面向6G 太赫茲傳播模型研究

張軍民

(中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310040)

0 引言

香農(nóng)(Shannon)提出并嚴格證明了在被高斯白噪聲干擾的信道中，最大信息傳送速率C 的計算公式：

C=Wlog2(1+S/N) (1)

其中，W 是信道帶寬(單位為Hz)，S 是信道內(nèi)所傳信號的平均功率(單位為W)，N 是信道內(nèi)部的高斯噪聲功率(單位為W)。近10 年間，無線傳輸速率需求正以每18個月一翻的速度高速增長[1]。由香農(nóng)公式可見，為追求更高的傳輸速率，需要有更大的傳輸帶寬、更強信號功率和更小的信道噪聲。而在這些因素中，更大的傳輸帶寬是一個提升效率最高的方法。因此，太赫茲波(0.1～10 THz)在目前看來是6G 超高速率的頻段選擇[2]。

1 6G 業(yè)務(wù)介紹

6G 將進一步增強和拓展5G 定義的eMBB、uRLLC、mMTC 等特性，全面實現(xiàn)萬物智聯(lián)[3]，智慧連接、深度連接、泛在連接、全息連接是6G 的重要業(yè)務(wù)特點，6G 將融合更加先進的傳感、成像、顯示和AI 等技術(shù)，提供超連接體驗。預測2030 之后將走向虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的“數(shù)字孿生”世界，整個世界將基于物理世界生成一個數(shù)字化的孿生虛擬世界，物理世界的人和人、人和物、物和物之間可通過數(shù)字化世界來傳遞智能信息。從智享生活、智賦生產(chǎn)、智煥社會三方面，6G 的主要應用場景、指標需求和潛在使能技術(shù)如圖1 所示。

圖1 6G 主要應用場景、指標需求和潛在使能技術(shù)

如表1 所示，與5G 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標相比，6G 網(wǎng)絡(luò)在速率、時延、流量密度、連接密度等方面都提出了更高的期望與要求。為了滿足6G 的峰值速率Tb/s 級、用戶體驗Gb/s 級的業(yè)務(wù)要求，太赫茲和可見光等新頻譜通信技術(shù)是未來的重點之一[4]。

表1 6G 與5G 關(guān)鍵指標對比

2 太赫茲介紹

太赫茲(Terahertz，1 THz＝1 024 GHz)泛指頻率在0.1～10 THz 波段(對應波長為30～3 000 μm)范圍內(nèi)的電磁波，介于紅外和微波之間。太赫茲波在電磁波頻譜中所處的位置見如圖2 所示。

圖2 頻段示意圖

太赫茲波的位置處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段，頻率為1 THz 的太赫茲波僅具有4.1 meV 的光子能量，約為X 射線光子能量的百分之一量級。由于缺乏有效的太赫茲波產(chǎn)生和檢測的方法，因此對太赫茲波的研究較為有限，使其成為電磁波譜研究上的“太赫茲空隙”(TerahertzGap)。太赫茲的傳播特性、傳播模型研究等研究也基本處于空白階段。

3 太赫茲傳播模型研究

傳播模型是移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真的基礎(chǔ)，無線傳播模型建模的主要方法分為定性分析法、統(tǒng)計學分析法和混合分析法。在嚴格保證其他環(huán)境條件的前提下，定性分析法運用光學傳播原理能夠準確描述波的傳播現(xiàn)象。統(tǒng)計學分析法則運用隨機分布與隨機過程對信道參數(shù)進行數(shù)理建模推測，同時這種方法也存在著較為不錯的可復制性?；旌戏治龇▌t是上述兩種方法在平衡準確度與效率后的綜合。針對太赫茲傳播模型建模方法，視距傳播與反射可運用定性分析法；而散射與衍射，統(tǒng)計學分析法則更為合適[5]。

從150 MHz～100 GHz 已有成熟的傳播模型。如150～1 500 MHz 主要由Okumura-Hata 模型，4G 網(wǎng)絡(luò)主力頻段1 500 MHz～2 GHz 則可運用COST 231-Hata 模型。5G 時代下，C-Band和毫米波作為新的通信頻段被引入，對于C-Band和毫米波，3GPP 定義了UMa和3D-UMa 傳播模型分別適配2 GHz～6 GHz 頻段和6 GHz～100 GHz 頻段。

太赫茲的視距傳播與反射可運用射線追蹤法(Ray-Tracing)進行建模。即通過實驗設(shè)備與計算機科學，根據(jù)基本光學原理，模擬固定無線信號源在到接收器過程中的所有傳播、反射、衍射和散射進行跟蹤與記錄。但這種方法對器材，設(shè)備的需求量極高，且因為對背景條件有嚴格約束，較難被廣泛運用。而對于散射與衍射的統(tǒng)計學法分析，學術(shù)界針對0.3 THz 的太赫茲波進行過室內(nèi)傳播模型建模[6]。但與定性研究法相比，其準確度相對較低。而作為綜合研究法的SSRTH 法（隨機散射放置與射線追蹤綜合法，Stochastic Scatterer placement and RT Hybrid approach）則平衡了以上兩者的優(yōu)缺點[7]。

針對0.1～10 THz 的太赫茲頻段，理論分析太赫茲的主要傳播特性如下：

(1)赫茲波的自由空間傳播損耗比無線電波高約30～50 dB，在空中傳播時極易被空氣中的水分吸收，比較適合于高速短距離無線通信，需要針對室內(nèi)和室外的場景建立適合THz 的多徑信道模型。

(2)太赫茲波長短，適合采用更多天線陣子的Massive MIMO，同時太赫茲路徑損耗的急劇增加，需要超大規(guī)模的天線陣列來補償路徑損耗，因為超大天線陣列已被證明能有效提升太赫茲頻段波在傳播距離方面的性能。

(3)太赫茲能量效率高，穿透能力強。

相比于中低頻段主要的研究難點在于對于視線傳播(LoS)、反射、散射和衍射等均需分別單獨建模。同時單天線收發(fā)與超多天線收發(fā)(UM-MIMO)間存在明顯不同[8]。

表2 對275～450 GHz 進行了鏈路預算估計，天線發(fā)射(Tx)和接收(Rx)增益為30 dB，發(fā)射功率為0 dBm，鏈路距離為10 m，噪聲系數(shù)為15 dB。由于路徑損耗較高(約100 dB)，因此需要一個高度定向的銳方向性射束作為補償。

表2 275～450 GHz 下的鏈路預算估計

毫米波無線通信系統(tǒng)路徑損耗較高，而太赫茲無線通信的路徑損耗則更高。例如，28 GHz 下在10 m 距離上的路徑損耗為81 dB，但在280 GHz 下增加到101 dB。

表3 總結(jié)了關(guān)于最先進太赫茲無線通信系統(tǒng)及其在275～450 GHz 下性能的不完全調(diào)研。電子方法和光電方法都證明數(shù)據(jù)速率高達100 Gb/s，但通信距離大多不到2 m。于此同時，通過InP-HEMT 技術(shù)在9.8 m 的距離下實現(xiàn)了高達120 Gb/s 的數(shù)據(jù)速率。同時還介紹了一個光電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個光子單行載流子二極管發(fā)射機和一個基于InGaAs HEMT 技術(shù)的有源電子接收機組成。據(jù)說該系統(tǒng)能夠在15 m 的距離內(nèi)實現(xiàn)高達100 Gb/s 的數(shù)據(jù)速率。

表3 太赫茲鏈路性能

4 結(jié)論

傳播模型是規(guī)劃仿真的基礎(chǔ)。作為6G 時代新型頻率資源的太赫茲頻段，其特性理論研究和傳播模型均處于起步階段，學界內(nèi)較普遍地將綜合研究法作為太赫茲頻段傳播模型建模的探索方向。由于太赫茲頻段路徑損耗高，因此覆蓋增強的MASSIVE MIMO 乃至UL-MASSIVE MIMO 技術(shù)將成為太赫茲頻段在6G 時代正式商用部署的關(guān)鍵。在實驗室研究方面，受限于太赫茲芯片和射頻器件，太赫茲傳播特性測試和研究難度目前仍然較高，近期基于InP、GaAs、SiGe、乃至CMOS 技術(shù)的運用已使得整體研究在較低的THz 頻段產(chǎn)生了一些突破。而太赫茲傳播模型的確立也將為6G 網(wǎng)絡(luò)仿真、覆蓋規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。