太赫兹空间接入技术

王佳佳，陈琪美，江 昊，吴 静

(武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉430072)

0 引言

未来通信将具有超高的网络速率、超低的通信时延和更广的覆盖深度，学术界和工业界正在努力定义和确定未来通信相关的关键技术[1-3]。处于低频段的频谱资源已不能满足人们对于更高速率应用的需求，为了满足未来通信网络的快速发展需求，新的频段需要被探索以创造超高数据传输速率，大带宽的太赫兹无线通信系统具有提供超高数据传输速率的潜力，基于此100 GHz～3 THz之间的太赫兹频段研究将引来学术界和工业界越来越多的关注。

在无线移动通信系统中，峰值速率是自第一代无线移动通信以来就一直追求的关键技术与需求指标之一。从无线通信系统发展规律和未来通信前景2个角度分析可知，未来通信的峰值速率将进一步提高，峰值速率可能进入太比特时代。首先，根据1G～5G移动通信系统峰值速率发展的统计规律，可定量预测10年后的峰值速率需求，预测出2030年可能达到Tb/s的峰值速率。其次，从对未来通信“人与世界沟通零距离”的愿景中可以看出，未来至少有2类应用需要有大幅度提升的峰值速率：① 基于人工智能、神经网络的智能化应用将驱动数据通信的爆发，为了满足海量数据传输需求以及避免通信网络拥塞，此类应用需要超高的数据传输速率；② 未来，由高清视频传输带来的高保真度全息通信和增强现实/虚拟现实等技术将会应用在生活的各个角落，这些应用对未来的无线通信传输速率提出了更高的要求。以上分析表明，与传统无线通信中仅覆盖局部区域(如热点区域)需达到峰值速率的需求不同，未来网络的应用要求能够随时随地实现Tb/s水平的峰值数据传输速率和低时延的连接需求，这是未来网络需要应对的巨大挑战。太赫兹通信凭借带宽大、传输速率高及频谱资源丰富等优点，是未来移动通信中极具优势的Tb/s级通信接入技术，可以应对未来通信的巨大挑战[4]。

未来通信网络将充分利用太赫兹波段的超高频无线频谱资源，同时融合地面移动通信、卫星互联网及微波网络等技术，形成一个具备万物群体协作、数据智能感知、安全实时评估和天地协同覆盖的一体化绿色网络。未来通信网络所关注的主要目标不再是数据传输性能，它将向空天地海外太空、全维度感知世界和网络空间不断延伸，更智能、更安全、更灵活地为人类提供全天时、全天候、全地域[5]的信息基础设施服务，改善现存蜂窝系统的局限性。

1 太赫兹通信技术

频谱作为一种稀缺资源，是移动通信的基础，也是未来通信发展的关键所在。随着用户数和移动终端设备数量的增加，数据流量将呈指数级增长，有限的频谱带宽需要为更多的终端提供服务，这将导致终端服务质量的严重下降，因此不断开拓和利用更高频段的频谱资源至关重要。目前，我国三大运营商的主力频段都位于微波和毫米波频段，频段使用十分拥挤，已趋近饱和，未来通信日益增长的业务量需要更多的频谱资源来支撑，因此需要寻找新的频率资源来满足通信需求，太赫兹频段凭借自身优势成为最具优势的候选频段，未来通信将进入频率更高的太赫兹频段[6]。

1.1 太赫兹频段的发展优势

太赫兹频谱在通信等领域的开发和利用受到了发达国家和区域的高度重视，也获得了国际电信联盟(ITU)的大力支持。太赫兹是介于微波与红外线之间的电磁波，频谱在100 GHz～10 THz之间，是一个频率比5G高出许多的频段。太赫兹波段在低频段与毫米波相邻，在高频段与红外光相邻，位于宏观电子学与微观光子学的过渡区域，具备激光通信和毫米波通信优势。与毫米波通信相比，太赫兹链路具有更大的通信容量；波束比毫米波更窄，具备更好的方向性和更强的抗干扰能力；太赫兹通信的设备质量和体积等比毫米波设备更小，具有更好的保密性。与激光链路相比，太赫兹波具有更好的穿透沙尘烟雾的能力和更高的能量效率，在恶劣天气下比激光通信更具优势。此外，在350，450，620，735，870 μm的太赫兹波长附近有相对透明的大气窗口，能够实现无损耗传输，以较低的功率完成远距离通信。

太赫兹作为一个介于微波与光波之间的全新频段尚未被完全开发，是未来移动通信中极具优势的宽带无线接入(Tb/s级通信)技术。美国联邦通信委员会专员Jessica Rosenworcel在2018年9月召开的美国移动通信世界大会上表示，6G可以采用基于太赫兹频谱的网络和空间复用技术[7]。

此外，当前大部分低轨通信卫星星座设计轨道高度均在1 000 km左右，与遥感卫星500～800 km的轨道高度相差不大，在这个距离上可以充分利用太赫兹链路通信速率高、天线口径小、能量集中的特点，使用太赫兹链路将遥感卫星节点接入低轨通信卫星节点，以较低代价实现遥感信息大容量、高速回传。太赫兹通信凭借频段优势，可广泛应用于未来遥感通信中。在太赫兹无线局域网和蜂窝网络的推动下，未来通信时代将实现超高数据速率，为计算机通信、自动车辆、机器人控制、高密度全息游戏、娱乐、视频会议和数据中心的高速无线数据分发提供超快的下载速度[8]，相对于5G通信将有大约2个数量级的比特率增长。

太赫兹天线利用窄波束同时向不同方向的多用户传输信息，提高数据传输速率的同时降低了通信延时。传统无线通信较低的数据速率限制了AR/VR技术的发展，高速率和低延时的太赫兹通信应用于无线通信系统后，将推动各种现实(XR)技术进一步快速发展[9]，支持用户在室内体验高品质的视频服务，实现高清视频的传输，同时给用户带来比有线VR系统更好的体验。此外，太赫兹在空间通信方面的应用也具有很大的潜力。在空间通信中，太赫兹波在外层空间中可实现无损传输，仅利用极低的频率即可实现超长距离传输，同时大气层可以屏蔽大部分太赫兹辐射，使太赫兹空间通信避免了地球辐射噪声的影响，地面应用无法监听到空间通信信号，进一步提高传输质量，保障了传输安全。因此太赫兹通信有望在未来太空雷达、星际通信等应用中发挥重要作用，并用于重返大气层的导弹、飞船等飞行器的通信[10]，具有广泛的应用前景。

1.2 太赫兹通信存在的主要技术问题

太赫兹通信技术目前还处在研究开发核心器件(如调制器、解调器、混频器、太赫兹源等)及实验室演示通信系统的阶段，在未来的发展过程中，太赫兹无线通信还面临一些挑战，需要研究解决的主要技术包括：

① 太赫兹辐射功率较低，难以达到正常通信所需的载波功率，需要进一步研制出可不间断工作的大功率太赫兹源。此外，由于现有研究的缺陷，已有的太赫兹通信信号源与本振源不具备稳定的频率和良好的相干性，从而导致太赫兹接收系统灵敏度较低。

② 目前关于大气衰减和闪烁特性对太赫兹通信影响的实验研究相对较少，需要进行更多实验研究来探索适应太赫兹通信频段的大气传输模型，将高码率调制解调技术应用到太赫兹通信链路中，研制高性能的太赫兹调制解调器件，实现调制增益和更高的频谱利用率，进而实现复杂环境下的信道传输。

③ 缺乏太赫兹通信的原创性重大基础性机理研究和高性能器件技术创新研究。在太赫兹的辐射技术、探测技术和光谱技术等重大基础研究领域的起步较晚，缺乏原创性的重大基础研究成果，急需研制新体制太赫兹通信。

④ 缺乏太赫兹通信系统性能指标及参数的测试评估和计量技术手段[11]。目前，急需开展此方面研究，为太赫兹频段通信系统参数值的准确可靠获取提供技术支撑[12]。

⑤ 现存的太赫兹无线通信系统多数针对地面静止状态下或运动速度低的通信终端，针对高速移动目标的太赫兹无线通信系统的研究极为有限，因此需要发展波束追踪和波束控制对准技术来满足高速移动状态下无线通信的链路需求，实现高速移动目标的太赫兹无线通信。

1.3 太赫兹适用于未来遥感卫星通信的应用可行性分析

在典型的遥感数据快速回传场景中：

① 基于不同通信距离、不同纬度、不同通信网络构型和背光约束的影响下，太赫兹链路的理论建链时间窗口能够为大数据遥感业务快速回传业务提供充足的接入时间。

② 由于传感数据量大，传输速率要求高，传统的Ka，Ku波段波束在速率与带宽上无法满足遥感大数据的要求；同时由于遥感卫星针对低轨通信卫星星座的不同高度轨道间的链路距离较短，且链路角速度变化快的特点，激光通信链路在这种高速运动的场景上实现链路对准有很大的难度，而太赫兹链路的高带宽和对应距离约束下的波束半径范围能够满足高速率传输和高动态接入链路波束对准的需求。

③ 考虑遥感卫星与通信卫星之间的相对运动，可得到的波束覆盖相对时长比现有太赫兹天线的机动时间间隔高3个数量级，理论上能够很好地满足现有太赫兹天线的机动时间需求。

④ 目前的卫星通信主要应用Ka，Ku频段进行接入，传统的Ka，Ku共用抛物面天线半径为0.8 m左右，若使用太赫兹天线，天线尺寸能进一步压缩，绝大部分的遥感卫星和通信卫星都能够负载。

⑤ 在遥感卫星低轨接入场景中，相比于能量聚集、传输距离远、速率高的激光链路，太赫兹波束宽度更大，天线粗跟踪系统能满足要求，不需要精跟踪系统，且天馈系统成本更低，有一定成本优势，相比激光天馈系统体积重量较小，便于搭载；此外,采用相控阵天线后太赫兹链路能同时形成多个波束，可以连续调整波束跟踪移动的通信节点。无需多副天线，也无需天线在多个方向往复切换，天线增益仅略微降低便可在高速运动条件下实现多址接入；太赫兹的大速率足够满足遥感信息传输，带宽利用率高。

基于上述的理论分析，太赫兹链路能够满足未来大数据量遥感业务快速回传的应用需求，提供可行有效的太赫兹接入方案。

2 太赫兹链路下遥感卫星接入网络的关键技术

遥感卫星是卫星网络的重要业务,卫星遥感数据与传统的影像数据产品相比，其显著特点是含有极为丰富的空间地理信息，出于安全保密方面的考虑，带有高精度地理坐标的卫星遥感数据无法通过公众平台媒介进行分发。同时由于卫星遥感数据本身具有数据量庞大、更新快等特点，对于数据的处理、存储、分发、管理及接入机制制定等方面都有严格要求，所以需解决卫星节点的接入窗口选择、节点选择、波束对准与流量适配问题，以支撑高速、实时、并发的遥感传输业务。未来通信时代遥感卫星通过太赫兹链路接入低轨通信卫星将成为必然趋势，接入示意图如图1所示。

针对现有能够应用于太赫兹超高速无线网络的能量和频谱感知的媒介接入控制协议存在的时隙申请量未及时更新，超帧结构不合理及分配时隙时未合并同一节点之间的时隙请求等问题，需要解决以下关键的接入问题。

2.1 遥感卫星接入时空窗口的选择策略

可见光及高光谱遥感卫星多在地球向阳面采集数据，低轨通信卫星与遥感卫星的相对位置和相对运动速度对低轨通信卫星的可服务时长产生一定程度的影响。此外，在高纬度地区，卫星间相对运动较快，波束对准难度大，星间链路极不稳定；在低纬度地区，卫星间相对距离较远，星间链路性能较差。因此需根据低轨通信卫星的分布情况，评估遥感卫星接入通信卫星网络的最佳时间与空间范围，确定遥感卫星接入的时空窗口区域。

2.2 遥感内容驱动的低轨卫星网络接入节点选择

随着遥感卫星变得越来越密集，需在同一时空窗口区域接入的不同遥感卫星将竞争有限的低轨通信卫星资源。鉴于未来移动通信使用的太赫兹频段波束具有较强的方向性，高速运行的遥感卫星需要在低轨通信卫星之间进行连续切换。根据遥感卫星携带内容的重要、紧急程度，划分数据传输的优先级，使携带高优先级内容的遥感卫星可优先选择切换卫星及时间窗口，建立吞吐量更高、时延更短、可靠性更强以及可持续时间更长的通信卫星链路。

2.3 极窄波束的空间多址接入

在遥感卫星接入低轨通信卫星的未来移动通信场景架构下，由于接入的遥感卫星类型各异、数量较多，且遥感卫星与低轨通信卫星之间的太赫兹链路波束极窄，所以低轨通信卫星具有有限的可服务时长和稀缺的接入时空窗口。在同一个低轨通信卫星视距范围内，可能存在多个遥感卫星等待接入的情况，遥感业务数据量大，容易造成网络拥塞。因此低轨通信卫星在接收到遥感卫星的接入请求后，利用自适应性和灵活性强的多址接入技术，在单波束场景下通过控制天线波束转向，合理调度分配给待接入遥感卫星的波束覆盖时长；在多波束场景下，设计合理的调度配对方式，实现低轨通信卫星波束与遥感业务之间的灵活调配，以保证通信的连续性、实时性和可靠性，在提升卫星资源利用率的同时，满足遥感传输业务对时延、吞吐量、可靠性与持续服务时间的需求。

2.4 自适应波束对准的控制方法

太赫兹通信波束较窄、通信距离有限，在极地区域与高纬度区域，遥感卫星与通信卫星之间的接入存在波束对准问题。同时卫星在实际运行中受到多种摄动力的作用，信号接收和发送方之间的距离不断变化，易引起波束的指向损耗和指向误差。针对卫星网络时钟高度统一、节点运行轨迹可预测的场景特点以及卫星摄动因素已知的先决条件，基于带外信令进行信息交互，结合人工智能方法来设计控制算法实时预测摄动方向，进而动态调整以保证波束方向对齐，实现自适应的波束对准。

2.5 异质异构网络的速率适配

低轨遥感卫星星座通过太赫兹频段接入卫星通信网络，太赫兹网络的通信速率较高，而工作在Ka，Ku频段的卫星通信网络速率较低。在异质异构网络中，当多个遥感卫星同时对采集的数据进行高速下行传输时，为避免因速率不适配导致Ka，Ku频段卫星网络负载过重，影响卫星网络通信服务质量，需解决 “高速转低速”流量适配问题。为此，研究异质异构网络的协同缓存策略，对高速并发数据流进行降速处理。为满足多平台、多时间/空间分辨率的遥感应用需求，支持多元化常态、应急遥感业务，协同缓存策略应根据遥感数据流速率、星间链路状态及用户请求内容，在多节点间协同分配与更新缓存，并通过多星协作回传，实现多级流量适配。

3 结束语

未来通信网络将会不断地对太赫兹频段进行探索，扩展尚未使用的太赫兹频段和亚太赫兹频段，将地面和空中无线电接入点结合在一起，实现3D覆盖[13]。本文介绍了太赫兹频段给未来通信时代空天地一体化发展带来的机遇与挑战，分析了太赫兹链路适用于海量遥感数据通信场景，同时介绍了太赫兹链路下的相关接入技术。未来通信网络将会打破信息互联互通的壁垒，充分利用太赫兹通信技术的先进优势及卫星通信领域的技术积累，打造基于太赫兹通信技术的空间信息走廊，建立太赫兹通信及卫星通信互联网/互联网的产业生态链，真正实现智连万物，让信息在全球每个角落都能自由安全地联通。