面向6G网络的太赫兹通信技术研究综述

谢莎　李浩然　李玲香　陈智　李少谦

【摘  要】在6G中，太赫兹通信由于能提供极高的数据速率与巨大带宽，具有极大应用潜力。首先调研了6G的发展规划与诉求，然后介绍了应对新诉求下THz通信的优势与应用场景，包括THz纳米级应用、THz无线接入服务、THz超大容量回程、THz安全通信以及THz空间通信。最后指出THz通信发展趋势与技术挑战，包括THz通信器件、无线覆盖增强技术、超大规模MIMO技术、THz定向组网技术、绿色THz通信技术。

【关键词】6G;太赫兹通信;超高数据速率;海量频谱资源

0   引言

随着智能终端和新兴应用（如实时和交互服务）的快速发展，无线数据流量急剧增加，其中移动数据流量、视频流量预计将在2016年至2021年间分别增长7倍和3倍[1]，现有的蜂窝网络无法完全满足这种快速增长的需求。

为了迎接未来的挑战，6G网络的开发引起了各国的广泛关注。截至目前，欧盟、国际电信联盟等多个组织，以及中国、美国、日本和芬兰等多个国家已经相继部署开展6G网络相关的研究。

相比于目前已存在的无线通信系统，6G预计在速度、延迟和容量方面带来极大的飞跃。在速度方面，6G将具有海量的频谱资源，例如，作为6G候选频段之一的太赫兹（THz， Terahertz）频段频谱范围为0.1—10 THz，远比5G 毫米波（mmWave，millimeter Wave）频段（频谱范围为30—300 GHz）丰富。如此海量的带宽资源将可以提供超高的数据速率，如实现Tbit/s的数据传输，预计将比5G快100到1 000倍。在延迟方面，6G将提供相比于5G更低的延遲。具体地，5G使工业自动化、无人驾驶、拓展现实（XR， Extended Reality）等成为可能，但人类仍能感知到存在的延迟。而6G在此基础上进一步进行提升，力求达到人类无法察觉的延迟，因此对延迟的要求变得更加严格。在容量方面，6G期望实现全维度的覆盖，因此能有效地为上万亿级别数量的设备连接提供足够的支持，而在5G网络中，可以支持的移动设备连接数量为数十亿级别。因此，6G网络的容量可能会比5G系统高10到1 000倍。

1   6G发展规划与愿景

1.1  发展规划与愿景

5G技术侧重实现人、车联网以及物联网之间的通信，提出的三大重要服务场景：增强型移动带宽、大规模机器类通信以及高可靠低时延通信，为未来2020～2030年的5G愿景“信息随心至，万物触手及”提供坚实支持[2]。然而，随着全球无线接入设备的激增，对于时延性能要求极高的应用大量出现，如时延甚至要达到1 ms的触觉互联网（TI， Tactile Internet）应用，这远远超过了5G技术的支持能力。此外，在5G场景中，不能在有海量接入的场景中同时实现低时延高可靠的性能。因此，不难推测，2030年5G技术的容量将会达到极限[3]。

为了进一步提高无线通信网络的适用范围以及适用能力，6G将依托5G技术，进一步在以人类需求为根本的“随时随地随心的智慧网络”的基础上进行探索。一方面，6G技术将实现在宏观以及微观人类通信的无缝连接：“空-天-陆-海”全维度的服务范围将解决偏远地区、无人区，以及地质灾害造成的基站毁坏等地区通信问题[2];纳米网络在微观世界的部署将进一步探索人类微观生理结构。另一方面，6G网络“智慧”的本质是满足不同个体的个性化需求，即6G网络可以提供类人思维方式的服务（包括分析人类情感、感官以及通信环境[2]）。6G时代，将实现海量异构网络的接入、超低时延的要求、智能分析能力、安全可靠的服务以及高能效网络部署[4]，一些关键技术指标如表1所示：

1.2  网络架构

为了加快开启6G技术的研究步伐，实现“以人类需求为本”的个性化需求，各个国家以及组织在积极推进6G技术发展的进程。6G网络的正式部署预计将于2027～2030年展开。因此，如何进行6G网络的部署至关重要。

首先，“空-天-陆-海”全维度网络架构需要：地球卫星网络以及飞机、无人机、飞艇等空中飞行设备组成的“空天”网络;深海潜艇以及海上航行的船只等构成的深海通信网络，以及将“空-天-海”通信网络与地面通信网络包括移动蜂窝、无线局域网等统一规划连接，最终形成覆盖全球全地形的全维度通信系统。

其二，超密度小蜂窝异构网络将成为各式应用的主要支撑。为了满足人类需求，各式新兴应用包括拓展现实、全息通信、智能医疗、无线脑-机交互、自动化制造等，海量超密度异构网络将成为6G一大特点。为了实现更高的能源效率和频谱利用率、提高通信服务质量，小蜂窝网络成为6G发展的一个趋势，另外利用异构网络的多层结构为通信服务质量提供了有力保障。

其三，TI网络将成为6G网络的“大脑”。TI网络通过与深度学习以及人工智能建立的智能连接，以类人思维为人类提供更好的服务。TI网络将利用网络软件化虚拟化，确保网络的灵活性、可重构性以及可编程性，实现物理基础设施对数十亿台设备数据的实时共享，从而使得全球网络融为一体，为用户提供“随时随地随心”的通信服务。

1.3  6G关键技术

针对6G的新诉求，需要探索新兴技术，进一步提高6G网络的可扩展性、灵活性和效率。

（1）物联网

未来以万物互联为目标，6G将是一个超密集、超灵活的网络，可以整合不同的技术，满足各种不同的服务需求，因此物联网成为了6G技术的关键。

（2）人工智能

随着6G网络中接入设备数量的急剧增加，网络愈加复杂，因此需要进行更加智能化的管理。基于机器学习和大数据技术等先进技术可以改进6G中系统的优化和设计[7]。

（3）大规模MIMO技术

从8天线的4G MIMO到256/1024天线的5G MIMO，多天线技术在无线通信中发挥了关键作用，可以显著提高能量效率，减少延迟，提高网络吞吐量。在6G中用户数量更多，数据速率要求更高，因此大规模MIMO技术在6G中也同样重要，预计在天线阵列中将部署超过10 000个天线单元[8]。

（4）激光和可见光通信

基于电磁波信号的无线通信无法为“空-天-陆-海”全覆盖场景提供高速率传输。而激光和可见光通信分别利用激光束和由发光二极管产生的可见光实现数据传输，适用于自由空间和水下等环境。

（5）量子通信

量子的不可克隆性，为量子通信的安全性提供了强有力的保障，这是因为当窃听者在量子通信中进行观察、测量或复制操作时，量子状态会马上改变，不再是之前的量子，由此防止了窃听。同时在量子密钥分发技术中，通过量子密钥对信息进行加密，极大提高了信息的安全性[9]。

（6）THz通信

THz频段的范围为0.1 THz到10 THz，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合。THz通信技术集成了微波通信与光通信的优点，被认为是满足移动异构网络系统实时流量需求的关键无线技术，可以解决当前无线系统的频谱稀缺和容量限制等问题。

2    面向6G的THz通信

2.1  THz通信的优势

为满足通信网络中不断增长的需求[10-11]，mmWave和THz以及光通信（包括红外线、可见光以及深紫外线频段）备受关注，本节将对比mmWave、光通信，对THz通信优势进行阐述，图1为无线电频谱示意及应用：

（1）Tbit/s级的数据传输速率

THz频段，其有效带宽比mmWave频段高三个数量级，能提供Tbit/s级的无线传输链路，而mmWave、红外线以及可见光通信只能提供10 Gbit/s的数据传输速率。

（2）天气条件因素影响低

THz波长短不易衍射，当遇到雾、尘以及湍流等天气时，THz通信表现相对稳定，而红外线通信却会受到很大衰减。此外红外线以及可见光通信会受室内外出现的荧光灯以及日/月光噪声的影响。

（3）安全性

THz的安全性包括两方面，一方面非电离的THz频段对人体健康没有危害，另一方面，由于THz频段波长短，比mmWave具有更高的方向性，因此，THz未经授权的用户必须在较窄的发射波束范围内拦截消息。此外，THz频段频谱资源丰富，充足的带宽资源为扩频、跳频等技术的实现提供保障，而这些技术将为THz通信的抗干扰性提供强大支撑。

（4）可以实现多点通信

光通信相比于THz通信具有更高方向性，然而这对收發端的方向性要求极高，因此对于红外线和可见光只能实现点对点通信。mmWave和THz由于存在非视线路径，可以实现多点到单点通信。

综上，表2对比了以上各频段通信系统的性能：

2.2  THz通信的应用场景

THz通信技术凭借其极高的数据传输速率、安全性等一系列优势，将为人类提供从纳米通信到卫星通信的覆盖全球的应用服务。接下来，介绍THz通信技术的应用场景，具体示意如图2所示。

（1）THz纳米级应用

纳米级场景两个典型应用是纳米网络、片上及片间通信。纳米网络将许多纳米机器人连接到一个网络，应用于环境传感和人体医学等领域。此外，在每个芯片中加入越来越多的计算核心来实现计算能力的纵向扩展是目前提高算力主要方法。为了实现核心间公共数据共享并同步其活动，THz将为芯片间的这种通信提供快速、可靠的服务[13]。

（2）THz无线接入服务

THz通信可进一步提高多媒体应用服务质量，如视频格式Super Hi-Vision的分辨率为7680×4320，需要超过24 Gbit/s的数据速率[12]。此外，THz通信可以支持如拓展现实、全息通信这类数据量极大且对时延要求极高的新兴业务[12]。考虑到如公共建筑入口、商场大厅、赛事场馆等人流量数据量极大的场所，THz通信同样可以满足其需求。当用户具有高速移动性时，THz还可以支持高速移动通信，如自动驾驶。

（3）THz超大容量回程

6G时代，在蜂窝基站之间（回程）或蜂窝基站与远程电台之间（前端）进行数Gbit/s的通信，将会带来巨大的回程容量。THz技术凭借极大的数据传输速率（峰值传输数据速率达到1 Tbit/s），将成为解决回程链路100 Gbit/s标准容量的有效方案之一[14]。

（4）THz安全通信

解决窃听以及干扰攻击是保证用户通信隐私及安全的关键。幸运的是，如2.1节阐述，THz的高定向窄波束的存在和极宽的通信带宽使得窃听和干扰极难发生。目前THz安全通信在军事场景中的典型应用是不同的作战单位可以在较短距离内组成一个THz自组织网络，避免了作战信息的泄漏，保证了通信安全。在民用领域，特定的应用包括从带有无线身份验证的自动取款机进行数据下载的kiosk系统，利用THz技术的有限通信范围和窄波束保证了消息的机密性。

（5）THz空间通信

在太空没有THz吸收损耗，因此THz频段下的卫星通信传输速度快、传输距离远，且THz通信终端具备小型化的优点[15]，使得THz空间通信极具前景，如实时太空观景[8]。

3   THz通信技术发展趋势与挑战

6G技术带来海量接入、高可靠、超低时延、智能分析以及安全的性质，将进一步推动新型应用的开发，为用户提供沉浸式、智能的服务。接下来，介绍面向6G的THz通信发展趋势与挑战。

3.1  THz通信器件

尽管各式半导体、金属等材料的器件的提出大幅度提高了THz通信设备性能，但是目前的THz器件仍不能满足超高性能的THz通信技术要求。首先，THz射频器件发射功率有限，限制了THz在室外远距离通信场景中的应用。与此同时，在THz通信中，随着发射功率的提高，器件会更容易“发烫”，因此会对器件的微散热技术提出更高要求。

其次，THz通信需要高天线增益来补偿极大的信号传输损耗，因此高增益的、灵活的THz天线设备至关重要。目前，反射面天线技术是实现高增益THz天线的主要手段，然而这种技术难以实现灵活的波束成形，限制了THz频段下多用户复杂通信的实现。因此考虑使用相控阵列天线增大THz天线灵活性。然而，目前THz相控阵列天线的技术突破有限，仍需要在材料、器件等方面实现技术攻关。

再有，未来6G网络移动端用户将以海量的形式存在，这就要求通信端THz核心芯片具备集成度高、体积小等特点。然而当传输距离达到几十米甚至是公里级别时，THz通信能耗就会极大提高，大大缩短了移动端电池的使用寿命。此外，相对其他技术（例如信号处理技术、计算机处理速度），在有限尺寸大小的移动端，提升电池容量的技术发展相对缓慢，因此一定程度上限制了THz通信的移动应用。

3.2  无线覆盖增强技术

由于路径损耗高，单一的THz系统通信范围有限，需要结合其他技术，实现更广的覆盖范围。

（1）地面移动通信

在地面通信中，由于分子吸收和自由空间损耗，极大限制了通信距离。因此，可以结合可重构智能表面或（和）无人机来提高通信距离。

可重构智能表面通过可调的移相器对入射信号进行反射，可以提高接收机的信号质量，不需要专门花费能量在射频处理、编码、解码或重传上[16]。可重构智能表面克服了半波长限制，具有成本低、功耗低等优点。此外，无人机由于体积小、重量轻，因此具有极高的灵活性以及对通信网络的极强适应性[17]。当地面用户与基站/其他用户的通信链路遭到建筑物、植物等障碍物的阻断时，通过收集通信周围环境以及通信双方位置信息，无人机可以在空中进行有效放置，以此为通信双方提供另外一条辅助通信链路。同时当通信双方距离比较远，无法进行正常通信时，无人机可以充当中继的作用，以此实现双方的正常通信，因此在通信中运用无人机可以提高通信范围。

需要注意的是，与无人机运行在当前无线通信系统中相比，当无人机运用到THz通信系统中，会消耗无人机更多的能量，由此续航不足问题会更加尖锐，不能长时间提供稳定的通信链路。另一方面，结合可重构智能表面/无人机扩大通信范围时，需要考虑放置、资源调度和分配等问题，当数据链路数量庞大时，相关问题会更复杂，需要运用高效的资源管理技术，提升系统性能。

（2）卫星辅助通信

卫星辅助的无线通信可以提供更大的覆盖范围，这是因为在太空中无THz吸收损耗问题，因此在THz频段的卫星通信传输速度快、传输距离远。特别是运用低地球轨道卫星进行通信时，由于卫星轨道高度相对较低，因此可以实现较低的传输时延。此外，当终端具有极高移动性时，地面移动通信系统不足以对终端的位置变化等信息做出快速响应，而卫星通信则可以很好应对这种高速移动覆盖问题。

但是，卫星辅助通信存在以下挑战：其一是当无线通信系统中卫星的数量较大时，对卫星的控制、操作和管理问题会变得比较困难，并且卫星通信系统与地面通信系统的集成也面临巨大的挑战。其二，由于THz波束具有高方向性，且从卫星到接收端需要经历的距离仍然很远，因此在应用时，会涉及波束对准的问题，即当传输链路较远时，即使波束出发的方向与接收端方向之间的偏差较小，但也极大可能会导致波束到达位置与接收端位置产生极大的偏差，由此带来信息传输的失败。

3.3  超大规模MIMO技术

在THz通信系统中，由于天线尺寸变小以及THz波束经历更高的路径损耗，天线数量会远远高于mmWave通信系统，从而出现了超大规模MIMO，这是大规模MIMO（massive MIMO）的进一步升级，例如1 THz时，在1平方毫米内可嵌入1 024个天线阵列单元[18]。

然而，超大规模MIMO技术也带来新问题。第一，超大型天线阵列意味着更多的阵列单元，随着而来的是对阵列单元的分组和控制变得更具挑战;第二，随着天线阵列规模的提升，能耗也随之增加，因此需要考虑超大型天线阵列带来的性能提升与能耗之间的权衡;第三，由于并行信道增多，相比mmWave通信，THz通信中超大规模MIMO下的信道估计会更复杂。

3.4  THz定向組网技术

传统的全向组网技术是节点利用全向天线进行全方向的邻居发现，然而全向天线易受干扰，且全方向邻居发现花费时间长，耗能高[19]。因此在THz通信中，考虑部署定向天线完成组网，以此提高网络吞吐量和降低能耗，实现更广的通信距离。

与全向组网技术不同，在定向组网技术中，节点要想与邻居实现通信过程，节点的天线就必须指向邻居的具体位置。一般来说，节点事先并不清楚邻居的位置信息，因此在定向组网中，如何实现高效的邻居位置发现算法至关重要。此外，配置了定向天线的节点的初始方向和波束宽度等天线特性也将在一定程度上影响到邻居位置发现算法效率。

同时，在THz通信中部署定向天线，对媒体访问控制协议的设计也提出了新的挑战。一方面，虽然定向天线的使用让节点可以选择性地接收信号，然而节点会忽略其他尝试与它通信的节点，当这些节点没有收到响应时，会继续重传，因此如何设计协议减少无效传输是媒体访问控制协议关注重点。另一方面，考虑到THz易阻断的性质，如何通过协议保证节点间通信的质量也是媒体访问控制协议的设计关键。

3.5  绿色THz通信技术

6G时代，海量物联网设备的普及以及移动通信网络的部署，使得碳排放不可忽视[20]，如何降低能耗成为6G关注重点。目前THz通信发射端能耗为毫瓦级，然而由于基带信号处理能耗大，达到瓦特级，THz通信总能耗较高。因此，降低THz能效成为6G实现“绿色通信”的主要目标。能效研究可以集中在两个方面。一方面，大规模MIMO技术作为THz技术的实现支撑，混合波束成形为提高通信能效得到初步验证，THz通信提供几Gbits/J的能效，是mmWave通信能效的100倍[21]。因此，进一步研究大规模MIMO技术实现THz低能耗通信势在必行，如何利用更密集天线阵列实现低能耗系统成为绿色THz通信的挑战之一。另一方面，与新兴技术的结合也是绿色THz通信研究的热点，如纳米网络在医学领域的应用，智能反射材料与THz通信技术的结合。然而，由于新兴领域缺乏诸如材料、发射功率等通信标准，跨领域合作也将成为实现绿色THz通信的另一个挑战。

[15]   雷红文，王虎，杨旭，等. 太赫兹技术空间应用进展分析与展望[J]. 空间电子技术， 2017，14（2）： 1-7.

[16]  E B. Reconfigurable Intelligent Surface-Based Index Modulation： A New Beyond MIMO Paradigm for 6G[J]. IEEE Transactions on Communications， 2020，99（99）： 1.

[17]  Y Z， R Z， T J L， et al. Wireless communications with unmanned aerial vehicles： opportunities and challenges[J]. IEEE Communications Magazine， 2016，54（5）： 36-42.

[1 8]   I F A， J M J. Realizing Ultra-Massive MIMO （1024×1024） communication in the （0.06-10） Terahertz band[J]. Nano Commun Networks， 2016（8）： 46-54.

[19]   C Z， M X Y， Z B， et al. A survey on terahertz communications [J]. China Communications， 2019，16（2）： 1-35.

[20]  T S R， Y X， O K， et al. Wireless Communications and Applications Above 100 GHz： Opportunities and Challenges for 6G and Beyond[J]. IEEE Access， 2019（7）： 78729-78757.

[21]   S W， B M， C M Z， et al. A Vision of 6G Wireless Syst-ems：Applications， Trends， Technologies， and Open Research Problems[J]. IEEE Network， 2020，99（99）： 1.

作者簡介

谢莎（orcid.org/0000-0002-1401-437X）：电子科技大学在读博士研究生，主要研究方向为太赫兹通信技术及高效的通信计算一体化技术。

李浩然：电子科技大学在读硕士研究生，主要研究方向为移动边缘计算及未来通信系统中高低频共存问题。

李玲香：现任中南大学副教授、硕士生导师，主要研究方向为6G移动通信、移动边缘计算、无线安全通信技术等。

陈智（orcid.org0000-0003-2943-9861）：博士，现任电子科技大学教授、博士生导师，主要研究方向为太赫兹通信、无线与移动通信、通信抗干扰技术。

李少谦：现任电子科技大学教授、博士生导师，主要研究方向为抗干扰通信和宽带无线与移动通信技术。