張軍民

(中國(guó)電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310040)

0 引言

香農(nóng)(Shannon)提出并嚴(yán)格證明了在被高斯白噪聲干擾的信道中，最大信息傳送速率C 的計(jì)算公式：

C=Wlog2(1+S/N) (1)

其中，W 是信道帶寬(單位為Hz)，S 是信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率(單位為W)，N 是信道內(nèi)部的高斯噪聲功率(單位為W)。近10 年間，無(wú)線傳輸速率需求正以每18個(gè)月一翻的速度高速增長(zhǎng)[1]。由香農(nóng)公式可見(jiàn)，為追求更高的傳輸速率，需要有更大的傳輸帶寬、更強(qiáng)信號(hào)功率和更小的信道噪聲。而在這些因素中，更大的傳輸帶寬是一個(gè)提升效率最高的方法。因此，太赫茲波(0.1～10 THz)在目前看來(lái)是6G 超高速率的頻段選擇[2]。

1 6G 業(yè)務(wù)介紹

6G 將進(jìn)一步增強(qiáng)和拓展5G 定義的eMBB、uRLLC、mMTC 等特性，全面實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物智聯(lián)[3]，智慧連接、深度連接、泛在連接、全息連接是6G 的重要業(yè)務(wù)特點(diǎn)，6G 將融合更加先進(jìn)的傳感、成像、顯示和AI 等技術(shù)，提供超連接體驗(yàn)。預(yù)測(cè)2030 之后將走向虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的“數(shù)字孿生”世界，整個(gè)世界將基于物理世界生成一個(gè)數(shù)字化的孿生虛擬世界，物理世界的人和人、人和物、物和物之間可通過(guò)數(shù)字化世界來(lái)傳遞智能信息。從智享生活、智賦生產(chǎn)、智煥社會(huì)三方面，6G 的主要應(yīng)用場(chǎng)景、指標(biāo)需求和潛在使能技術(shù)如圖1 所示。

圖1 6G 主要應(yīng)用場(chǎng)景、指標(biāo)需求和潛在使能技術(shù)

如表1 所示，與5G 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)相比，6G 網(wǎng)絡(luò)在速率、時(shí)延、流量密度、連接密度等方面都提出了更高的期望與要求。為了滿足6G 的峰值速率Tb/s 級(jí)、用戶體驗(yàn)Gb/s 級(jí)的業(yè)務(wù)要求，太赫茲和可見(jiàn)光等新頻譜通信技術(shù)是未來(lái)的重點(diǎn)之一[4]。

表1 6G 與5G 關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

2 太赫茲介紹

太赫茲(Terahertz，1 THz＝1 024 GHz)泛指頻率在0.1～10 THz 波段(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為30～3 000 μm)范圍內(nèi)的電磁波，介于紅外和微波之間。太赫茲波在電磁波頻譜中所處的位置見(jiàn)如圖2 所示。

圖2 頻段示意圖

太赫茲波的位置處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過(guò)渡階段，頻率為1 THz 的太赫茲波僅具有4.1 meV 的光子能量，約為X 射線光子能量的百分之一量級(jí)。由于缺乏有效的太赫茲波產(chǎn)生和檢測(cè)的方法，因此對(duì)太赫茲波的研究較為有限，使其成為電磁波譜研究上的“太赫茲空隙”(TerahertzGap)。太赫茲的傳播特性、傳播模型研究等研究也基本處于空白階段。

3 太赫茲傳播模型研究

傳播模型是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真的基礎(chǔ)，無(wú)線傳播模型建模的主要方法分為定性分析法、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析法和混合分析法。在嚴(yán)格保證其他環(huán)境條件的前提下，定性分析法運(yùn)用光學(xué)傳播原理能夠準(zhǔn)確描述波的傳播現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析法則運(yùn)用隨機(jī)分布與隨機(jī)過(guò)程對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行數(shù)理建模推測(cè)，同時(shí)這種方法也存在著較為不錯(cuò)的可復(fù)制性。混合分析法則是上述兩種方法在平衡準(zhǔn)確度與效率后的綜合。針對(duì)太赫茲傳播模型建模方法，視距傳播與反射可運(yùn)用定性分析法；而散射與衍射，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析法則更為合適[5]。

從150 MHz～100 GHz 已有成熟的傳播模型。如150～1 500 MHz 主要由Okumura-Hata 模型，4G 網(wǎng)絡(luò)主力頻段1 500 MHz～2 GHz 則可運(yùn)用COST 231-Hata 模型。5G 時(shí)代下，C-Band和毫米波作為新的通信頻段被引入，對(duì)于C-Band和毫米波，3GPP 定義了UMa和3D-UMa 傳播模型分別適配2 GHz～6 GHz 頻段和6 GHz～100 GHz 頻段。

太赫茲的視距傳播與反射可運(yùn)用射線追蹤法(Ray-Tracing)進(jìn)行建模。即通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與計(jì)算機(jī)科學(xué)，根據(jù)基本光學(xué)原理，模擬固定無(wú)線信號(hào)源在到接收器過(guò)程中的所有傳播、反射、衍射和散射進(jìn)行跟蹤與記錄。但這種方法對(duì)器材，設(shè)備的需求量極高，且因?yàn)閷?duì)背景條件有嚴(yán)格約束，較難被廣泛運(yùn)用。而對(duì)于散射與衍射的統(tǒng)計(jì)學(xué)法分析，學(xué)術(shù)界針對(duì)0.3 THz 的太赫茲波進(jìn)行過(guò)室內(nèi)傳播模型建模[6]。但與定性研究法相比，其準(zhǔn)確度相對(duì)較低。而作為綜合研究法的SSRTH 法（隨機(jī)散射放置與射線追蹤綜合法，Stochastic Scatterer placement and RT Hybrid approach）則平衡了以上兩者的優(yōu)缺點(diǎn)[7]。

針對(duì)0.1～10 THz 的太赫茲頻段，理論分析太赫茲的主要傳播特性如下：

(1)赫茲波的自由空間傳播損耗比無(wú)線電波高約30～50 dB，在空中傳播時(shí)極易被空氣中的水分吸收，比較適合于高速短距離無(wú)線通信，需要針對(duì)室內(nèi)和室外的場(chǎng)景建立適合THz 的多徑信道模型。

(2)太赫茲波長(zhǎng)短，適合采用更多天線陣子的Massive MIMO，同時(shí)太赫茲路徑損耗的急劇增加，需要超大規(guī)模的天線陣列來(lái)補(bǔ)償路徑損耗，因?yàn)槌筇炀€陣列已被證明能有效提升太赫茲頻段波在傳播距離方面的性能。

(3)太赫茲能量效率高，穿透能力強(qiáng)。

相比于中低頻段主要的研究難點(diǎn)在于對(duì)于視線傳播(LoS)、反射、散射和衍射等均需分別單獨(dú)建模。同時(shí)單天線收發(fā)與超多天線收發(fā)(UM-MIMO)間存在明顯不同[8]。

表2 對(duì)275～450 GHz 進(jìn)行了鏈路預(yù)算估計(jì)，天線發(fā)射(Tx)和接收(Rx)增益為30 dB，發(fā)射功率為0 dBm，鏈路距離為10 m，噪聲系數(shù)為15 dB。由于路徑損耗較高(約100 dB)，因此需要一個(gè)高度定向的銳方向性射束作為補(bǔ)償。

表2 275～450 GHz 下的鏈路預(yù)算估計(jì)

毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)路徑損耗較高，而太赫茲無(wú)線通信的路徑損耗則更高。例如，28 GHz 下在10 m 距離上的路徑損耗為81 dB，但在280 GHz 下增加到101 dB。

表3 總結(jié)了關(guān)于最先進(jìn)太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)及其在275～450 GHz 下性能的不完全調(diào)研。電子方法和光電方法都證明數(shù)據(jù)速率高達(dá)100 Gb/s，但通信距離大多不到2 m。于此同時(shí)，通過(guò)InP-HEMT 技術(shù)在9.8 m 的距離下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)120 Gb/s 的數(shù)據(jù)速率。同時(shí)還介紹了一個(gè)光電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)光子單行載流子二極管發(fā)射機(jī)和一個(gè)基于InGaAs HEMT 技術(shù)的有源電子接收機(jī)組成。據(jù)說(shuō)該系統(tǒng)能夠在15 m 的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 Gb/s 的數(shù)據(jù)速率。

表3 太赫茲鏈路性能

4 結(jié)論

傳播模型是規(guī)劃仿真的基礎(chǔ)。作為6G 時(shí)代新型頻率資源的太赫茲頻段，其特性理論研究和傳播模型均處于起步階段，學(xué)界內(nèi)較普遍地將綜合研究法作為太赫茲頻段傳播模型建模的探索方向。由于太赫茲頻段路徑損耗高，因此覆蓋增強(qiáng)的MASSIVE MIMO 乃至UL-MASSIVE MIMO 技術(shù)將成為太赫茲頻段在6G 時(shí)代正式商用部署的關(guān)鍵。在實(shí)驗(yàn)室研究方面，受限于太赫茲芯片和射頻器件，太赫茲傳播特性測(cè)試和研究難度目前仍然較高，近期基于InP、GaAs、SiGe、乃至CMOS 技術(shù)的運(yùn)用已使得整體研究在較低的THz 頻段產(chǎn)生了一些突破。而太赫茲傳播模型的確立也將為6G 網(wǎng)絡(luò)仿真、覆蓋規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。