Page 17 - 网络电信2022年4月刊
P. 17
运 营 商 专 栏
太赫兹技术发展及其应用于6G的挑战分析
1,2
2
刘利平 ，菅梦楠 ，陈艺戬 1,2
1. 移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室
2. 中兴通讯股份有限公司
摘要：作为6G潜在技术之一，太赫兹技术对数据速率提升、超密集连接、低时延传输等具有积极作用。
首先阐述了太赫兹技术的传播特性和信道建模方法。根据传播特性确定了大尺度、小尺度和微尺度3个维度
的太赫兹应用场景。接着，针对太赫兹特殊的频谱特性，设计了物理层波形、调制编码、超大规模多输入多
输出（UM-MIMO），以及媒体接入控制（MAC）层波束管理方案。最后，关注了适用于太赫兹频段的智能超表
面（RIS）技术，探讨了RIS关键使能技术与方案设计。
关键词：太赫兹；传播模型；应用场景；基带处理；智能超表面
[5]
未来6G网络中，增强现实、五感通信、万物互联等智能 存在宽带波束偏移现象不同，太赫兹存在波束宽带分束现象 。
服务要求数据速率有千倍提升，以实现低时延、高可靠、可 1.传播模型分析
扩展的无缝连接 [1] 。作为6G潜在的基础技术，太赫兹是指100 频率的提高使传播路径损耗明显增大，室外通信在受到雨
GHz～10THz 的频段资源，它被业界评为“改变未来世界的十大 雾天气影响时也会带来额外损耗。此外，发射机功放功率低、
[2]
技术”之一 。太赫兹具有连续可用的大带宽，将有助于构建 低噪声放大器噪声系数高、高增益天线设计加工难度大等都极
6G 短距离、高速率的传输系统，支持超高速率的数据传输，满 大地限制了太赫兹波的传输范围。太赫兹的典型应用场景是短
足超密集设备的连接需求，增强网络连接的可靠性，并支撑高 距离通信。通过与多天线技术结合，太赫兹可借助极窄波束来
能效的终端网络 [3-4] 。 克服路径衰落问题和扩展传播距离。
2020年，国际电信联盟（ITU）启动6G研究工作。其中，太 太赫兹的波长会引起分子吸收现象。这是因为太赫兹波长
赫兹技术发展及其在6G中的应用与挑战成为一个研究热点。此 接近灰尘、雨、雪和大气中的气体分子尺寸，大气气体造成的
外，美国联邦通信委员会（FCC）将对95GHz～3THz 进行为期10 共振会导致特定频段受到分子吸收的影响。在长距离的高频传
年的开放性测试；欧盟制定了Horizon计划并已启动多项针对太 输中，分子吸收损耗甚至会超过传播路径损耗。由于水蒸气衰
赫兹频段的研究项目；日韩等国也相继开展了对太赫兹器件和 减是分子吸收的主要原因之一，因此雨和云雾对太赫兹衰减的
[5]
无线通信技术的研究 。太赫兹架构的设计和相关 影响是不可忽略的。此外，对流层对太赫兹衰减的主要影响是
硬件器件的研发是太赫兹技术发展的重点。由于缺乏有效 折射效应 [6-7] 。
的太赫兹波产生和检测技术，目前业界对太赫兹的研究仍处于 太赫兹波段存在的噪声包括乘法器和混频器的热噪声、振
探索阶段。本文中，我们针对太赫兹的传输特性、应用场景、 荡器的相位噪声，以及由分子吸收产生的噪声等。由于各类分
基带处理和相关智能超表面（RIS）技术进行分析研究。 子的共振频率不同，噪声的功率谱密度会存在多个吸收峰值。
分子吸收噪声仅在太赫兹信号传输时出现。我们可以利用这一
一、太赫兹传输特性 性质来设计新型调制和信道编码。分子吸收 效应导致多个路
如图1所示，太赫兹处于毫米波和红外光波之间，属于电子和光 径损耗峰，这意味着会存在多个处于路径损耗峰之间的频谱窗
子的过渡区域。相比于毫米波，太赫兹具有频率更高、带宽更大、路 口。表1分析了0.1～1.03THz 频段的频谱窗口及其对应的可用
[3]
径损耗大、分子吸收严重、漫散射丰富和波束极窄的特点。与毫米波 带宽 。
24 网络电信 二零二二年三，四月
