行业 | 揭秘太赫兹波：下一代6g通信网络的关键技术-尊龙最新版

随着第五代通信技术在全球的商业部署，太赫兹通信技术已成为下一代无线通信技术的重要研究方向。太赫兹波具有大量的绝对带宽资源和显著的优势，使其在通信领域具有广泛的应用潜力。本文介绍了6g通信网络的规划和愿景以及太赫兹通信技术的国内外研究现状，讨论了太赫兹通信的关键技术及潜在应用场景，并总结了目前的研究成果和未来的研究方向。太赫兹通信技术的进一步研究将为迈进“太赫兹时代”提供新的思路，为未来的通信网络提供更高的数据速率和更低的延迟。

太赫兹波是一种具有大量绝对带宽资源的无线通信技术，其传输速率高、容量大、安全性高，可以满足未来通信业务对超高数据速率和极低延迟的需求。相比于传统的毫米波和微米波，太赫兹波的频率更高，因此其传输速率和容量也更高。同时，太赫兹波的传输距离也更远，适用于各种长距离、高速率通信场景。

太赫兹波段提供传输速率和带宽的优势主要可以总结为以下几点：

带宽大：太赫兹波段的带宽非常宽，比传统的微波通信高出几个数量级。这意味着太赫兹通信可以提供高达10gb/s的无线传输速率，比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍。

传输容量大：太赫兹波段的大带宽使得其能够支持高速数据传输，能够在短时间内传输大量数据。这对于一些需要传输大数据文件的应用场景非常有用，例如高清视频或医学图像等。

方向性和波束质量：太赫兹波的波束更窄，方向性更好，可以用于更精确的定位。同时，由于波长更短，天线的尺寸可以做得更小，使得其他系统结构也可以做得更加简单、经济，甚至能够将设备做成纳米级别，实现纳米级设备之间的通信。

安全性：太赫兹波的穿透能力强，可以在恶劣环境如大风、沙尘、浓烟等中传输数据，不易受到干扰和攻击。此外，太赫兹波的光子能量较低，大概是可见光子能量的1/40，因此使用太赫兹波通信的能量效率更高。同时，由于太赫兹波段的信号传输很难被窃听或干扰，因此它具有更高的安全性。

因此，太赫兹波段在传输速率、带宽、安全性以及系统经济性等多个方面都具有显著优势，使其成为未来通信技术的重要发展方向之一[1]。

    自2000年初开始，国外已经开始对太赫兹技术进行研究并在实践中得到应用。以下是美国、欧洲和日本的太赫兹通信技术现状，以及国内重要科研院所的发展概况。

    自2009年起，美国开始大力投入太赫兹关键组件的研制和系统的研发，主要频段集中在0.1~1thz，应用场景包括移动自组网空间通信、机载大容量远距离通信等。许多研究机构和重要实验室也积极参与太赫兹技术的研究，并取得了不错的成果。在太赫兹固态电子学核心器件和模块方面，美国有一些旗舰型公司，如vdi。美国在推动太赫兹通信和相关应用的产业化方面有两项标志性事件。第一，2018年2月，美国联邦通信委员会批准了一项名为“spectrum horizons”的nprm，开放了未来移动通信应用中的95ghz到3thz频段，鼓励相关产业机构加入到太赫兹无线移动通信的应用研究中，该报告和命令于2020年8月24日由美国国家电信与信息管理机构批准正式生效。第二，美国工业伙伴联盟和darpa共同创建了comsenter研究中心和产业联盟，开发太赫兹无线传输和感知应用技术。

    欧洲太赫兹通信技术研究主要依靠欧盟框架计划“horizon 2020”和“horizon europe”。通过这两个计划，欧盟投资了至少千万欧元启动了多个跨国太赫兹研发项目，包括wortecs、epic、terapad、ultrawave、dream等。2017年，欧盟基于“地平线欧洲”计划开始6g通信技术研发，网络峰值数据达tbps量级，而超高速太赫兹通信技术是达成上述目标的核心技术之一。以德国kit研究所和fraunhofer协会为代表的欧洲科研机构在太赫兹核心器件和光电结合通信系统方面具有优势，并且启动了太赫兹通信和传感协同发展的t-kos项目。

    日本政府将太赫兹技术列为未来十年十大关键科学技术首位。2006年，日本电报电话公司ntt完成世界上首例太赫兹通信演示，并在2008年成功用于北京奥运会的高清转播。该系统工作频点120ghz，传输距离可达15公里。目前，ntt正在全力研究0.5~0.6thz高速大容量无线通信系统。以ntt和大阪大学为代表的日本科研机构在核心光电器件utc-pd和光-电结合太赫兹通信系统的研究中占据领先地位。

    虽然中国在太赫兹技术研究起步稍晚一些，但科技部等多个相关部委陆续设立了太赫兹相关研究计划，如“毫米波与太赫兹无线通信技术开发”863计划专项，“太赫兹无线通信技术与系统”科技部重大专项，“太赫兹核心器件与收发芯片”国家自然科学基金委移动网络专项等。另一方面，国内以高校和研究院所为代表的科研机构也在积极投入太赫兹研究，并以不同形式进行了互通协作，共同推动国内太赫兹技术和产业进展。经过十余年的技术发展，以电子科技大学、中国工程物理研究所、中电13所、中科院上海微系统所、天津大学、湖南大学、浙江大学、复旦大学等众多高校和科研院所为代表的国家太赫兹相关研究单位在太赫兹核心关键器件和通信原型系统的开发上取得了众多技术成果，接近或部分达到了世界先进水平。2020年成立了imt-2030(6g)推进产业联盟参与单位涵盖了通信运营商、通信设备供应商和主要的高校和科研院所如中国联通、华为、上海交大、电子科技大学、中电集团相关研究所、中物院等相关科研单位随着6g研究工作的推进和相关单位的推动太赫兹频段的感知-通信一体化研究成为太赫兹通信在6g研究中的一个重要主题同时太赫兹远程通信和组网是少部分研究院所中电研究所中物院航天研究所电子科技大学才能参与的一个科研领域国内太赫兹通信技术的研究工作短板在核心芯片器件和模块方面的性能指标[2-7]。

    高速率通信

    太赫兹波的高速率和大数据容量可以满足未来通信业务对超高数据速率和极低延迟的需求。例如，太赫兹波可以应用于5g和6g通信网络中，提高网络覆盖范围和传输速率。由于太赫兹波的传输速率非常高，它可以支持多用户同时在线，提高网络容量和效率。

    无线宽带接入

    太赫兹波可以作为一种无线宽带接入技术，为移动设备提供高速互联网连接。这种技术适用于各种移动设备，如手机、平板、笔记本电脑等。通过太赫兹波的无线宽带接入技术，用户可以随时随地享受到高速互联网连接，提高网络使用体验。

    安全通信

    太赫兹波的高传输速率和大容量可以用于安全通信领域，如加密通信、防窃听等方面。由于太赫兹波的频率较高，其难以被拦截和窃听，因此可以提供更高级别的安全性。通过太赫兹波的安全通信技术，用户可以更加安全地传输敏感信息，保护数据的安全性。

    地面通信

    太赫兹波具有超大带宽的频谱资源，可以支持tbps量级的峰值通信速率，适合与地面超高速无线通信。适用场景如：（a）超高速无线移动场景，例如全息通信、高质量视频在线会议、增强现实 / 虚拟现实、3d 游戏等；（b）固定无线接入场景；（c）高速无线回传；（d）无线数据中心；（e）数据亭下载等。

    非地面通信

    太赫兹波在外层空间中基本可做到无损传播，通过极低的功率就可实现超远距离传输。在天线对准和跟瞄方面和抗大气湍流扰动方面，在星地大容量数据传输场景下太赫兹通信技术相对于无线激光通信，拥有更大的技术优势。如果未来太赫兹天线系统可以实现小型化、平面化，太赫兹通信系统可通过搭载卫星、无人机、飞艇等天基平台和空基平台，作为无线通信和中继设备，应用于卫星集群间、天地间和千公里以上的星间高速无线通信场景，实现未来的空天地海一体化通信的重要一环。

    微系统通信

    太赫兹波长极短，随着太赫兹通信技术的持续突破和发展，未来有望实现毫、微尺寸甚至是微纳尺寸的收发设备和组件，在极短距离范围内实现超高速数据链应用。

    虽然太赫兹波具有很多优势，但是在实际应用中还存在一些挑战需要解决。首先，太赫兹波的传输距离较短，需要使用中继器等技术来增加传输距离。其次，太赫兹波的信号容易受到大气干扰和电磁噪声等影响，需要加强信号处理和抗干扰技术的研究。此外，太赫兹波的设备成本较高，也需要进一步降低成本才能广泛应用。

    根据目前室内宽带高速无线通信系统持续增长的需求，太赫兹波段具备 10 gb/s 以上的通信速率的特点，超高速太赫兹室内通信将是最重要的应用场景之一，太赫兹波具有很强的方向性，太赫兹信号的传播路径很容易被室内障碍物阻挡。salhi 等［8］介绍了基于矢量网络分析仪的办公室、工业环境等场景中的宽带信道传播信道测量，考虑到现实复杂环境对传播信道的影响，在50~325 ghz范围内，视距无线传输（los）在以上场景中占主导地位，反射信号是传播过程中不可忽略的一部分。ma 等［9］提出太赫兹频段智能反射面（irs）以缓解室内覆盖问题，如图 2（b）所示，通过调整 irs 元件的离散相移重新配置电磁波的传播，实现接近最优的覆盖性能，降低了计算负担。在没有 irs 的传统通信方案的情况下，如图2（a）所示，太赫兹信号的功率分布差距明显，传输功率被设定为100 dbm，由于太赫兹波的路径损耗极高，给定用户的接收功率约为−67.35dbm，该用户几乎无法接收太赫兹信号。在 irs 增强的通信方案中，该用户在房间角落的接收功率高达−4.76 dbm，可以实现更好的覆盖性能。一旦 irs 解决了高频通信中存在的覆盖问题，太赫兹通信系统将为未来6g室内通信场景铺平道路。

    随着6g通信网络的不断发展，太赫兹波的应用前景也越来越广阔。未来，我们相信太赫兹波将会成为6g通信网络的重要技术之一，为人们的生活带来更多便利和安全。同时，太赫兹波也将会与其他无线通信技术相结合，形成更加高效和安全的通信网络。我们期待着太赫兹波在未来的应用和发展。

参考文献：

1. 李丽,葛宏义,蒋玉英,等.太赫兹波在6g通信网络中的研究进展[j].激光与光电子学进展, 2022, 59(13):10.doi:10.3788/lop202259.1300007.

2. 太赫兹通信技术研究报告

3. 通信感知一体化技术研究报告

4. 中国联通太赫兹通信技术白皮书

5. 6g通信白皮书-white paper on rf enabling 6g- opportunities and challenges from technology to spectrum

6. theodore s.rappaport, etc, wireless communications and applications above 100ghz: opportunities and challenges for 6g and beyond, ieee acess, 7,2019

7. ian f.akyildiz ,tc, terahertz band communication: an old problem revisited and research directions for the next decade, ieee transactions on communications, 2022

8. salhi m a, kleine-ostmann t, schrader t. propagation channel measurements in the mm- and sub-mm wave range for different indoor communication scenarios[j]. journal of infrared, millimeter, and terahertz waves, 2021, 42(4): 357-370.

9. ma x y, chen z, chen w j, et al. intelligent reflecting surface enhanced indoor terahertz communication systems [j]. nano communication networks, 2020, 24: 100284.

文章来源：远大恒通

尊龙人生就要博旧版的版权声明：内容来源于网络，仅供学习交流，如有侵权请及时联系删除。