太赫茲在通信感知一體化中的應用

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）07-0001-12

ApplicationsofTHzWaveinISC

ZHONGMin

Abstract： Integration of communication sense is the function expansion of 6G unified communication， which requires more spectrum resources，and terahertz frequency band is indispensable.In this paper， the application and unique value of terahertz in communication， positioning，imaging and environmental state detection are introduced.

Keywords： THz; ISC; imaging; positioning; terrestrial network; Non-terrestrial network

自20世紀80年代以來，移動通信大體上每10年更新一代，按此進程，數年后將開啟6G時代。作為突破5G的新發展之一，是實現通信感知一體化，也即通信的頻譜資源與感知（如雷達）的頻譜資源的整合、擴展與共享；通信輔助感知并為感知信息提供傳輸支持，感知為通信提供目標用戶和環境的電磁波譜信息，以便進行管理，提高通信效能，等等。關于通信感知一體化的概念和原理，上一講中已有初步的介紹。

通信感知一體化之所以迫切需要，是人類進入智能時代使然[1][2]。今后，人與物、數字世界與物理世界，將在智能的高水平上無縫融合與連接，為人們提供虛擬現實、增強現實和混合現實等沉浸式應用，以及萬物互聯感知，建立智慧社會、智慧家居、智慧工農業、智慧醫療等。網絡的覆蓋，除填補地球的空白外，將建立非地面網絡（NTN），從低空擴展到太空，實現無縫隙連接。在這樣的泛在網絡（UbiquitousNetworks）中，需要對人、物、環境等更深入、更細致、更精確、更全面的認知。以無人駕駛為例，完全自動化是其最高級別，其實現需要多項關鍵技術的支撐，包括傳感器技術、地圖技術、控制系統等。無人駕駛車輛配備了各種傳感器，如激光雷達（LiDAR）、太赫茲雷達、微波-毫米波雷達、攝像頭等，以收集周圍環境的數據。地圖技術可以幫助車輛了解其位置和周圍環境；控制系統則負責處理傳感器收集的數據，并根據車輛的需求和環境的變化調整車輛的行駛狀態。所有這些，都需要感知與通信的密切結合。其中，利用6G借助云服務大大提升響應數據和場景識別準確性，還可提供所需應用軟件的快速下載，汽車在行駛過程中與數據平臺進行聯系，遇問題及時處理。

通信感知一體化是必要的，也是可能的。就無線通信與感知而言，二者都是基于電磁波與信息的交互作用。通信是發射或接收攜帶含有信息的空間電磁波，其間遇到物體時將產生反射、折射、散射、繞射和吸收衰減等，引起電磁波的頻譜結構和各載波分量的振幅、相位和傳播方向的變化，反映出有關物體的特征信息，就是說通信功能伴隨有感知的功能；另一方面，通過雷達等傳感器對目標探測到的信息，也可通過反射回波反饋給用戶或網控中心。這樣對于一臺具體的設備，可通過硬件和軟件的綜合設計，同時獲得通信與感知兩種功能；對于整個網絡，也可拼成此二功能合一的一張網，即通信感知網，使網效大為提高。

移動網絡的升級換代，需要資源和技術構筑鋪墊，表1列出了4G、5G和6G在應用、關鍵性能指標和技術的比較[3]。從頻譜資源的利用看，為了滿足使用場景的需要，已從4G、5G采用的微波（亞-6GHz）、毫米波擴展到太赫茲波和光波。例如，新的虛擬現實和增強現實（VAR）的產生，如全息隱形傳送，需要Tbps級數據速率和微秒級延遲，這是5G中的毫米波頻段也無法實現的。又例如，在向下一代工業的演進中，高度自動化的機器和機器人之間的自主操作，僅需偶爾的人工干預。這種高精密的制造過程需要新穎的瞬時控制機制。其自動化加工流程要求Tbps數量級的數據速率，數百微秒數量級的延遲，連接密度高達 10⁷/km² ，這需要通過太赫茲網絡來執行。另外要指出，4G和5G中采用的頻譜，在6G中仍是沿用的，并在原有的基礎上擴展。一般地說，波長越短，帶寬越寬，信息容量越大，但它們的傳播特性不盡相同，存在著“競爭”與“互補”的關系，要據此適當選擇，派上用場，如圖1和表2所示[4]。

表14G、5G和6G在應用、關鍵性能指標和技術的比較[3]

注：FeMBB-進一步增強的移動寬帶；ERLLC-極可靠低時延通信；umMTC-超大規模機器型通信；LDHMC-遠距離及高移動性通信；ELPC-極低功率通信。

由圖1可見，在通信的應用中，亞-6GHz頻段用于傳統的通信業務，如語音和物聯網；對于高速率、高移動性業務，如汽車自動駕駛和無人機通信等，則采用毫米波頻段；而擴展現實（XR）（按：擴展現包括虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（MR）。VR是一種通過頭戴式通信顯示設備，利用計算機模擬聲音和圖像產生想象的世界體驗。AR是一種將計算機生成的虛擬信息疊加到現實世界中的技術。用戶可以通過智能手機、平板電腦或AR眼鏡等設備，看到現實世界中被虛擬信息增強后的景象。MR融合了現實世界和虛擬世界，創造了一個復雜的環境，其中允許用戶在現實世界中看到和與虛擬物體進行交互。XR是真實和虛擬的環境結合。）由于6G的強連接性、高數據速率、高分辨率和低延遲特性，非常適于XR的應用。對于數字孿生（在信息空間中建構一個和物理世界一模一樣的物體）等極高速率和低移動性業務，以及非地面網絡（NTN），便要選擇亞-太赫茲或太赫茲頻段。在感知的應用中，用于發現障礙物、預測碰撞、自適應巡航控制的車載雷達采用微波或毫米波；亞-太赫茲和太赫茲頻段用于精確感知與成像，如安防安檢、生物醫學、無損檢測等。

表1所列的新技術中，軌道角動量（OAM）的概念是電磁波的一個物理屬性，因具有提高通信系統信道容量和頻譜效率的潛力而引起關注。這種物理性質源于光束的旋轉。這種旋轉通過角動量來表征。角動量有兩個組成部分：第一個組成部分是極化，稱為自旋的矢量旋轉；另一個是相位結構旋轉，稱為軌道角動量。據研究，每個光子所攜帶的軌道角動量為nh（h為普朗克常量），n的取值可以從負無窮至正無窮的任何整數值，且不同的OAM態間正交，利用此特性可實現攜帶信息的復用。

下面將就太赫茲在通信感知一體化中應用作進一步的說明。

表2亞-6GHz、毫米波和太赫茲波的競爭與互補

太赫茲在6G通信中的應用

1.1應用背景[5]

前已介紹，太赫茲波，也稱為亞毫米波輻射，通常指0.1THz和10THz之間的頻帶，對應的波長范圍在0.03mm 到 3mm 之間。根據ITU-R（國際電聯無線電通信部門）的建議，275GHz～3THz頻段范圍是蜂窩通信THz頻段的主要部分。之前此范圍內的頻帶尚未分配給世界各地的任何用途；因此，這個頻段具有實現預期的極高數據速率的潛力。

太赫茲波除其寬帶特性外，因其波長極短，用實際可實現的孔徑天線產生極窄的波束，具有極強的方向性，減少來自外部的干擾；但其自由空間傳播衰減很大；大氣中的水分子以及降水對太赫茲電磁波具有極強的吸收性。這在之前的有關講座中已有介紹（參見技術講座：太赫茲電磁波的傳播特性，2023年6月《數字通信世界》）。因此，在6G移動通信中，極高速率和低移動性業務和無人機、近空平臺、衛星通信等非地面網絡，是太赫茲波的“用武之地”。圖2給出了幾種典型的應用場景。

圖26G無線通信中太赫茲應用的幾種典型的應用場景

生的已調載波（工作原理參見技術講座：太赫茲射頻器件與電路（二），2023年11月《數字通信世界》）表3給出了一些載波頻率為300～500GHz無線設備在不同傳輸距離的測試數據。

表3載波頻率為300～500GHz無線設備在不同傳輸距離的測試數據

太比特室內應用的典型案例是全息通信（見圖2（a））。6G將繼續提供5G的虛擬現實（VR）和增強現實（AR）服務，例如先進的醫療保健，包括遠程診斷和手術，以及用于遠程勘探和近真實的高分辨率傳感；但通過AR和VR的組合無法充分為個人視頻會議提供服務。為此需進一步借助全息技術。此技術利用許多多視角相機和多個傳感器，來實現實時遠程交互并創建真人全息圖的重建，其傳送在真正的三維空間中運作（見圖3），并利用所有5種感官——視覺、聽覺、觸覺，嗅覺和味覺，提供真正的身臨其境的體驗。這樣，之前的視頻會議將升級為虛擬實時面對面會議，與會者雖不在同一地方，卻如近在咫尺；此外，還有虛擬音樂會、虛擬體育運動以及更具指示性的遠程教育，因引入全息技術而改善通信體驗。這種連接和互動通信，將需要大量的圖像和視頻信息，而全息傳送需要接近5Tbps的數據速率和小于1ms的端到端時延，在5G系統中這兩者都是不可能實現的。因此，6G預期的Tbps級吞吐量和亞毫秒級延遲，可滿足此要求。

1.2地面無線網絡的應用[5][1]

（1）太比特無線局域網（THzWi-Fi）：局域網（LocalAreaNetwork，LAN）是指在某一區域內將各種計算機，外部設備（包括語音及數據終端等）和數據庫等互相聯接起來組成的計算機通信網，通信信道是共享的，利用無線連接的局域網便是無線局域網（WLAN）。作為例子，基于頻分多路（FDM）的太赫茲高速WLAN如圖2（a）所示。FDM采用的載波頻率分別為320、360、400、440和480GHz，它們是由光頻梳產生器產生的多個光頻被信息數據調制后，經用混頻器UTC-PD（單向傳輸載流子光電二極管）混頻產

（2）太比特（Tbps）接入和回程集成（THzIAB）：隨著日益增多的新的數據密集型終端設備應用的出現，需要小型無線小區的密集網格，來提供無處不在的寬帶無線接入，這些小區的回程依賴于高速無線點對點鏈路，無縫集成到光纖網絡中。無線網絡所需的高數據速率回程基礎設施，是通過使用THz的載波頻率實現的（圖2（a））。圖4為高速無線點對點鏈路模型和鏈路計算的舉例。根據計算，采用275～300GHz構成可提供100Gbps級數據傳輸。若進一步提高傳輸速率，可采用適用于 10m 以內的短程鏈路的頻帶，包括625～725GHz和780～910GHz等，以支持達到Tbps級的水平。

作為值得期待的一個場景，6G中采用的太赫茲頻段將為利用XR，機器人，自動化和人工智能的遠程手術，提供安全通信、高性能、超低延遲、高數據速率和高可靠性的支持。如圖5所示。

（3）數據中心網絡：傳統的數據中心使用有線網絡的電纜連接來進行管理和維護，致使安裝和重新配置的成本高。而太赫茲鏈路為固定網絡中的超高速率無縫連接和對于硬件重新配置適應性，提供了光明的前景（見圖2（c））。

（4）納米物聯網（IoNT）：所謂納米物聯網，是指能夠感知、傳輸、處理和存儲數據的對象（物體和納米物體）網絡，通過通信網絡和互聯網提供納米器件和技術與它們的互聯，也即將包含各種納米C 10^-9 米數量級）的無線納米傳感器網絡嵌入構成的網絡。THz頻段波長落入在納米范圍內，其工作性能與納米網絡最為適配，納米網絡是一組互連的納米設備或用于交換、存儲和計算的納米信息機器，如圖6（a）所示。

納米物聯網絡的組成包括：

① 納米節點：是納米網絡中的基本功能單元，尺寸從1到 100nm ，包含納米傳感器、納米驅動器和處理器，納米天線和基于利用石墨烯傳播SPP波的等離子體納米收發器。納米傳感器可以感知外力、氣體分子和生物物體例如抗原和抗體；納米存儲器允許在單個原子、納米電池和能量納米采集器中存儲比特信號，驅動器為其他元素提供動力的能量。

② 納米路由器/控制器：用于收集和處理來自納米節點的數據，并通過納米-微米接口將其轉發給外部世界，并可控制和協調納米節點的行為。

③ 納米-微米接口器件/網關：它是集成納米世界和外部世界的最復雜的混合設備，使用太赫茲通信技術與納米端進行通信。

④ 互聯網網關：通過互聯網遠程控制整個系統的設備，可從納米網絡收集數據。并將其傳輸到監控設備。

⑤ IoNT中的納米機器人：納米網絡中的納米機器人可以部署在核電站和輸油管道等環境中，執行任務時對人類有危險，但要求高精確，不允許在現有基礎設施之上大規模鉆孔或挖掘的場合。在這種情況下，納米機器人可以分散感知和收集關于化學濃度和流體速度數據。通過自組織網絡，納米機器人可以聚集數據包并將其轉發到納米物聯網中的網關。

⑥ 納米物聯網在保健醫療中的應用：應用于保健醫療中的納米物聯網稱為納米生物物聯網（IoBNT）。納米生物技術是指用于研究生命現象的納米技術，它是納米技術和生物學的結合；而IoBNT則是納米生物技術與分子通信的協同用于醫療保健的解決方案。分子通信就是以分子作為信息載體在發射機和接收機之間進行通信的一種技術，它是一種短距離通信技術。分子通信的類型包括充當不同分子類型之間翻譯工具的人造細胞，或者生物網絡接口，它能將分子信號轉換成電信號，最為匹配的是，利用太赫茲波將這些信息傳輸到外部設備進一步處理。有關納米生物物聯網是如何對人體進行檢測、感知的，將在下面的傳感應用中介紹。

（5）片上網絡：微芯片越來越多尺寸緊湊隨著功能復雜性的增加，片內信號傳輸變得更具挑戰性。例如，CPU可擴展性和高效的內存同步，需要將多個運算器、寄存器并聯組合起來。原先是采用有線連接，而無線芯片上網絡（WNoC）解決方案，可以取代有線網絡傳統芯片上的連接，達到更高水平的集成和小型化以及重量的降低；同樣地，通過太赫茲波段鏈路，可以在收發器機箱內的不同模塊之間建立無線連接，來取代現有收發器硬件產品的有線連接，將成為發展的趨勢（參見圖6（b））。1μm長的石墨烯納米天線可以在太赫茲波段 （0.1～10THz） ）產生輻射，其尺寸與芯片有好的適配度，顯示出采用太赫茲波的優勢。

（6）個人局域網：太赫茲波段通信可以提供“類似光纖”的數據速率；對于相距數米的多臺設備無須導線連接。這樣的通信場景是室內辦公室和多媒體信息亭等（見圖7）。

圖7太赫茲個人域網

規范。非地面網絡是指利用空中或太空載體作為其組成部分，如搭載天線單元或基站單元，來進行通信的網絡。非地面網絡是地面網絡的補充和擴展。如圖9所示，位于對地靜止軌道上的單顆通信衛星，可覆蓋地球約1/3的表面面積，中軌和低軌衛星也可提供比地面上基站寬廣得多的覆蓋；成本較低的氣球-飛艇或無人機編隊亦能實現大范圍的覆蓋。這些非地面網絡不是孤立的；地面網絡與非地面網絡通過有關鏈路連接和核心網集成一體化，其融合將實現地-空-天的無縫覆蓋（見圖10）。遺憾的是，由于種種原因，迄今5G非地面網絡未取得實質性進展，通信網絡基本上仍停留在地面上，看來NTN將由6G付諸實現。

圖9利用非地面網絡擴展的覆蓋

1.3太赫茲在非地面網絡與地面網絡通信集成中的應用[12]-[16]

（1）地面網絡與非地面網絡的集成：5G之前的移動通信網絡主要是部署在人口集中的陸地上，對于人口稀少的沙漠、山區，以及海洋、空中等，由于建立基站等成本過高，對實現“泛在覆蓋”（“ubiquitouscoverage”）目標帶來了挑戰（見圖8）。泛在覆蓋是指在全地域全空間無線接入隨時隨地可用的覆蓋，是社會向更高水平發展所必需。

圖8移動通信網絡泛在覆蓋面臨的挑戰

對于5G通信，3GPPTR38.821Rease提出了非地面網絡（Non-terrestrialnetworks，NTN）的架構和

圖10地面網絡與非地面網絡的集成

在6G中非地面網絡與地面網絡的集成，可使5G中的一些“短板”問題迎刃而解：

① 應急通信：當某地區遭遇地震等突發的自然災害或其他事故，造成地面通信設施（如基站）受到嚴重破壞而導致通信的中斷時，可利用非地面網絡保證救援的通信指揮和災后的重建。

② 廣域物聯網：廣域物聯網是指一種萬物互聯的廣覆蓋、低成本、簡單的部署和廣泛的連接，如圖11所示。目前，5G物聯網仍受限制，如尚未達到很大規模；

授權頻譜短缺及受未授權頻譜的干擾。同時，5G中的無人機通信技術、增強型機器類型通信（eMTC）和窄帶物聯網（NB-IoT）遠不能滿足萬物互聯的需求，因此，需要三維架構即NTN來提供更好的支持。

③ 生態遙感監測：生態遙感監測是指利用各種遙感技術，來監測動、植物和環境生態系統的動態變化。目前，對于人口稀少的自然區域，5G網絡難以覆蓋和監測。而6G網絡利用非地面網絡中的遙感衛星可以實現有效的監測。

（2）太赫茲在非地面網絡與地面網絡通信集成中的應用：太赫茲通信是被視為第六代互聯網的驅動技術，與微波、毫米波相比，太赫茲頻譜可以解決無線通信中的頻譜短缺，并顯著增強無線通信系統的能力。

首先看NTN中的低空無人機通信：在無人機上采用THz頻率具有巨大的潛力，可以提供比微波、毫米波大得多的帶寬，實現高速率的回程傳送；再者，地面控制站對無人機的控制指令的安全性是極為重要的，方向性極強的太赫茲鏈路可滿足此要求。THz包含的巨大帶寬，針對不同的攻擊例如阻塞和干擾，具有獨特的保護功能，提供完全隱藏信息交換的能力。此外，THz鏈路也可用于無人機和飛機之間的連接，以支持客機航班上網，無須使用衛星服務，這樣，無人機將充當天空中作為地面站和飛機媒介的中轉臺（見圖12）。但其功耗、衰減和對堵塞和振動敏感，這是需要著力解決的。

圖12低空無人機通信

再看NTN中的近空通信平臺：臨近空間簡稱近空（NearSpace），通常指的是距地面 20～100km 的空域，處于大氣平流層。在NTN中，采用飛艇或氣球作為通信平臺，被視為6G空-空-地一體化網絡體系結構的最后一塊拼圖。之前成功的一個案例，是將使用超輕和超高強度材料制作的飛艇，送到距地面21km的高度，這里空氣稀薄，有利于定點和位置保持，可提供覆蓋10萬平方千米的高速數據服務。另一例子是，在稱之為“Loon”的項目中，令數千個裝有收發設備的氣球，在平流層飛行了300多天，組成一個自組織網絡，用以提供對農村/災區可靠覆蓋的互聯網接入。對于未來的6G應用，近空通信平臺將在一定的區域實現泛在覆蓋，向數十億地面和空中用戶提供寬帶互聯網服務，這需要超高速、超可靠、長距離（例如超過 100km ）的數據傳輸。由表4可見，微波頻譜資源較為短缺，天線增益有限，難以滿足要求，太赫茲可以利用超寬帶技術實現超過100Gbps的數據傳輸。在大氣層的稀薄的平流層及以上，THz波的分子吸收損耗較小，從而有利于近空平臺之間及近空平臺與飛機/衛星之間的連接，實現遠距離數據傳輸。此外，由于太赫茲超短的波長，超大規模天線陣列能夠提供足夠的波束形成增益，在近空通信平臺有效載荷空間有限的情況下，可以支持長距離定向傳輸。圖13是近空通信平臺組成編隊及與LEO、VLEO衛星和低空無人機的聯網示意圖。除通信功能外，低空平臺還可用于導航定位。

表4應用于近空通信的不同頻段性能的比較

圖116G中物聯網的應用

圖13近空通信平臺的組網及與LEO衛星和低空無人機網絡的集成

但值得關注的是，THz近空通信（NS-COM）的實現面臨許多新的技術挑戰。首先，不同高度的近空間大氣，涉及隨機移動/旋轉風力影響，造成衛星-飛機鏈路的信道與近空平臺-飛機鏈路信道特性不匹配，因為后者更低但更具隨機性，近空平臺的移動性超過衛星節點。其次，THz-NS-COM系統的尖銳波束使天線對準造成很大的困難，導致陣列增益下降。尤其是在與高移動性飛機/衛星通信時，陣列增益會進一步惡化，同時在寬帶、超寬帶工作時，還將產生附加的延遲和波束斜視效應。此外，所產生的與通信設備之間相對運動速度和工作頻率成正比的多普勒頻移，也是需要妥善解決的。

在NTN中，衛星通信是不可或缺的。在圖10、圖11中，NTN包含有高軌（HEO）、對地靜止軌道（GEO）、中軌（MEO）、低軌LEO）和超低軌（VLEO）衛星。由于時延是5G、6G移動通信的一個關鍵指標（見表1），是選擇何種軌道衛星的重要依據。上述軌道衛星的電磁波傳播時延性能如表5所示。要說明，表中的單向傳播時延是指衛星到地面的單程時延或反之，如果是地面終端經衛星再到地面另一終端，則其時延應加倍。

表5不同軌道上衛星的電磁波傳播時延特性

由表5可見，衛星軌道越高，覆蓋區越大，傳播時延也越大；LEO與VLEO衛星的傳播時延與6G的要求較為匹配，特別是VLEO衛星，其傳播時延與地面網絡的水平已十分接近，但覆蓋區較小，為解決此矛盾，達到全球無縫隙覆蓋，采用眾多衛星組成星座是必然的選擇（參見圖14）。

圖14覆蓋全球的LEO星座示意圖

當然，對于時延無苛刻要求的應用場合，如手機直連衛星通話、寬帶視頻或軟件的下載等，GEO、MEO衛星也是大有可為的。

就LEO、VLEO衛星通信而言，利用太赫茲頻率，將獲得巨大的可用帶寬和天線增益、產生具有尖銳的高度定向的波束，能支持6G中超高吞吐量通信業務。此外，它們可提供防竊聽的安全通信。為實現全球覆蓋，星座中的衛星之間，以及各種軌道之間的衛星，應建立星間鏈路。之前星間鏈路采用毫米波或光波，前者因天線波束較寬，鏈接衛星的收發波束的捕獲和跟蹤較易實現，但因頻譜資源有限，如Ka頻段僅可提供約 400MHz 的帶寬，難以提供寬帶、超寬帶高速率數據通信服務；而采用光波時，其頻譜資源的保障是充分的，但因波束狹窄而難于捕獲和跟蹤。太赫茲波則介于毫米波與光波之間，在頻譜資源和天線波束的捕獲與跟蹤的實現達到較好的折中。同時，在大氣層外，水汽和降水對太赫茲電磁波所造成的影響，較在地面的要小得多，因此，太赫茲星間鏈路頻率較理想的選擇。

① 高速數據傳輸：太赫茲波段具有極高的頻率，可以提供極大的帶寬，從而支持高速數據傳輸。這對于需要大量數據的衛星通信系統來說非常重要，如高清視頻傳輸、大數據傳輸等。

② 高頻譜效率：太赫茲波段的頻譜資源豐富，相比其他通信頻段，太赫茲波段可以提供更高的頻譜效率，從而提升整個通信系統的性能。

③ 遠距離通信：一種觀點認為，雖然太赫茲波段信號衰減大，但通過采用高靈敏度接收技術和先進的信號處理算法，太赫茲技術可以實現遠距離的無線通信，特別是在衛星與地面站之間的通信中表現出色，當然這還需要通過實踐的檢驗。

2 太赫茲在6G感知中的應用[41][5][17]

（1）太赫茲成像：利用太赫茲輻射形成圖像的基本原理，是基于太赫茲波的電磁場與物體的相互作用而得，與微波成像相比有許多優勢。由于太赫茲更短的波長和超寬帶寬，令成像呈現出高的空間分辨率；與紅外和可見光相比，THz波有更好的穿透性能，通過對太赫茲信號相對透明的材料，可探視隱藏在“背后”的物體。據此可應用于諸多場合的安全檢查，例如檢查郵件隱藏物體的包裝，識別潛在危險物品的信封、包裹和袋裝。THz輻射是非電離的，因此，它對生物細胞不產生損傷性的健康風險，除非用于高強度加熱。這激發了它在成像方面的應用；而x射線和Y射線之類的電離輻射，由于存在健康風險，不宜頻繁使用。又因太赫茲包含了豐富的物理、化學信息，大多極性分子和生物大分子的振轉能級躍遷都處在這一波段，因此其成像技術可以分辨物體的形象，鑒別物體組成成分，分析物體的物理化學性質。常見的爆炸物或麻醉品可以通過它們的“光譜指紋”來識別。太赫茲波可以對產品進行非接觸式的無損檢測，故太赫茲成像適用于在機場、火車站和邊境的成像，以便對武器、炸彈和爆炸物及毒品等的檢測。圖15給出了機場安檢利用太赫茲成像技術檢測到的乘客身藏武器的示例。

圖15太赫茲成像安檢中發現藏身的手槍、匕首

在無損傷檢測中，通過記錄各個交界層反射的太赫茲脈沖后，利用太赫茲成像，可以看到被檢測物體不同層中存在的缺陷或不均勻性，并能夠給出缺陷大小、位置、性質和數量等信息，在航空航天、汽車工業、化工等領域得到了廣泛應用。此外，半導體工藝與集成電路（IC）技術的迅猛發展使得電路集成化程度非常高，這對于電路檢測也提出了更高的要求。太赫茲波的無損探傷優勢，在IC器件的檢測方面具有很大的潛能。

太赫茲成像是通過太赫茲探測器陣列完成的，可分為頻域和時域探測器陣列兩種。頻域探測器陣列能響應太赫茲的光強信號并產生圖像，其主流裝置有微測熱輻射計探測器陣列，場效應晶體管探測器陣列，光子探測器陣列，以及超導探測器陣列。其中，微測熱輻射計探測器陣列應用最廣，已有不少商業化產品，并且有極高的像素和優良的靈敏度。場效應晶體管探測器陣列靈敏度稍遜微測熱輻射計探測器陣列，但由于其芯片制程與現有的芯片代工技術兼容，它具有規模化以及成本優勢。光子探測器陣列有著非常高的靈敏度，但由于其對熱噪聲非常敏感，只能在極低溫的環境下工作，此外，材料的限制使得光子探測器陣列只能響應高于1.5THz的信號，并且很難實現高像素的探測器陣列。超導探測器陣列相比于光子探測器陣列有著更高的靈敏度，它能響應更寬頻譜的太赫茲信號，并且能夠實現相對高像素的芯片。時域探測器則是通過泵浦探測，獲取短強激光脈沖激發下的時域波形，再通過傅里葉變換轉換為頻域處理。

（2）生物、醫療應用：太赫茲波對水分子十分敏感。如圖16所示，太赫茲波在某些頻率上與水分子或其他分子（如氧分子）產生共振，從而產生對太赫茲能量不同程度的共振吸收；在其他非共振區，水分子對太赫茲波的吸收程度遠低于其附近的共振區，但不同頻率對應的衰減是不一樣的，此稱為分子吸收現象。表6給出了某些頻率上總的分子吸收衰減。

圖16亞太赫茲波在大氣中的傳播特性

表6在某些頻率上總的分子吸收衰減

正是太赫茲波對水分子的高度敏感，使之具有電子“嗅覺”，即如前所述的太赫茲波與氣體介質相互作用，導致前者能量的某種特定分子吸收損失，應用此機理進行測量的技術稱為旋轉光譜學，是分子量化旋轉狀態之間能量躍遷的測量，它具有高靈敏度和濃度測度的定量性。

這樣，檢驗太赫茲與分子吸收的相互作用，為許多要求極高精度感知應用提供了新的途徑。這種功能對于醫療領域如癌癥（宮頸癌患者轉移性淋巴結等）診斷也很有用處。它可以用于光學成像和診斷技術，檢測和識別組織中的異常。由于太赫茲輻射具有非侵入性檢測的潛力，既準確，又安全，是診療的重大飛躍。

在太赫茲與納米技術結合構成的生物納米物聯網中，納米相機是一種高精密的探測系統，它基于納米感光和納米技術，在將光信號轉換為電信號之前，對探測對象進行感知、組合和處理。該系統包括納米光電探測器、納米透鏡、納米電池和納米存儲器，以實現高分辨率成像和信號處理。納米相機可以應用于血管內成像和骨折檢測。此外，還有納米血壓計、血氧儀和心電圖儀等，附在人體身上（體表或體內），隨時監測，并通過納米-微米接口，將分子通信信號轉換為太赫茲波，到達網關，接入互聯網。如圖17所示。

在環境監測中，圖18（a）給出了利用分子吸收的感知應用的一些例子。在環境監測中，用于氣體檢測，太赫茲波可以檢測空氣中的氣體分子、水蒸氣、塵埃等物質，通過分析太赫茲波的傳播特性、反射、散射和吸收等效應來獲取空氣中的物質信息。用于水質監測時，太赫茲波可以穿透水，對水中的污染物進行檢測，獲取水質的信息。

圖17用于健康監視的無線納米傳感網絡

圖18太赫茲波在感知領域的應用

中紅外光譜儀工作波長范圍為 2.5～25μm ，由于具有特征性的中紅外吸收光譜，適合鑒定有機物、高聚物及其他復雜結構的化學物。可廣泛應用于生物醫藥、材料科學、石油化工、食品安全、環境保護、氣體檢測等生產、科研領域。但仍有中紅外不能覆蓋到的物質、材料，則可利用太赫茲波波譜儀進行檢測，可認為是中紅外光譜儀的擴展。

水動力學的研究內容主要包括研究無黏性的理想液體運動規律，分析大黏度液體的流動狀態，如船舶的摩擦阻力，研究液體中形成空泡的流動現象，研究含有固體顆粒或氣泡的液體流動，研究不同密度液體的分層流動，研究液體與彈性體相互作用的理論，等等。水動力學在多個領域均有應用，如水利水電工程、造船工程、海洋工程、水中武器、化工、環保工程、石油開采等。太赫茲與水相互作用的波譜檢測，為水動力學的研究提供新的研究途徑。

（3）精準定位：所謂定位，是指用戶設備相對于與之聯系的一個或幾個基站的位置或方向。隨著通信持續發展和改進，對于高度移動和網絡大規模連接的應用場景下，利用外部傳感輔助，迅速而精準地“找到”發射機、接收機在什么地方，以便彼此對準，確保通信質量將變得至關重要。通常是利用用戶設備的信標（上行信號）或基站的信標（下行信號）實施。基本的定位方法如圖19所示。

圖19基本的定位方法

圖19中，（a）～（d）是利用四種基本的幾何學測量的定位技術；（e）～（h）是利用幾何信息組合的定位技術。TOA是到達時間，是基站利用接收到的用戶信標信號強度估計傳播距離，進而計算出相應的到達時間；TDOA（到達時間差）定位是一種利用時間差進行定位的方法。是通過檢測信號到達兩個基站的絕對時間差，而不是到達的絕對時間來確定用戶的位置。采用三個不同的基站可以測到兩個TDOA，用戶位于兩個TDOA決定的雙曲線的交點上。如果基站上有一個天線陣列，可能獲得一維（方位）或二維（方位和仰角）的角度信息用于定位，通過截取線的交點來確定目標（用戶）的到達角（AOA）。離開角（AOD）是通過基站的定位信標使用天線發出信號，當用戶設備配備有天線陣列時可以估計到特定基站的信號AOD。然而，由于用戶的方位未知，ADOD信息更有用。而UE處的AOD在方向估計中也很重要。

在6G和超6G系統的應用中，將需要提供高精度定位。在室內和室外環境中定位的一些場合中，當導航定位衛星和使用低頻帶的傳統多小區定位技術無法提供的通信服務時，可用太赫茲成像定位作為有效的補充。例如在車聯網中，車上安裝的太赫茲雷達和通信機可實現高精度的定位與通信（見圖20）。太赫茲雷達的原理主要基于太赫茲波的特性，太赫茲雷達系統中的太赫茲波源產生太赫茲輻射，并將其照射到目標物體上；太赫茲波遇到目標物體后，會發生反射、透射和散射；太赫茲雷達的接收機捕獲這些反射、透射或散射回來的太赫茲波信號。

接收到的信號經過處理后，可以根據信號強度和時間信息，重建出自標物體的圖像或光譜。在車輛通信和雷達感知應用中，目標車輛的定位信息發給源車輛，后者將此信息通過通信波束發送到太赫茲接入點1和接收車輛，使室內有關人員和室外有關車輛掌握目標車輛的位置信息。

圖20太赫茲車輛通信和雷達感知的聯合應用

聯合雷達和通信中，有被動（無源）感知和主動（有源）感知兩種。被動感知是指從通過處理接收靜止或移動的物體反射的信號，來檢測目標狀態的技術，一般是使用固定的傳輸信號源來檢測附近移動性較低的物體。主動感知系統則是發射寬帶信號并接收從周圍物體反射回來的信號，通過動態感應，可以估計出物體的距離和運動速度；當使用陣列天線時，還可以估計出信號的到達角。主動感知系統需要寬帶的支持，這在太赫茲頻段中將得到充分的保障。

原則上，圖19所列舉的定位方法，用于太赫茲都是可行的。但因同步問題的挑戰，似使用測角法更為優先。表7列出了6G太赫茲定位的性能、優點和挑戰。

表76G太赫茲定位的性能、優點和挑戰

由于太赫茲波長遠短于微波，可用較小的較小的孔徑構成大的天線陣列，產生尖銳的針狀波束，用于感知用戶瞬時位置和方向能達到厘米級精度，這是微波雷達所不及的（圖18（b））。除此之外，利用太赫茲成像可以對非視距（NLoS）區域的用戶定位，即使它們的傳播路徑經歷多次反射。一個有效的解決途徑是基于同時定位與地圖構建（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）的概念，這是一種能夠在沒有預先環境信息的情況下，通過搭載的傳感器在未知環境中移動，同時構建環境的地圖并確定自己的位置的技術。其精度是通過收集環境的高分辨率圖像來改善，而THz成像可以提供這樣的高分辨率圖像。特別是利用智能反射表面（IRS），可作為一個低能耗的無源的輔助基站，提供額外的位置參考和可解析的多路徑測量。6GISC中太赫茲有關定位的某些應用場景和性能如表8所示。

表86GISC中太赫茲有關定位的某些應用場景和性能

表8中列了合作機器人的應用，是考慮預計工業5.0將很快到來。工業4.0將轉移到2030年工業5.0。工業4.0是“數字化”，而工業5.0是“個性化和智能化”，它需要5G、B5G、6G的支持。工業5.0允許客戶定制服務。6G將是真正的人工智能驅動的移動無線通信，即：通信系統將以足夠智能來控制數據路由。再者，聯合人工智能將有助于知識智能設備之間的共享。此外，量子機器學習將通過智能數據分析增強6G的性能。因此，6G網絡將是通信感知一體化與AI（人工智能）的集成。

在AI應用中，對于室內和室外場景，無線通信環境可以是主動利用的以便于使信號傳播變得可控。控制環境中的信號傳播，實質上就是控制電磁波如何與散射體，包括室內家具和室外建筑以及其他基礎設施相互作用。電磁波的可控行為包括受控的反射、吸收、波束的對準，信號波導和偏振調整等，“智能通信環境”這個概念存在深度學習和強化的控制算法學習中，將被用來動態配置環境。

遇到的挑戰[5][18][19]

以上介紹了太赫茲在6G通信感知一體化中的應用，在許多場景中其優勢是其他頻段不能取代的。但它所具有的特性并非十全十美，在付諸實用之前，還有諸多理論與技術需進一步研究解決。其面臨的挑戰主要有：

（1）作用距離受傳播損耗嚴重的制約，難以實現遠程通信與感知。在自由空間中，路徑損耗與頻率和距離的平方成正比，以圖5中鏈路計算為例，當工作頻率為 300GHz 、距離為 10m 時，路徑損耗為102dB；而工作頻率為30GHz時，相同的路徑損耗相應的距離為100m 。意味著補償上述相同的路徑損耗后，后者的通信距離為前者的10倍。為滿足通信信噪比的要求，通常是通過收、發天線增益和發射功率來補償，而天線增益和發射功率是有一定限度的。仍以圖4中的鏈路計算為例，采用透鏡天線，通信距離從 10m 增至1000m 時，收、發天線增益和發射功率分別為26dBi（ 10m ）、55dBi（ 1000m 和13dBm。55dBi已接近該頻率透鏡天線的上限。可見，在上述約束下，通信和感知距離就不能隨心所欲。從報道的成果看，太赫茲設備的作用距離大多在數米至數十米。當然，透鏡天線并非高增益天線的唯一選擇，可考慮采用RIS和其他超表面天線技術等，都是值得進一步研究的。

（2）硬件問題。構成太赫茲的射頻設備的器件，包括收、發天線，信號產生器，功率放大器、低噪聲放大器，變頻器，調制解調器，以及有關的數字器件如數-模和模-數變換器等。這些器件在太赫茲頻率上實現，通常尺寸都是微型化的；結合工作機理看，如之前介紹的電子方式、等離子方式和光子方式，能出的射頻功率和效率偏低。例如，利用單向傳送載流子光電二極管（UTC-PD）產生太赫茲功率，工作頻率為300GHz所出功率為10 μW ；而在1THz出功率為1 μW 效率僅百分之幾。若采用真空管對于300GHz可提高至1W，已達該頻率的上限，欲再向更高頻率推進時，便已無能為力。利用超大面積的RIS可獲得很高的天線增益，但天線波束極為尖銳，收發波束難以對準，且在寬帶工作時出現“斜視”問題，需采取措施解決。

（3）人工智能（AI）應用問題。大多數技術都是在研究的初始階段。所有人工智能算法都需很高的計算量。對于高計算量任務執行時間長和消耗更多的能量，6G尚難以緩解。另一個問題是網絡的動態性質。一旦人工智能算法得到推論（如線性回歸，邏輯回歸，決策樹自然演繹推理等），便用于預測未來的輸入數據。然而，通信網絡是非常動態的，因此，推論會很快被淘汰。訓練人工智能模塊短時間的間隔對于6G來說是非常昂貴的。因此，6G在通信中部署人工智能將面臨巨大的挑戰。此外，物理層將得到人工智能的協助。然而，由于該層的復雜性和有限的學習能力，引入人工智能是困難的。但一旦取得突破，將如虎添翼！因此，人們不應、也不會望而卻步。

以上僅是從技術層面討論，且所列舉的問題并非面臨挑戰的全部，但足以說明6G中應用太赫茲的艱巨性，當然正視它正是為了解決它。人們通過不懈的努力，在越過崎嶇之后，將踏上光明的坦途！

參考文獻

[1]童文等.6G無線通信新征程：跨越人聯、物聯，邁向萬物智聯[M].北京： 機械工業出版社出版，2021.

[2]中國電信研究院.6G愿景與技術白皮書[Z].2022，12.

[3] Zhengquan Zhang，etal.6G Wireless Networks：Vision，Requirements， Architecture，and Key Technologies[J].IEEE VEHICULAR TECHNOLOGY MAGAZINE，September，28-41，2019.

[4] Christina Chaccour，et al. Seven DefiningFeatures of Terahertz （THz） Wireless Systems：AFellowship of Communication and Sensing[J].IEEE COMMUNICATIONSSURVEYSamp;TUTORIALS，VOL.24，NO.2， SECONDQUARTER，967-993，2022.

[5]IanF.Akyildiz at.al，.TerahertzBandCommunication：AnOldProblemRevisited and Research Directions for the Next Decade[J].IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS，VOL.70，NO.6，JUNE，2022.

[6] Zhi Chen，et al. Terahertz Wireless Communications for 2030 and Beyond： A Cutting-Edge Frontier[J].IEEE Communications Magazine.November.66- 72，2021

[7]KariRikkinen，etal.THz Radio Communication：Link BudgetAnalysis toward 6G[J].IEEE Communications Magazine.November，22-27，2020.

[8] Yang Zhao，et al.A Comprehensive Survey of 6G Wireless communications[J]. arXiv：2101，03889v2[ess.sp]161，Feb，2021.

[8]MUNTADHER ALSABAH， et al. 6G Wireless CommunicationsNetworks： A Comprehensive Survey[Z].IEEE Access.Digital Object Identifier 10.1109/ ACCESS.2021.3124812.

[9]Dinh C.Nguyen， etal. 6G Internet ofThings：AComprehensive Survey[J] IEEEINTERNETOFTHINGSJOURNAL，VOL.9，NO.1，JANUARY 1，359-383，2022.

[10]IANF，et al.6G and Beyond：The Future of Wireless Communications Systems[Z].IEEE ACCESS.2020.3010896

[11] Een-Kee Hong，etal.6GRamp;DVision：Requirementsand Candidate Technologies[J].JOURNAL OFCOMMUNICATIONS AND NETWORKS， VOL.24，NO.2，APRIL，232-245，2022.

[12]Huanxi Cui，et al.Space-Air-Ground Integrated Network （SAGIN） for 6G： Requirements，Architecture and Challenges[J].China Communications Magazine Co.，Ltd.，·February，90-108，2022

[13] Francesco Alessio Dicandia， et al. Space-Air-Ground Integrated 6GWireless Communication Networks： A Review of Antenna Technologies and Application Scenarios[J/OL]. Sensors， 2022， 22，3136.https：//doi. org/10.3390/s22093136.

[14] Sastri Kota， et al. 6G Integrated Non-Terrestrial Networks： EmergingTechnologies and Challenges[Z]. 2021 IEEE International Conference on Communications Workshops （ICC Workshops）|978-1-7281-9441-7/20/$31.00 C2021 IEEE| DOI： 10.1109/ICCWorkshops50388.2021.9473743

[15] Xiangming Zhu， et al. Integrated Satellite-Terrestrial Networks Toward6G：Architectures， Applications， and Challenges[J]. IEEE INTERNET OFTHINGS JOURNAL， VOL.9. NO. 1， JANUARY1，437-461.2022.

[16] Hejia Luo， et al. Very-Low-Earth-Orbit Satellite Networks for 6G[Z].HuaweiTech， Dec.2022.

[17] Hui Chen，et aLA Tutorial on Terahertz-Band Localization for 6G CommunicationSystems[J]. IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS amp; TUTORIALS， VOL.24， NO. 3， THIRD QUARTER，17801815，2022.

[18] John Federici， et al.Review of terahertz and subterahertz wireless communications.JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107， 111101， 2010.

[19] Thomas Kleine-Ostmann， et al. A Review on Terahertz CommunicationsResearch. J Infrared Milli Terahz Waves 32：143-171，2011.