al. Wireless Communications and?Applications Above 100 GHz： Opportunities and Challenges for 6G and Beyond[J]. IEEE Access， 2019（7）： 78729-78757.

[21]? ?S W， B M， C M Z， et al. A Vision of 6G Wireless Syst-ems：Applications， Trends， Technologies， and Open Research Problems[J]. IEEE Network， 2020，99（99）： 1.

作者簡介

謝莎（orcid.org/0000-0002-1401-437X）：電子科技大學(xué)在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)樘掌澩ㄐ偶夹g(shù)及高效的通信計(jì)算一體化技術(shù)。

李浩然：電子科技大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)邊緣計(jì)算及未來通信系統(tǒng)中高低頻共存問題。

李玲香：現(xiàn)任中南大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)?G移動(dòng)通信、移動(dòng)邊緣計(jì)算、無線安全通信技術(shù)等。

陳智（orcid.org0000-0003-2943-9861）：博士，現(xiàn)任電子科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樘掌澩ㄐ拧o線與移動(dòng)通信、通信抗干擾技術(shù)。

李少謙：現(xiàn)任電子科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭垢蓴_通信和寬帶無線與移動(dòng)通信技術(shù)。