太赫兹通信关键技术与发展愿景
6G研究已启动，太赫兹通信技术以其支持超大带宽资源和超高通信速率等技术特点成为未来6G愿景实现的关键候选技术。从太赫兹通信技术特点出发，讨论了太赫兹通信未来可能的应用场景，系统分析了太赫兹通信的关键技术方向、产业发展现状与面临挑战，最后提出了未来太赫兹通信技术的目标愿景与发展建议。
引言
随着5G商用启动，产业界对未来B5G/6G技术研发工作日趋关注。2019年3月，芬兰奥卢大学6G Flagship在芬兰举行了首届6G无线峰会，基于参会专家讨论和分享的观点，2019年9月发布了全球首个6G白皮书[1]，内容涵盖6G的关键驱动因素、演进要求、挑战和研究问题等。2019年11月3日，我国科技部召集发改委、工信部、教育部、中科院，自然科学基金委等单位,成立了国家6G技术研发推进工作组和总体专家组，举行了6G研究启动仪式，标志着我国6G技术研发工作的正式启动。
6G Flagship白皮书[1]认为，未来6G通信愿景的特征是“泛在”“无线” “智能”，未来6G可以提供无缝覆盖的泛在无线连接，提供情景感知的智能服务等应用。目前形成广泛共识的6G愿景至少需要包含以下几个特征：与AI技术的深度融合，峰值速率达到Tbit/s，会采用新型的多址和编码技术，会有空天地海多维度一体化通信以及从宏观到微观的多尺度通信等等。实现上述愿景需要各个方向的关键技术的突破和支撑，目前6G技术研究仍处于探索起步阶段，技术路线尚不明确，关键指标和应用场景还未有统一的定义，但是业界基本能够达成共识的是：太赫兹通信作为新型频谱技术，将会是6G愿景实现的关键底层技术。
太赫兹波是指频段在0.1-10THz之间，波长在30um-3000um之间的电磁波。该频段电磁波位于微波波段和可见光波段之间，低频段部分与毫米波段有部分重合。太赫兹频段电磁波在频带资源等方面的独有特性，使其成为适合未来6G通信的关键支撑技术。为尽可能发挥运营商的需求牵引作用，加速和推动太赫兹通信技术产业链发展，本文将从太赫兹通信技术特点出发，围绕太赫兹通信应用场景，关键技术及挑战、发展愿景等方面展开探讨。
1、太赫兹通信技术特点
支持超大工作带宽和超高通信速率
现阶段5G高频毫米波支持的最大工作带宽为800 MHz，目前业界的实验测试下行峰值速率最高在10Gbps左右。超高通信速率的实现离不开超大工作带宽的支持。与已经广泛应用的微波频段通信相比，太赫兹频段具有非常丰富的频率资源，可利用的工作带宽可能高达十几甚至几十GHz，目前国内外已实现的太赫兹通信原型验证系统的工作带宽一般都大于2 GHz[2-12]，远远大于现阶段5G通信系统的工作带宽。
超大带宽资源的利用使得太赫兹通信系统可以支持超高的通信速率，目前工作频段在300 GHz以下太赫兹通信支持的最高速率可达100Gbps，预计未来6G应用时太赫兹通信速率可能达到太比特量级，而支持超大工作带宽和超高通信速率将会是太赫兹通信最显著的技术特征和性能优势。
2、太赫兹通信应用场景探讨
无线接入、光纤替代
太赫兹通信具有超高通信速率和传播损耗较大等技术特点，使其比较适用于短距无线通信等应用场景，比如用于为热点地区提供超高速网络覆盖，用于实现需要超高数据率支持的全息通信，用于数据中心超高速通信等，另外还可以考虑用于代替光纤或电缆实现基站数据的高速回传，节省光纤部署成本；用太赫兹无线链路做固定无线接入，实现无线家宽业务；在沙漠、河流等无法部署光纤的地方应用太赫兹无线链路实现高速数据传输，作为光纤的延伸等应用。
无线接入和光纤替代的场景应用也是现阶段5G高频毫米波的重要应用场景，由于太赫兹可以支持的通信速率会远远大于毫米波频段，所以太赫兹通信该类场景的应用可视为毫米波通信的一个未来增强版，用于适应6G应用的能力需求。
3、太赫兹通信关键技术
3.1 太赫兹关键器件与原型系统
太赫兹关键器件/芯片/组件的研产能力是目前太赫兹通信最关键的核心技术，也是太赫兹通信应用面临的最大挑战。
模拟链路相关的高频模拟分立器件，包括太赫兹功率放大器、太赫兹天线、太赫兹倍频器、太赫兹混频器、太赫兹滤波器、太赫兹低噪放等。国内对于太赫兹通信关键器件的研发能力接近国际领先水平，但是面向未来实际应用还需要在功率发射能力，工作环境，变频损耗、功耗等方面实现性能的不断提升。另外未来系统链路的芯片集成化是必然发展趋势，需要实现核心技术的不断突破进展。
除了模拟链路系统的集成芯片，太赫兹通信未来实际应用还面临超宽带数模和模数转换芯片、数字基带处理芯片等方面的技术挑战。由于太赫兹可用带宽(>2 GHz)远大于4G、5G系统使用的工作带（<800 MHz），目前的主流数模和模数转换芯片很难满足采样带宽的要求，另外超大带宽信号的处理也会给基带处理芯片带来非常大的功耗压力。因此一方面需要研发更高采样速率的超大带宽数模和模数转换芯片、低功耗基带处理芯片；另一方面是研发低量化精度信号处理系统。未来的太赫兹通信系统的实现可能需要2个方向的技术结合来解决数模转换和基带处理问题。
目前国内的太赫兹通信关键分立部件及原型验证系统的研发能力与国际先进水平接近，芯片能力较弱，国内相关方向研究成果多集中于高校和研究院所等学研机构，产业成熟度低。目前国内的太赫兹通信原型系统多为无线传输能力的验证，到未来实际应用还需要考虑通信距离、实时性、空分复用、功耗和成本等方面的能力指标。太赫兹通信关键核心器件/芯片性能指标的突破进展，相关产业链的成熟发展，是上述能力实现的必要条件和保证。
3.2 太赫兹传播特性和信道建模
太赫兹的电磁波对陶瓷、纸张、木材、纺织品和塑料等介质材料可以轻易穿透，但很难穿透金属和水。在大气环境下，高自由空间损耗以及大气效应引起的额外衰减是一个巨大的挑战，在不同的天气条件下，如大气分子、雨滴或雾滴，都可能导致太赫兹波段电磁波的高衰减或散射。然而在某些确定的太赫兹窗口频段处依旧可以产生较低的衰减，可用于无线通信传输。对太赫兹在晴朗空气、雨天、雾天等场景的链路损耗等传播特性的研究已有较多成果发表[16-21]。
太赫兹信道模型建模方法一般有参数化统计信道建模、确定性信道建模和等3种类型。基于太赫兹通信的一些室内场景的实验测试结果显示，太赫兹信道传播路径稀疏性较强，未来太赫兹通信的信道建模更倾向于使用确定性信道建模或参数化半确定性信道建模方法，比如射线追踪方法，以及结合确定性和统计特性的数字地图混合建模方法等。
太赫兹波传播特性和信道建模会直接影响太赫兹通信实际应用场景的部署，是实现太赫兹通信应用的基础研究。未来太赫兹通信可能会用于空天地海多维度、宏观到微观多尺度的多样化应用场景，太赫兹通信信道建模需要要探讨和研究各种不同应用场景下的信道传播模型，以应用于未来的实际场景部署。
3.3 太赫兹通信空口技术
与5G空口技术相比，太赫兹通信具有超大带宽的资源优势，但是现阶段太赫兹通信原型系统硬件链路也存在变频损耗较大、采样带宽受限、基带处理功耗大等不理想因素。太赫兹通信空口技术除了在基带波形设计、帧结构和参数集的设计、调制编码、波束管理等技术链都面临新的演进要求外，受到太赫兹通信硬件系统能力的影响，针对系统链路各种非理想特性和因素的算法设计和补偿也是太赫兹通信空口技术需要考虑和研究的技术方向。
太赫兹通信超高速率的特点与优势，除了需要硬件链路的传输能力以外，也需要通过空口技术的有效设计来保证和实现。包括频谱和带宽资源的动态配置、波束接入的智能管理，以及高低频、空天地多维度、宏观到微观多尺度的空口协同和信息融合等。未来空口设计方案需要具有上述能力和特点才能适配6G太赫兹通信的技术特征和优势。目前6G技术研究仍处于探索起步阶段，技术路线尚不明确，需要产业界共同参与研究，并积极探讨，逐步厘清未来太赫兹通信空口技术路线和发展方向。
