太赫茲通信的潛在應(yīng)用場(chǎng)景

一、太赫茲背景與潛在場(chǎng)景

近年來，介于毫米波與紅外線之間的太赫茲頻段受到了廣泛的關(guān)注。太赫茲頻段頻譜資源豐富，處于微波電子學(xué)與紅外光子學(xué)的交叉區(qū)域，頻率從 0.1到10THz。從通信能力的角度，太赫茲通信高速數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)，具備 100Gbps 至 1Tbps 的高速無線數(shù)據(jù)傳輸能力；從傳輸特性的角度，太赫茲通信波束窄，具有較強(qiáng)的傳播方向性，良好的保密性和抗干擾性，并且可以探測(cè)更小的目標(biāo)，進(jìn)行更精確的定位。太赫茲通信的劣勢(shì)在于相比于微波穿透性較差，非視距場(chǎng)景傳播困難；在大氣中長(zhǎng)距離通信時(shí)，太赫茲大氣衰減較為嚴(yán)重，傳輸效率低。

太赫茲通信的潛在應(yīng)用場(chǎng)景主要包括：

光纖代替：主要包括固定無線接入 （Fixed Wireless Access）和高速無線回傳（Wireless Backhaul）兩種方式。其中，太赫茲固定無線接入將支持大帶寬高速率，能夠補(bǔ)充現(xiàn)有商用的毫米波頻段，提供幾十GHz帶寬，上百Gbps速率的超高速無線網(wǎng)絡(luò)。太赫茲高速無線回傳能夠代替光纖克服地形問題，未來有望提供超高容量的無線回傳網(wǎng)絡(luò)，并能夠與光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫融合。同時(shí)，BBU與BBU間光纖施工成本較高場(chǎng)景，可采用太赫茲通信進(jìn)行代替或降低工程成本。

超高速無線傳輸：主要場(chǎng)景包括無線室內(nèi)/室外場(chǎng)景、無線數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景、無線數(shù)據(jù)亭場(chǎng)景。其中，無線室內(nèi)/室外場(chǎng)景面向6G、全息通信、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D游戲元宇宙等業(yè)務(wù)場(chǎng)景，以虛擬現(xiàn)實(shí)為例，至少需要幾十Gbps的空口速率支持無壓縮的視頻幀數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)，體育賽事轉(zhuǎn)播等業(yè)務(wù)需求將隨分辨率提升逐漸增加，以體育賽事轉(zhuǎn)播為例，4K 60P 數(shù)據(jù)無壓縮視頻傳輸至少需要10-20Gbps的業(yè)務(wù)速率；無線數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中，太赫茲波可以提供更大的帶寬和更高的傳輸容量，太赫茲通信可支持幾十Gbps 至 Tbps 級(jí)的高速傳輸速率，有足夠的帶寬以支撐數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸，且太赫茲傳輸可以通過更小尺寸的收發(fā)器交織大量不同頻帶的天線來補(bǔ)償嚴(yán)重的傳輸損耗；在無線數(shù)據(jù)亭場(chǎng)景中，面向6G可分布在公共場(chǎng)所，可以同時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)高速數(shù)據(jù)傳輸，同樣，通過太赫茲通信可支持幾十Gbps到 Tbps 級(jí)的高速傳輸速率。

太赫茲通感一體化通信：通過太赫茲大帶寬的優(yōu)勢(shì)，能夠提供更高的感知精度，輔助沉浸式業(yè)務(wù)等需要物理空間感知的新業(yè)務(wù)發(fā)展。同時(shí)，通過對(duì)周圍環(huán)境勢(shì)態(tài)的感知，能夠輔助太赫茲通信資源進(jìn)行預(yù)測(cè)性分配。 太赫茲通感一體化通信的挑戰(zhàn)在于：首先，太赫茲頻段帶來較高的路徑損耗，更適用于短距通信感知一體化場(chǎng)景；其次，太赫茲感知一體化波形對(duì)射頻系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，功率放大器補(bǔ)償能力、相位噪聲的對(duì)抗能力以及幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和調(diào)度能力等。

空天地一體化通信、星間通信：太赫茲波在外層空間中基本可做到無損傳播，通過極低的功率就可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸。太赫茲高頻特性利于太赫茲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，易于部署在星載平臺(tái)。太赫茲通信能夠搭載于衛(wèi)星、無人機(jī)、飛艇等天機(jī)平臺(tái)和空基平臺(tái)，作為無線通信和中繼設(shè)備，應(yīng)用于衛(wèi)星集群間、天地間和千公里以上的星間高速無線通信場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)未來的空天地海一體化通信。

微小尺度通信：太赫茲微小尺度通信主要包括芯片的片上/片間高速無線通信與納米傳感器體域網(wǎng)。片間的太赫茲通信能夠通過光子學(xué)的方式產(chǎn)生300GHz以上的太赫茲載頻，實(shí)現(xiàn)十幾Gbps至幾十Gbps的片間無壓縮數(shù)據(jù)傳輸。未來通過將太赫茲技術(shù)與微納技術(shù)的結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)毫微尺寸、高效率、低成本的太赫茲通信收發(fā)器件與設(shè)備；對(duì)于納米傳感器體域網(wǎng)，隨著柔性電子器件的發(fā)展，可穿戴的柔性通信設(shè)備逐漸增多，未來太赫茲將同樣適用于基于體域網(wǎng)的短距通信場(chǎng)景。

二、太赫茲生成方式與關(guān)鍵器件

目前太赫茲信號(hào)具有兩種主要的生成方式：“自下而上”的電子混頻方式產(chǎn)生太赫茲載波與“自上而下”的光子拍頻方式產(chǎn)生太赫茲載波。不同太赫茲信號(hào)生成方式適用于不同的頻段，例如：在300GHz以下的太赫茲頻段，自下而上的電子學(xué)方式更具有優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)帶寬根據(jù)采樣板的采樣率，平均帶寬能夠支持到10-20GHz左右；在300GHz以上的太赫茲頻段，自上而下的光子學(xué)方式更具有優(yōu)勢(shì)，光子學(xué)方式系統(tǒng)平均帶寬能夠支持30GHz以上。根據(jù)ITU所劃分頻譜，目前在100-275GHz的頻段業(yè)務(wù)已經(jīng)劃分完成，總帶寬約97.2GHz，預(yù)計(jì)分配到單個(gè)運(yùn)營(yíng)商的帶寬最多不超過40-50GHz，而且是非連續(xù)頻段。因此300GHz以下，電子學(xué)系統(tǒng)及光子學(xué)系統(tǒng)都有能力匹配頻譜需求。

不同太赫茲信號(hào)生成方式器件瓶頸主要包含：

基帶部分：電子學(xué)器件瓶頸為低精度，高采樣率AD/DAC。目前商用transceiver以及高速采樣板的采樣率仍舊較低，需要進(jìn)一步研發(fā)低精度高采樣的AD/DAC以滿足電子學(xué)太赫茲系統(tǒng)需求。光子學(xué)器件瓶頸為現(xiàn)有光模塊中的AD/DAC。目前商用光模塊中AD/DAC雖然采樣率能夠?qū)崿F(xiàn)幾十GSa/s，但AD/DAC本身大部分非國(guó)產(chǎn)，面臨與電子學(xué)相同的問題。

射頻前端部分：電子學(xué)器件瓶頸為混頻器。部分國(guó)產(chǎn)器件指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不完整，尤其高頻段混頻器工藝產(chǎn)線有些差距，總體正在逐步發(fā)展。光子學(xué)器件瓶頸為單行載流子光電探測(cè)器。國(guó)內(nèi)無商用器件，相關(guān)研究相對(duì)較少，但是是光子學(xué)生成方式必不可缺的器件

光子學(xué)與電子學(xué)器件的共同瓶頸為功率放大器/底噪放大器。功放與底噪放D波段以及220GHz國(guó)內(nèi)具有自主設(shè)計(jì)能力，但是不具備全頻段流片工藝，商用產(chǎn)品稀少。主要原因是工藝產(chǎn)線的差距過大，涉及三五族基底材料和HEMT,HBT等晶體管工藝產(chǎn)線嚴(yán)重不成熟導(dǎo)致。

未來太赫茲器件待突破展望主要包含以下方面：

低精度，高采樣率AD/DAC：需要開發(fā)低精度，高采樣率的AD/DAC，在滿足系統(tǒng)大帶寬的同時(shí)能夠具有較低成本。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣率需要大于系統(tǒng)帶寬的兩倍。目前商用化的高頻AD/DAC多集成與ADI等廠商的電學(xué)transceiver中，服務(wù)于傳統(tǒng)低頻段，因此具有高精度，以滿足高階的編碼調(diào)制技術(shù)。而低頻段采用高階調(diào)制編碼的原因是頻譜資源相對(duì)較為緊張，通過高階編碼調(diào)制增加譜效。但是太赫茲頻段頻譜資源相對(duì)充足，而且大帶寬是其優(yōu)勢(shì)之一。高精度低采樣率的AD/DAC無法滿足系統(tǒng)大帶寬的需求。高精度高采樣率的AD/DAC成本較高。因此需要開發(fā)低精度高采樣率的AD/DAC，在滿足系統(tǒng)大帶寬的同時(shí)能夠具有較低成本。

布局140GHz以上功率放大器半導(dǎo)體工藝與產(chǎn)線：需要布局140GHz以上功放，面向基于InP的基底材料的先進(jìn)工藝線，包括HEMT，HBT器件是未來功放的重要發(fā)展方向。功放器件主要有兩個(gè)重要的選擇，基底材料與半導(dǎo)體工藝。未來功放重要的發(fā)展方向是三五族的HBT器件。三五族 HBT為縱向器件，擊穿電壓更高，增益平坦度較好，功率容量較大，適合進(jìn)行功率放大電路的研制。并且與三五族 HEMT器件相比，HBT對(duì)曝光設(shè)備的要求低，例如 0.5μm 發(fā)射極的HBT與25nm柵長(zhǎng)的 HEMT器件的截止頻率相當(dāng)，這使得HBT在工藝上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，非常適合作為國(guó)產(chǎn)太赫茲器件的突破口進(jìn)行研究；而三五族HEMT作為橫向器件，優(yōu)勢(shì)是噪聲性能，適合進(jìn)行低噪聲放大電路的研制，不需要像InP HBT電路對(duì)基極進(jìn)行流控，直流電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。

光子學(xué)器件UTC-PD：需要研發(fā)UTC-PD以支持300GHz以上頻段：PIN-PD無法提高帶寬（拍頻頻率差）的原因是由于傳統(tǒng)的PIN-PD的輸出功率在一定范圍內(nèi)正比于吸收層的受光面積和厚度，但增大吸收層厚度會(huì)提高PIN-PD的載流子渡越時(shí)間，從而降低帶寬，因此對(duì)于PIN-PD的帶寬和功率是一組Trade off，很難實(shí)現(xiàn)大帶寬和高功率的共存。但UTC-PD與PIN-PD的器件結(jié)構(gòu)不同，在縮短載流子渡越時(shí)間的同時(shí)，不需要減少吸收層的厚度，因此輸出功率不會(huì)與帶寬互斥。而在100GHz以上的頻段，尤其是結(jié)合場(chǎng)景，300GHz以上的頻段，大帶寬的光電探測(cè)器必不可少。

三、太赫茲信道與組網(wǎng)研究

太赫茲信道模型的典型特征包括：1）額外的傳播損耗：太赫茲由于波長(zhǎng)較短，在遇到水蒸氣、氧氣時(shí)引起部分分子共振，損失信號(hào)能量，導(dǎo)致傳播過程中存在額外損耗；2）散射機(jī)理改變：隨著波長(zhǎng)的減小，物體表面的粗糙度會(huì)逐漸大于太赫茲頻波長(zhǎng)，物體表面散射由瑞利散射逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镸ie散射，散射能量更為集中；3）優(yōu)良的穿透性：太赫茲具有穿透紙張、塑料、織物布料等非金屬材料的能力，并且不會(huì)因攜帶大能量而導(dǎo)致電離輻射。

針對(duì)太赫茲信道的研究，由于太赫茲信道具有高路損、少多徑、空間稀疏等特點(diǎn)，其信道測(cè)量方法由外場(chǎng)實(shí)測(cè)向射線追蹤仿真方式轉(zhuǎn)變，且研究場(chǎng)景由RMa、UMa、UMi向室內(nèi)熱點(diǎn)、室內(nèi)工廠等微場(chǎng)景轉(zhuǎn)變。未來太赫茲信道的研究重點(diǎn)在于：對(duì)于太赫茲信道特性測(cè)量方法的研究，除了搭建高精度、大帶寬、多天線的信道測(cè)量平臺(tái)外還需要研究高效的信道仿真手段，從而使仿真建立的模型更具有普適性；對(duì)于太赫茲信道特性分析的研究，重點(diǎn)著眼于頻率跨度較大的頻域非平穩(wěn)性信道特性，以及太赫茲信道稀疏性的研究。同時(shí)，對(duì)于包括空天地海在內(nèi)的新信道場(chǎng)景進(jìn)行全面的信道特性分析研究；對(duì)于信道建模方法的研究，基于簇核與環(huán)境散射體思想，研究建立具有太赫茲信道稀疏特性的空時(shí)頻信道模型。

太赫茲大規(guī)模天線空口傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)主要有以下方面：其優(yōu)勢(shì)在于1）移動(dòng)性：超大規(guī)模天線系統(tǒng)進(jìn)行波束賦形，能夠解決移動(dòng)性的問題，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高增益極窄波束，提升覆蓋距離。2）結(jié)合應(yīng)用需求：超大規(guī)模天線系統(tǒng)進(jìn)行波束賦形，能夠?qū)崿F(xiàn)支持通信感知能力的波束掃描等能力；太赫茲大規(guī)模天線空口傳輸?shù)奶魬?zhàn)在于：1）材料工藝：為支持太赫茲頻段，天線尺寸將達(dá)到亞毫米級(jí)甚至納米級(jí)。如何實(shí)現(xiàn)小尺寸的天線陣子將是一項(xiàng)關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)?；谛虏牧咸炀€在太赫茲頻段下可能替代傳統(tǒng)天線。2）集成化問題：太赫茲頻段由于天線尺寸的逐漸縮小，單個(gè)陣子之間的集成將成為重要的挑戰(zhàn)，利用新型材料降低陣列天線的集成難度，提升天線性能并降低成本將是未來另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。 從太赫茲組網(wǎng)的角度，其主要面臨的挑戰(zhàn)是太赫茲波繞射能力差，易被遮擋，導(dǎo)致通信鏈路不穩(wěn)定，易中斷。太赫茲波束極窄，覆蓋范圍小，導(dǎo)致移動(dòng)性差，波束管理復(fù)雜度較高。針對(duì)這一挑戰(zhàn)一個(gè)潛在的應(yīng)對(duì)思路是使用太赫茲頻段與中低頻段融合組網(wǎng)。將太赫茲頻段與中低頻段融合組網(wǎng)，充分發(fā)揮高中低頻段協(xié)同傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，可解決太赫茲通信易中斷、移動(dòng)性差等問題，有效提升系統(tǒng)魯棒性。在融合組網(wǎng)架構(gòu)下，空口傳輸方案的設(shè)計(jì)可考慮以下方面：1）快速接入：太赫茲波束數(shù)量龐大，初始接入階段終端需使用不同接收波束對(duì)大量發(fā)送波束進(jìn)行測(cè)量和上報(bào)，反饋開銷大，也導(dǎo)致時(shí)延大，需設(shè)計(jì)中低頻段輔助的快速接入方案。2）能耗管理：太赫茲天線陣列龐大，發(fā)射功率大，需考慮按需啟用太赫茲射頻鏈路，降低網(wǎng)絡(luò)能耗；另一方面，終端電池容量有限，上行發(fā)射功率較小，導(dǎo)致太赫茲上下行覆蓋極不對(duì)稱，可考慮上下行解耦傳輸方案，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)能。3）快速切換：太赫茲波束覆蓋范圍小，需進(jìn)行超密集部署，帶來切換頻繁、測(cè)量開銷大等問題，可設(shè)計(jì)中低頻段輔助的高頻波束管理和小區(qū)切換方案，進(jìn)一步簡(jiǎn)化切換流程，減小中斷時(shí)延，保證用戶體驗(yàn)的一致性。

四、現(xiàn)階段合作成果

國(guó)際首個(gè)400Gbps實(shí)時(shí)太赫茲系統(tǒng) 聯(lián)合東南大學(xué)朱敏教授團(tuán)隊(duì)，率先實(shí)現(xiàn)6G太赫茲100/200/400Gbps實(shí)時(shí)無線通信。已創(chuàng)造出目前世界上太赫茲無線通信的最高實(shí)時(shí)傳輸記錄，成果入選2021年全球光通訊領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)盛會(huì)OFC Demo Zone（全球僅16篇），2022年歐洲光通信頂級(jí)會(huì)議ECOC，2021年中國(guó)信息通信領(lǐng)域十大科技進(jìn)展（已公示）。

全球首個(gè)1Tbps離線太赫茲系統(tǒng)

聯(lián)合東南大學(xué)朱敏教授團(tuán)隊(duì)，率先實(shí)現(xiàn)T比特級(jí)光子太赫茲無線通信以及傳輸驗(yàn)證，采用雙波長(zhǎng)雙偏振傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)空口速率1.0488Tbps；創(chuàng)造出目前世界上太赫茲無線通信的最高離線傳輸記錄。

基于W波段的光電混合集成芯片

聯(lián)合東南大學(xué)朱敏教授團(tuán)隊(duì)，研制出業(yè)界首款超寬帶光子毫米波/太赫茲收發(fā)功能一體集成芯片及封裝模塊，可實(shí)現(xiàn)光纖與毫米波/太赫茲通信的無縫融合。突破高頻電子器件帶寬瓶頸，核心技術(shù)指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先，封裝后的調(diào)制器3dB帶寬35GHz，探測(cè)器3dB帶寬48GHz，可調(diào)衰減器消光比大于30dB。

太赫茲信道測(cè)量成果

聯(lián)合北京郵電大學(xué)張建華教授團(tuán)隊(duì)，搭建太赫茲信道測(cè)量平臺(tái)，支持全角度太赫茲信道測(cè)量：工作頻率達(dá)到75-110GHz，130-150GHz，220-330GHz，帶寬達(dá)到1.2GHz/2GHz，旋轉(zhuǎn)精度達(dá)0.01°；開展100 GHz辦公室場(chǎng)景全角度信道LOS，NLOS測(cè)量，利用角度-時(shí)延域極值法，取同一時(shí)延下的最優(yōu)多徑合成全向PDP，同時(shí)針對(duì)合成全向PDP，進(jìn)行了辦公室場(chǎng)景太赫茲角度擴(kuò)展分析。

五、 結(jié)論

目前太赫茲技術(shù)在電子學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域都正在快速發(fā)展，但在商業(yè)化過程中仍然存在一些需要解決的問題。首先，在系統(tǒng)方面，需要逐步從單一器件的性能提升，向整個(gè)系統(tǒng)性能的提升以及集成化發(fā)展。這意味著需要在不斷改進(jìn)太赫茲器件的基礎(chǔ)上，將其與其他組件整合成高性能、高效率的系統(tǒng)。其次，在組網(wǎng)方面，太赫茲技術(shù)需要與其他頻段如可見光、毫米波等進(jìn)行融合組網(wǎng)。這種融合可以實(shí)現(xiàn)多頻段的互補(bǔ)和協(xié)同工作，提高整體通信系統(tǒng)的可靠性和容量。同時(shí)，太赫茲技術(shù)還需要實(shí)現(xiàn)與光纖網(wǎng)絡(luò)的無縫融合，以便更好地利用光纖的傳輸能力來擴(kuò)展太赫茲通信的覆蓋范圍和傳輸距離。第三，從場(chǎng)景應(yīng)用的角度來看，需要更深入地研究太赫茲技術(shù)在通信感知和高速無線回傳方面的潛力。太赫茲通信具有穿透非金屬和低散射等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)通信和感知需求。因此，探索太赫茲技術(shù)與這些應(yīng)用場(chǎng)景的結(jié)合，可以為智能交通、安全監(jiān)控、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域帶來更多創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)會(huì)。總而言之，太赫茲技術(shù)的商用化進(jìn)程面臨著系統(tǒng)性能的提升、與其他頻段的融合組網(wǎng)以及與各種場(chǎng)景的深入結(jié)合等多個(gè)問題。只有解決這些問題，太赫茲技術(shù)才能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并在未來的通信和應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。