專題導讀

隨著智能移動設備的不斷普及以及新興移動寬帶應用的快速發展，激增的流量需求與緊缺的頻譜資源間的矛盾愈發尖銳。據國際電信聯盟的ITU-R M.2370-0 報告估計，2030 年全球移動用戶數量將達到171 億，而2020 年至2030 年全球國際移動通信流量將增長10～100 倍。這對于僅能實現Gbit/s 的5G 毫米波數據傳輸而言，幾乎是極限。此時，具備海量頻譜資源的太赫茲（THz）頻段（0.1～10 THz）躍入了研究人員的視線。2019 年世界無線電通信大會（WRC-19）開始研究為陸地移動業務和固定業務分配275～450 GHz 的全球統一標識頻段，國內IMT-2030（6G）推進組太赫茲通信任務組也于2021 年9 月發布了相應研究報告，太赫茲無線通信技術被設想為實現下一代移動通信系統的潛在關鍵技術之一。

由于太赫茲具有上百GHz 以上的頻譜資源、超短的波長，可支持超大規模設備連接，實現超高數據傳輸速率和超高分辨率感知，太赫茲無線通信系統不僅有望解決當前頻譜稀缺的問題，有利于提高無線網絡的容量，而且在高速無線通信、高精度定位與追蹤、人類感官增強等方面具有廣闊的應用前景。盡管太赫茲頻段能夠提供比毫米波頻段高得多的帶寬以及比紅外頻段更有利的傳播條件，但是該頻段仍然是電磁波頻譜中研究和使用最少的頻段之一。隨著對高速率通信需求的日益增加，以及太赫茲器件的研發取得重要進展，太赫茲通信技術與系統研究已成為無線通信技術發展的重要熱點。鑒于此，我們組織了“太赫茲通信關鍵技術”專題。

對于頻譜資源非常豐富的太赫茲信號，其無線傳播存在嚴重損耗，因此，太赫茲通信面臨的首要挑戰是如何增加傳輸容量的同時延長傳輸距離。近年來，我國太赫茲通信取得了長足的進步。2015 年，中國研制出國內首套太赫茲實時通信系統，定向傳輸速率達到3.52 Gbit/s。太赫茲無線實時通信系統定向傳輸距離于2017 年提升到21.3 km。進一步地，基于光電結合的多通道太赫茲無線通信系統于2018 年實現了160 Gbit/s 的超高速無線通信實驗。本專題第一篇、第二篇、第五篇文章介紹了太赫茲通信覆蓋增強技術的最新進展。

本專題第一篇文章綜述并總結了太赫茲通信感知一體化技術。為了增加通信距離，太赫茲需要結合超大規模陣列天線技術，以滿足實際移動通信系統的覆蓋需求。但是超大規模天線需要超窄波束成形，超窄波束成形一方面提升了感知的角度分辨率性能，另一方面提高了波束訓練的開銷。因此，可以將感知信息和波束訓練相結合，以加快波束對準與跟蹤，提升通信性能。文章首先概括了太赫茲通信感知一體化波形設計所面臨的場景與需求；然后，從體現通信與感知功能的太赫茲一體化波形入手，綜述了太赫茲通信感知一體化波形的研究現狀；最后，指出太赫茲通信感知一體化波形的未來研究方向。

本專題第二篇文章對太赫茲通信系統提高容量和傳輸距離的技術和方法進行了介紹。具體地，在D 頻段（110～170 GHz）的4×4 MIMO PS-64QAM，采用先進的數字信號處理技術，包括概率整形和預失真，實現了太赫茲信號無線傳輸3.1 m，總比特率達1.056 Tbit/s；在光子輔助太赫茲波通信系統中通過1 m空芯光纖實驗證明了325 GHz的32 GBaud PS-4096 QAM 太赫茲信號的有線傳輸。在太赫茲頻段實驗性地實現了無太赫茲放大器的高速光子輔助無線集成系統，其中高達 109.6 Gbit/s 的TPS-256QAM信號可以通過20 km的SMF-28傳輸，然后基于一對合適的介電透鏡和先進的DSP 技術提供超過54.6 m 的無線鏈接。這一成果顯著提升了無線移動數據通信的性能，延長了傳輸距離，增加了傳輸容量。

本專題第五篇文章針對太赫茲鏈路傳輸距離短的問題，研究了智能反射表面（RIS）輔助的混合雙跳射頻（RF）/THz 系統的性能。RIS 用于增強信號強度，從而提升系統性能。采用固定增益放大轉發協議，推導了混合RF/THz 鏈路端到端信噪比的累積分布函數和概率密度函數表達式。利用這些統計特性，進一步推導了該混合中繼系統的中斷概率、平均誤碼率和平均信道容量的分析表達式。此外，還對中斷概率和平均誤碼率進行了漸近分析，獲得了混合RF/THz 系統的分集度。仿真結果表明，RIS 可以有效提高混合RF/THz 系統的性能。此外，系統的性能還與信道衰落參數、指向誤差和距離有關。

準確有效的信道模型是搭建通信網絡的基礎。與低頻段的毫米波和微波，以及高頻段的可見光相比較，太赫茲波的信道特征差異較大。已有的毫米波、微波、可見光系統的信道模型及測量方法均無法直接應用于太赫茲波。為了在太赫茲頻段實現最優無線通信網絡設計，我們必須建立一個能準確表征太赫茲頻譜特性的統一信道模型。本專題第三篇和第四篇文章介紹了2 種先進的太赫茲信道建模方法。

本專題第三篇文章針對太赫茲無線信號與傳統頻譜的差異性制約其應用于室內通信場景的問題，提出了一種室內太赫茲無線信號傳播的修正模型，并分析了寬帶單載波太赫茲無線信號傳播及覆蓋性能。具體地，考慮障礙物厚度導致的吸收損耗問題，建立了寬帶太赫茲信道傳遞函數模型。基于射線追蹤技術，闡明了障礙物厚度、信號帶寬對上述性能的影響。研究表明，非視距障礙物反射可增強覆蓋。此外，太赫茲通信存在覆蓋范圍與容量性能間的均衡問題，且理論頻譜效率隨太赫茲載頻升高而下降。

本專題第四篇文章針對太赫茲頻段進行大規模、高自由度的信道測量不再現實，使基于測量數據的信道關鍵參數提取和信道特性分析不再適用的問題，提出了一種基于射線跟蹤技術的信道特征分析的方法。該方法即使在缺乏廣泛的信道測深測量的情況下，也能實現接近6G 的真實太赫茲信道數據，由此進行信道特性分析。2 個案例研究從室內桌面通信場景到室外智能車聯網場景，分別代表了6G 從短距離到遠距離用例的兩端，對于室外場景還額外考慮了不同氣象條件下對信道參數的影響，對太赫茲系統的設計和評估具有重大意義。