太赫茲通信的潛在應用場景

一、太赫茲背景與潛在場景

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注。太赫茲頻段頻譜資源豐富，處于微波電子學與紅外光子學的交叉區(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，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，具有較強的傳播方向性，良好的保密性和抗干擾性，并且可以探測更小的目標，進行更精確的定位。太赫茲通信的劣勢在于相比于微波穿透性較差，非視距場景傳播困難；在大氣中長距離通信時，太赫茲大氣衰減較為嚴重，傳輸效率低。

太赫茲通信的潛在應用場景主要包括：

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。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，并能夠與光纖網(wǎng)絡進行無縫融合。同時，BBU與BBU間光纖施工成本較高場景，可采用太赫茲通信進行代替或降低工程成本。

超高速無線傳輸：主要場景包括無線室內(nèi)/室外場景、無線數(shù)據(jù)中心場景、無線數(shù)據(jù)亭場景。其中，無線室內(nèi)/室外場景面向6G、全息通信、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實、3D游戲元宇宙等業(yè)務場景，以虛擬現(xiàn)實為例，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，體育賽事轉播等業(yè)務需求將隨分辨率提升逐漸增加，以體育賽事轉播為例，4K 60P 數(shù)據(jù)無壓縮視頻傳輸至少需要10-20Gbps的業(yè)務速率；無線數(shù)據(jù)中心場景中，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償嚴重的傳輸損耗；在無線數(shù)據(jù)亭場景中，面向6G可分布在公共場所，可以同時點對點或者點對多點高速數(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，能夠提供更高的感知精度，輔助沉浸式業(yè)務等需要物理空間感知的新業(yè)務發(fā)展。同時，通過對周圍環(huán)境勢態(tài)的感知，能夠輔助太赫茲通信資源進行預測性分配。 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景；其次，太赫茲感知一體化波形對射頻系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，功率放大器補償能力、相位噪聲的對抗能力以及幀結構的設計和調度能力等。

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現(xiàn)超遠距離傳輸。太赫茲高頻特性利于太赫茲系統(tǒng)實現(xiàn)小型化、輕量化，易于部署在星載平臺。太赫茲通信能夠搭載于衛(wèi)星、無人機、飛艇等天機平臺和空基平臺，作為無線通信和中繼設備，應用于衛(wèi)星集群間、天地間和千公里以上的星間高速無線通信場景，實現(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的方式產(chǎn)生300GHz以上的太赫茲載頻，實現(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與微納技術的結合，有望實現(xiàn)毫微尺寸、高效率、低成本的太赫茲通信收發(fā)器件與設備；對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)的短距通信場景。

二、太赫茲生成方式與關鍵器件

目前太赫茲信號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，自下而上的電子學方式更具有優(yōu)勢，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，自上而下的光子學方式更具有優(yōu)勢，光子學方式系統(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)務已經(jīng)劃分完成，總帶寬約97.2GHz，預計分配到單個運營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，電子學系統(tǒng)及光子學系統(tǒng)都有能力匹配頻譜需求。

不同太赫茲信號生成方式器件瓶頸主要包含：

基帶部分：電子學器件瓶頸為低精度，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，需要進一步研發(fā)低精度高采樣的AD/DAC以滿足電子學太赫茲系統(tǒng)需求。光子學器件瓶頸為現(xiàn)有光模塊中的AD/DAC。目前商用光模塊中AD/DAC雖然采樣率能夠實現(xiàn)幾十GSa/s，但AD/DAC本身大部分非國產(chǎn)，面臨與電子學相同的問題。

射頻前端部分：電子學器件瓶頸為混頻器。部分國產(chǎn)器件指標實測數(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。光子學器件瓶頸為單行載流子光電探測器。國內(nèi)無商用器件，相關研究相對較少，但是是光子學生成方式必不可缺的器件

光子學與電子學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國內(nèi)具有自主設計能力，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)線嚴重不成熟導致。

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transceiver中，服務于傳統(tǒng)低頻段，因此具有高精度，以滿足高階的編碼調制技術。而低頻段采用高階調制編碼的原因是頻譜資源相對較為緊張，通過高階編碼調制增加譜效。但是太赫茲頻段頻譜資源相對充足，而且大帶寬是其優(yōu)勢之一。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)大帶寬的同時能夠具有較低成本。

布局140GHz以上功率放大器半導體工藝與產(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重要的選擇，基底材料與半導體工藝。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，適合進行功率放大電路的研制。并且與三五族 HEMT器件相比，HBT對曝光設備的要求低，例如 0.5μm 發(fā)射極的HBT與25nm柵長的 HEMT器件的截止頻率相當，這使得HBT在工藝上占據(jù)優(yōu)勢，非常適合作為國產(chǎn)太赫茲器件的突破口進行研究；而三五族HEMT作為橫向器件，優(yōu)勢是噪聲性能，適合進行低噪聲放大電路的研制，不需要像InP HBT電路對基極進行流控，直流電路設計更加簡便。

光子學器件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提高PIN-PD的載流子渡越時間，從而降低帶寬，因此對于PIN-PD的帶寬和功率是一組Trade off，很難實現(xiàn)大帶寬和高功率的共存。但UTC-PD與PIN-PD的器件結構不同，在縮短載流子渡越時間的同時，不需要減少吸收層的厚度，因此輸出功率不會與帶寬互斥。而在100GHz以上的頻段，尤其是結合場景，300GHz以上的頻段，大帶寬的光電探測器必不可少。

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：太赫茲由于波長較短，在遇到水蒸氣、氧氣時引起部分分子共振，損失信號能量，導致傳播過程中存在額外損耗；2）散射機理改變：隨著波長的減小，物體表面的粗糙度會逐漸大于太赫茲頻波長，物體表面散射由瑞利散射逐漸轉變?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，并且不會因攜帶大能量而導致電離輻射。

針對太赫茲信道的研究，由于太赫茲信道具有高路損、少多徑、空間稀疏等特點，其信道測量方法由外場實測向射線追蹤仿真方式轉變，且研究場景由RMa、UMa、UMi向室內(nèi)熱點、室內(nèi)工廠等微場景轉變。未來太赫茲信道的研究重點在于：對于太赫茲信道特性測量方法的研究，除了搭建高精度、大帶寬、多天線的信道測量平臺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；對于太赫茲信道特性分析的研究，重點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，對于包括空天地海在內(nèi)的新信道場景進行全面的信道特性分析研究；對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頻信道模型。

太赫茲大規(guī)模天線空口傳輸?shù)膬?yōu)勢與挑戰(zhàn)主要有以下方面：其優(yōu)勢在于1）移動性：超大規(guī)模天線系統(tǒng)進行波束賦形，能夠解決移動性的問題，同時，實現(xiàn)高增益極窄波束，提升覆蓋距離。2）結合應用需求：超大規(guī)模天線系統(tǒng)進行波束賦形，能夠實現(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，天線尺寸將達到亞毫米級甚至納米級。如何實現(xiàn)小尺寸的天線陣子將是一項關鍵性的挑戰(zhàn)。基于新材料天線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關鍵挑戰(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，導致移動性差，波束管理復雜度較高。針對這一挑戰(zhàn)一個潛在的應對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，可解決太赫茲通信易中斷、移動性差等問題，有效提升系統(tǒng)魯棒性。在融合組網(wǎng)架構下，空口傳輸方案的設計可考慮以下方面：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大量發(fā)送波束進行測量和上報，反饋開銷大，也導致時延大，需設計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)絡能耗；另一方面，終端電池容量有限，上行發(fā)射功率較小，導致太赫茲上下行覆蓋極不對稱，可考慮上下行解耦傳輸方案，實現(xiàn)終端節(jié)能。3）快速切換：太赫茲波束覆蓋范圍小，需進行超密集部署，帶來切換頻繁、測量開銷大等問題，可設計中低頻段輔助的高頻波束管理和小區(qū)切換方案，進一步簡化切換流程，減小中斷時延，保證用戶體驗的一致性。

四、現(xiàn)階段合作成果

國際首個400Gbps實時太赫茲系統(tǒng) 聯(lián)合東南大學朱敏教授團隊，率先實現(xiàn)6G太赫茲100/200/400Gbps實時無線通信。已創(chuàng)造出目前世界上太赫茲無線通信的最高實時傳輸記錄，成果入選2021年全球光通訊領域頂級學術盛會OFC Demo Zone（全球僅16篇），2022年歐洲光通信頂級會議ECOC，2021年中國信息通信領域十大科技進展（已公示）。

全球首個1Tbps離線太赫茲系統(tǒng)

聯(lián)合東南大學朱敏教授團隊，率先實現(xiàn)T比特級光子太赫茲無線通信以及傳輸驗證，采用雙波長雙偏振傳輸機制，實現(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)合東南大學朱敏教授團隊，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，核心技術指標國際領先，封裝后的調制器3dB帶寬35GHz，探測器3dB帶寬48GHz，可調衰減器消光比大于30dB。

太赫茲信道測量成果

聯(lián)合北京郵電大學張建華教授團隊，搭建太赫茲信道測量平臺，支持全角度太赫茲信道測量：工作頻率達到75-110GHz，130-150GHz，220-330GHz，帶寬達到1.2GHz/2GHz，旋轉精度達0.01°；開展100 GHz辦公室場景全角度信道LOS，NLOS測量，利用角度-時延域極值法，取同一時延下的最優(yōu)多徑合成全向PDP，同時針對合成全向PDP，進行了辦公室場景太赫茲角度擴展分析。

五、 結論

目前太赫茲技術在電子學和光子學領域都正在快速發(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太赫茲器件的基礎上，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，太赫茲技術需要與其他頻段如可見光、毫米波等進行融合組網(wǎng)。這種融合可以實現(xiàn)多頻段的互補和協(xié)同工作，提高整體通信系統(tǒng)的可靠性和容量。同時，太赫茲技術還需要實現(xiàn)與光纖網(wǎng)絡的無縫融合，以便更好地利用光纖的傳輸能力來擴展太赫茲通信的覆蓋范圍和傳輸距離。第三，從場景應用的角度來看，需要更深入地研究太赫茲技術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特優(yōu)勢，可以在復雜環(huán)境下實現(xiàn)通信和感知需求。因此，探索太赫茲技術與這些應用場景的結合，可以為智能交通、安全監(jiān)控、醫(yī)療診斷等領域帶來更多創(chuàng)新和發(fā)展機會?？偠灾?，太赫茲技術的商用化進程面臨著系統(tǒng)性能的提升、與其他頻段的融合組網(wǎng)以及與各種場景的深入結合等多個問題。只有解決這些問題，太赫茲技術才能真正實現(xiàn)商業(yè)化，并在未來的通信和應用領域發(fā)揮更大的作用。