面向6G網絡的太赫茲通信技術研究綜述

謝莎　李浩然　李玲香　陳智　李少謙

【摘? 要】在6G中，太赫茲通信由于能提供極高的數據速率與巨大帶寬，具有極大應用潛力。首先調研了6G的發展規劃與訴求，然后介紹了應對新訴求下THz通信的優勢與應用場景，包括THz納米級應用、THz無線接入服務、THz超大容量回程、THz安全通信以及THz空間通信。最后指出THz通信發展趨勢與技術挑戰，包括THz通信器件、無線覆蓋增強技術、超大規模MIMO技術、THz定向組網技術、綠色THz通信技術。

【關鍵詞】6G;太赫茲通信;超高數據速率;海量頻譜資源

0? ?引言

隨著智能終端和新興應用（如實時和交互服務）的快速發展，無線數據流量急劇增加，其中移動數據流量、視頻流量預計將在2016年至2021年間分別增長7倍和3倍[1]，現有的蜂窩網絡無法完全滿足這種快速增長的需求。

為了迎接未來的挑戰，6G網絡的開發引起了各國的廣泛關注。截至目前，歐盟、國際電信聯盟等多個組織，以及中國、美國、日本和芬蘭等多個國家已經相繼部署開展6G網絡相關的研究。

相比于目前已存在的無線通信系統，6G預計在速度、延遲和容量方面帶來極大的飛躍。在速度方面，6G將具有海量的頻譜資源，例如，作為6G候選頻段之一的太赫茲（THz， Terahertz）頻段頻譜范圍為0.1—10 THz，遠比5G 毫米波（mmWave，millimeter Wave）頻段（頻譜范圍為30—300 GHz）豐富。如此海量的帶寬資源將可以提供超高的數據速率，如實現Tbit/s的數據傳輸，預計將比5G快100到1 000倍。在延遲方面，6G將提供相比于5G更低的延遲。具體地，5G使工業自動化、無人駕駛、拓展現實（XR， Extended Reality）等成為可能，但人類仍能感知到存在的延遲。而6G在此基礎上進一步進行提升，力求達到人類無法察覺的延遲，因此對延遲的要求變得更加嚴格。在容量方面，6G期望實現全維度的覆蓋，因此能有效地為上萬億級別數量的設備連接提供足夠的支持，而在5G網絡中，可以支持的移動設備連接數量為數十億級別。因此，6G網絡的容量可能會比5G系統高10到1 000倍。

1? ?6G發展規劃與愿景

1.1? 發展規劃與愿景

5G技術側重實現人、車聯網以及物聯網之間的通信，提出的三大重要服務場景：增強型移動帶寬、大規模機器類通信以及高可靠低時延通信，為未來2020～2030年的5G愿景“信息隨心至，萬物觸手及”提供堅實支持[2]。然而，隨著全球無線接入設備的激增，對于時延性能要求極高的應用大量出現，如時延甚至要達到1 ms的觸覺互聯網（TI， Tactile Internet）應用，這遠遠超過了5G技術的支持能力。此外，在5G場景中，不能在有海量接入的場景中同時實現低時延高可靠的性能。因此，不難推測，2030年5G技術的容量將會達到極限[3]。

為了進一步提高無線通信網絡的適用范圍以及適用能力，6G將依托5G技術，進一步在以人類需求為根本的“隨時隨地隨心的智慧網絡”的基礎上進行探索。一方面，6G技術將實現在宏觀以及微觀人類通信的無縫連接：“空-天-陸-?！比S度的服務范圍將解決偏遠地區、無人區，以及地質災害造成的基站毀壞等地區通信問題[2];納米網絡在微觀世界的部署將進一步探索人類微觀生理結構。另一方面，6G網絡“智慧”的本質是滿足不同個體的個性化需求，即6G網絡可以提供類人思維方式的服務（包括分析人類情感、感官以及通信環境[2]）。6G時代，將實現海量異構網絡的接入、超低時延的要求、智能分析能力、安全可靠的服務以及高能效網絡部署[4]，一些關鍵技術指標如表1所示：

1.2? 網絡架構

為了加快開啟6G技術的研究步伐，實現“以人類需求為本”的個性化需求，各個國家以及組織在積極推進6G技術發展的進程。6G網絡的正式部署預計將于2027～2030年展開。因此，如何進行6G網絡的部署至關重要。

首先，“空-天-陸-?！比S度網絡架構需要：地球衛星網絡以及飛機、無人機、飛艇等空中飛行設備組成的“空天”網絡;深海潛艇以及海上航行的船只等構成的深海通信網絡，以及將“空-天-?！蓖ㄐ啪W絡與地面通信網絡包括移動蜂窩、無線局域網等統一規劃連接，最終形成覆蓋全球全地形的全維度通信系統。

其二，超密度小蜂窩異構網絡將成為各式應用的主要支撐。為了滿足人類需求，各式新興應用包括拓展現實、全息通信、智能醫療、無線腦-機交互、自動化制造等，海量超密度異構網絡將成為6G一大特點。為了實現更高的能源效率和頻譜利用率、提高通信服務質量，小蜂窩網絡成為6G發展的一個趨勢，另外利用異構網絡的多層結構為通信服務質量提供了有力保障。

其三，TI網絡將成為6G網絡的“大腦”。TI網絡通過與深度學習以及人工智能建立的智能連接，以類人思維為人類提供更好的服務。TI網絡將利用網絡軟件化虛擬化，確保網絡的靈活性、可重構性以及可編程性，實現物理基礎設施對數十億臺設備數據的實時共享，從而使得全球網絡融為一體，為用戶提供“隨時隨地隨心”的通信服務。

1.3? 6G關鍵技術

針對6G的新訴求，需要探索新興技術，進一步提高6G網絡的可擴展性、靈活性和效率。

（1）物聯網

未來以萬物互聯為目標，6G將是一個超密集、超靈活的網絡，可以整合不同的技術，滿足各種不同的服務需求，因此物聯網成為了6G技術的關鍵。

（2）人工智能

隨著6G網絡中接入設備數量的急劇增加，網絡愈加復雜，因此需要進行更加智能化的管理?；跈C器學習和大數據技術等先進技術可以改進6G中系統的優化和設計[7]。

（3）大規模MIMO技術

從8天線的4G MIMO到256/1024天線的5G MIMO，多天線技術在無線通信中發揮了關鍵作用，可以顯著提高能量效率，減少延遲，提高網絡吞吐量。在6G中用戶數量更多，數據速率要求更高，因此大規模MIMO技術在6G中也同樣重要，預計在天線陣列中將部署超過10 000個天線單元[8]。

（4）激光和可見光通信

基于電磁波信號的無線通信無法為“空-天-陸-?！比采w場景提供高速率傳輸。而激光和可見光通信分別利用激光束和由發光二極管產生的可見光實現數據傳輸，適用于自由空間和水下等環境。

（5）量子通信

量子的不可克隆性，為量子通信的安全性提供了強有力的保障，這是因為當竊聽者在量子通信中進行觀察、測量或復制操作時，量子狀態會馬上改變，不再是之前的量子，由此防止了竊聽。同時在量子密鑰分發技術中，通過量子密鑰對信息進行加密，極大提高了信息的安全性[9]。

（6）THz通信

THz頻段的范圍為0.1 THz到10 THz，在長波段與毫米波相重合，在短波段與紅外光相重合。THz通信技術集成了微波通信與光通信的優點，被認為是滿足移動異構網絡系統實時流量需求的關鍵無線技術，可以解決當前無線系統的頻譜稀缺和容量限制等問題。

2? ? 面向6G的THz通信

2.1? THz通信的優勢

為滿足通信網絡中不斷增長的需求[10-11]，mmWave和THz以及光通信（包括紅外線、可見光以及深紫外線頻段）備受關注，本節將對比mmWave、光通信，對THz通信優勢進行闡述，圖1為無線電頻譜示意及應用：

（1）Tbit/s級的數據傳輸速率

THz頻段，其有效帶寬比mmWave頻段高三個數量級，能提供Tbit/s級的無線傳輸鏈路，而mmWave、紅外線以及可見光通信只能提供10 Gbit/s的數據傳輸速率。

（2）天氣條件因素影響低

THz波長短不易衍射，當遇到霧、塵以及湍流等天氣時，THz通信表現相對穩定，而紅外線通信卻會受到很大衰減。此外紅外線以及可見光通信會受室內外出現的熒光燈以及日/月光噪聲的影響。

（3）安全性

THz的安全性包括兩方面，一方面非電離的THz頻段對人體健康沒有危害，另一方面，由于THz頻段波長短，比mmWave具有更高的方向性，因此，THz未經授權的用戶必須在較窄的發射波束范圍內攔截消息。此外，THz頻段頻譜資源豐富，充足的帶寬資源為擴頻、跳頻等技術的實現提供保障，而這些技術將為THz通信的抗干擾性提供強大支撐。

（4）可以實現多點通信

光通信相比于THz通信具有更高方向性，然而這對收發端的方向性要求極高，因此對于紅外線和可見光只能實現點對點通信。mmWave和THz由于存在非視線路徑，可以實現多點到單點通信。

綜上，表2對比了以上各頻段通信系統的性能：

2.2? THz通信的應用場景

THz通信技術憑借其極高的數據傳輸速率、安全性等一系列優勢，將為人類提供從納米通信到衛星通信的覆蓋全球的應用服務。接下來，介紹THz通信技術的應用場景，具體示意如圖2所示。

（1）THz納米級應用

納米級場景兩個典型應用是納米網絡、片上及片間通信。納米網絡將許多納米機器人連接到一個網絡，應用于環境傳感和人體醫學等領域。此外，在每個芯片中加入越來越多的計算核心來實現計算能力的縱向擴展是目前提高算力主要方法。為了實現核心間公共數據共享并同步其活動，THz將為芯片間的這種通信提供快速、可靠的服務[13]。

（2）THz無線接入服務

THz通信可進一步提高多媒體應用服務質量，如視頻格式Super Hi-Vision的分辨率為7680×4320，需要超過24 Gbit/s的數據速率[12]。此外，THz通信可以支持如拓展現實、全息通信這類數據量極大且對時延要求極高的新興業務[12]。考慮到如公共建筑入口、商場大廳、賽事場館等人流量數據量極大的場所，THz通信同樣可以滿足其需求。當用戶具有高速移動性時，THz還可以支持高速移動通信，如自動駕駛。

（3）THz超大容量回程

6G時代，在蜂窩基站之間（回程）或蜂窩基站與遠程電臺之間（前端）進行數Gbit/s的通信，將會帶來巨大的回程容量。THz技術憑借極大的數據傳輸速率（峰值傳輸數據速率達到1 Tbit/s），將成為解決回程鏈路100 Gbit/s標準容量的有效方案之一[14]。

（4）THz安全通信

解決竊聽以及干擾攻擊是保證用戶通信隱私及安全的關鍵。幸運的是，如2.1節闡述，THz的高定向窄波束的存在和極寬的通信帶寬使得竊聽和干擾極難發生。目前THz安全通信在軍事場景中的典型應用是不同的作戰單位可以在較短距離內組成一個THz自組織網絡，避免了作戰信息的泄漏，保證了通信安全。在民用領域，特定的應用包括從帶有無線身份驗證的自動取款機進行數據下載的kiosk系統，利用THz技術的有限通信范圍和窄波束保證了消息的機密性。

（5）THz空間通信

在太空沒有THz吸收損耗，因此THz頻段下的衛星通信傳輸速度快、傳輸距離遠，且THz通信終端具備小型化的優點[15]，使得THz空間通信極具前景，如實時太空觀景[8]。

3? ?THz通信技術發展趨勢與挑戰

6G技術帶來海量接入、高可靠、超低時延、智能分析以及安全的性質，將進一步推動新型應用的開發，為用戶提供沉浸式、智能的服務。接下來，介紹面向6G的THz通信發展趨勢與挑戰。

3.1? THz通信器件

盡管各式半導體、金屬等材料的器件的提出大幅度提高了THz通信設備性能，但是目前的THz器件仍不能滿足超高性能的THz通信技術要求。首先，THz射頻器件發射功率有限，限制了THz在室外遠距離通信場景中的應用。與此同時，在THz通信中，隨著發射功率的提高，器件會更容易“發燙”，因此會對器件的微散熱技術提出更高要求。

其次，THz通信需要高天線增益來補償極大的信號傳輸損耗，因此高增益的、靈活的THz天線設備至關重要。目前，反射面天線技術是實現高增益THz天線的主要手段，然而這種技術難以實現靈活的波束成形，限制了THz頻段下多用戶復雜通信的實現。因此考慮使用相控陣列天線增大THz天線靈活性。然而，目前THz相控陣列天線的技術突破有限，仍需要在材料、器件等方面實現技術攻關。

再有，未來6G網絡移動端用戶將以海量的形式存在，這就要求通信端THz核心芯片具備集成度高、體積小等特點。然而當傳輸距離達到幾十米甚至是公里級別時，THz通信能耗就會極大提高，大大縮短了移動端電池的使用壽命。此外，相對其他技術（例如信號處理技術、計算機處理速度），在有限尺寸大小的移動端，提升電池容量的技術發展相對緩慢，因此一定程度上限制了THz通信的移動應用。

3.2? 無線覆蓋增強技術

由于路徑損耗高，單一的THz系統通信范圍有限，需要結合其他技術，實現更廣的覆蓋范圍。

（1）地面移動通信

在地面通信中，由于分子吸收和自由空間損耗，極大限制了通信距離。因此，可以結合可重構智能表面或（和）無人機來提高通信距離。

可重構智能表面通過可調的移相器對入射信號進行反射，可以提高接收機的信號質量，不需要專門花費能量在射頻處理、編碼、解碼或重傳上[16]。可重構智能表面克服了半波長限制，具有成本低、功耗低等優點。此外，無人機由于體積小、重量輕，因此具有極高的靈活性以及對通信網絡的極強適應性[17]。當地面用戶與基站/其他用戶的通信鏈路遭到建筑物、植物等障礙物的阻斷時，通過收集通信周圍環境以及通信雙方位置信息，無人機可以在空中進行有效放置，以此為通信雙方提供另外一條輔助通信鏈路。同時當通信雙方距離比較遠，無法進行正常通信時，無人機可以充當中繼的作用，以此實現雙方的正常通信，因此在通信中運用無人機可以提高通信范圍。

需要注意的是，與無人機運行在當前無線通信系統中相比，當無人機運用到THz通信系統中，會消耗無人機更多的能量，由此續航不足問題會更加尖銳，不能長時間提供穩定的通信鏈路。另一方面，結合可重構智能表面/無人機擴大通信范圍時，需要考慮放置、資源調度和分配等問題，當數據鏈路數量龐大時，相關問題會更復雜，需要運用高效的資源管理技術，提升系統性能。

（2）衛星輔助通信

衛星輔助的無線通信可以提供更大的覆蓋范圍，這是因為在太空中無THz吸收損耗問題，因此在THz頻段的衛星通信傳輸速度快、傳輸距離遠。特別是運用低地球軌道衛星進行通信時，由于衛星軌道高度相對較低，因此可以實現較低的傳輸時延。此外，當終端具有極高移動性時，地面移動通信系統不足以對終端的位置變化等信息做出快速響應，而衛星通信則可以很好應對這種高速移動覆蓋問題。

但是，衛星輔助通信存在以下挑戰：其一是當無線通信系統中衛星的數量較大時，對衛星的控制、操作和管理問題會變得比較困難，并且衛星通信系統與地面通信系統的集成也面臨巨大的挑戰。其二，由于THz波束具有高方向性，且從衛星到接收端需要經歷的距離仍然很遠，因此在應用時，會涉及波束對準的問題，即當傳輸鏈路較遠時，即使波束出發的方向與接收端方向之間的偏差較小，但也極大可能會導致波束到達位置與接收端位置產生極大的偏差，由此帶來信息傳輸的失敗。

3.3? 超大規模MIMO技術

在THz通信系統中，由于天線尺寸變小以及THz波束經歷更高的路徑損耗，天線數量會遠遠高于mmWave通信系統，從而出現了超大規模MIMO，這是大規模MIMO（massive MIMO）的進一步升級，例如1 THz時，在1平方毫米內可嵌入1 024個天線陣列單元[18]。

然而，超大規模MIMO技術也帶來新問題。第一，超大型天線陣列意味著更多的陣列單元，隨著而來的是對陣列單元的分組和控制變得更具挑戰;第二，隨著天線陣列規模的提升，能耗也隨之增加，因此需要考慮超大型天線陣列帶來的性能提升與能耗之間的權衡;第三，由于并行信道增多，相比mmWave通信，THz通信中超大規模MIMO下的信道估計會更復雜。

3.4? THz定向組網技術

傳統的全向組網技術是節點利用全向天線進行全方向的鄰居發現，然而全向天線易受干擾，且全方向鄰居發現花費時間長，耗能高[19]。因此在THz通信中，考慮部署定向天線完成組網，以此提高網絡吞吐量和降低能耗，實現更廣的通信距離。

與全向組網技術不同，在定向組網技術中，節點要想與鄰居實現通信過程，節點的天線就必須指向鄰居的具體位置。一般來說，節點事先并不清楚鄰居的位置信息，因此在定向組網中，如何實現高效的鄰居位置發現算法至關重要。此外，配置了定向天線的節點的初始方向和波束寬度等天線特性也將在一定程度上影響到鄰居位置發現算法效率。

同時，在THz通信中部署定向天線，對媒體訪問控制協議的設計也提出了新的挑戰。一方面，雖然定向天線的使用讓節點可以選擇性地接收信號，然而節點會忽略其他嘗試與它通信的節點，當這些節點沒有收到響應時，會繼續重傳，因此如何設計協議減少無效傳輸是媒體訪問控制協議關注重點。另一方面，考慮到THz易阻斷的性質，如何通過協議保證節點間通信的質量也是媒體訪問控制協議的設計關鍵。

3.5? 綠色THz通信技術

6G時代，海量物聯網設備的普及以及移動通信網絡的部署，使得碳排放不可忽視[20]，如何降低能耗成為6G關注重點。目前THz通信發射端能耗為毫瓦級，然而由于基帶信號處理能耗大，達到瓦特級，THz通信總能耗較高。因此，降低THz能效成為6G實現“綠色通信”的主要目標。能效研究可以集中在兩個方面。一方面，大規模MIMO技術作為THz技術的實現支撐，混合波束成形為提高通信能效得到初步驗證，THz通信提供幾Gbits/J的能效，是mmWave通信能效的100倍[21]。因此，進一步研究大規模MIMO技術實現THz低能耗通信勢在必行，如何利用更密集天線陣列實現低能耗系統成為綠色THz通信的挑戰之一。另一方面，與新興技術的結合也是綠色THz通信研究的熱點，如納米網絡在醫學領域的應用，智能反射材料與THz通信技術的結合。然而，由于新興領域缺乏諸如材料、發射功率等通信標準，跨領域合作也將成為實現綠色THz通信的另一個挑戰。

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作者簡介

謝莎（orcid.org/0000-0002-1401-437X）：電子科技大學在讀博士研究生，主要研究方向為太赫茲通信技術及高效的通信計算一體化技術。

李浩然：電子科技大學在讀碩士研究生，主要研究方向為移動邊緣計算及未來通信系統中高低頻共存問題。

李玲香：現任中南大學副教授、碩士生導師，主要研究方向為6G移動通信、移動邊緣計算、無線安全通信技術等。

陳智（orcid.org0000-0003-2943-9861）：博士，現任電子科技大學教授、博士生導師，主要研究方向為太赫茲通信、無線與移動通信、通信抗干擾技術。

李少謙：現任電子科技大學教授、博士生導師，主要研究方向為抗干擾通信和寬帶無線與移動通信技術。