面向6G 太赫兹传播模型研究

张军民

(中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310040)

0 引言

香农(Shannon)提出并严格证明了在被高斯白噪声干扰的信道中，最大信息传送速率C 的计算公式：

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

其中，W 是信道带宽(单位为Hz)，S 是信道内所传信号的平均功率(单位为W)，N 是信道内部的高斯噪声功率(单位为W)。近10 年间，无线传输速率需求正以每18个月一翻的速度高速增长[1]。由香农公式可见，为追求更高的传输速率，需要有更大的传输带宽、更强信号功率和更小的信道噪声。而在这些因素中，更大的传输带宽是一个提升效率最高的方法。因此，太赫兹波(0.1～10 THz)在目前看来是6G 超高速率的频段选择[2]。

1 6G 业务介绍

6G 将进一步增强和拓展5G 定义的eMBB、uRLLC、mMTC 等特性，全面实现万物智联[3]，智慧连接、深度连接、泛在连接、全息连接是6G 的重要业务特点，6G 将融合更加先进的传感、成像、显示和AI 等技术，提供超连接体验。预测2030 之后将走向虚拟与现实相结合的“数字孪生”世界，整个世界将基于物理世界生成一个数字化的孪生虚拟世界，物理世界的人和人、人和物、物和物之间可通过数字化世界来传递智能信息。从智享生活、智赋生产、智焕社会三方面，6G 的主要应用场景、指标需求和潜在使能技术如图1 所示。

图1 6G 主要应用场景、指标需求和潜在使能技术

如表1 所示，与5G 网络关键指标相比，6G 网络在速率、时延、流量密度、连接密度等方面都提出了更高的期望与要求。为了满足6G 的峰值速率Tb/s 级、用户体验Gb/s 级的业务要求，太赫兹和可见光等新频谱通信技术是未来的重点之一[4]。

表1 6G 与5G 关键指标对比

2 太赫兹介绍

太赫兹(Terahertz，1 THz＝1 024 GHz)泛指频率在0.1～10 THz 波段(对应波长为30～3 000 μm)范围内的电磁波，介于红外和微波之间。太赫兹波在电磁波频谱中所处的位置见如图2 所示。

图2 频段示意图

太赫兹波的位置处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段，频率为1 THz 的太赫兹波仅具有4.1 meV 的光子能量，约为X 射线光子能量的百分之一量级。由于缺乏有效的太赫兹波产生和检测的方法，因此对太赫兹波的研究较为有限，使其成为电磁波谱研究上的“太赫兹空隙”(TerahertzGap)。太赫兹的传播特性、传播模型研究等研究也基本处于空白阶段。

3 太赫兹传播模型研究

传播模型是移动通信网络规划仿真的基础，无线传播模型建模的主要方法分为定性分析法、统计学分析法和混合分析法。在严格保证其他环境条件的前提下，定性分析法运用光学传播原理能够准确描述波的传播现象。统计学分析法则运用随机分布与随机过程对信道参数进行数理建模推测，同时这种方法也存在着较为不错的可复制性。混合分析法则是上述两种方法在平衡准确度与效率后的综合。针对太赫兹传播模型建模方法，视距传播与反射可运用定性分析法；而散射与衍射，统计学分析法则更为合适[5]。

从150 MHz～100 GHz 已有成熟的传播模型。如150～1 500 MHz 主要由Okumura-Hata 模型，4G 网络主力频段1 500 MHz～2 GHz 则可运用COST 231-Hata 模型。5G 时代下，C-Band和毫米波作为新的通信频段被引入，对于C-Band和毫米波，3GPP 定义了UMa和3D-UMa 传播模型分别适配2 GHz～6 GHz 频段和6 GHz～100 GHz 频段。

太赫兹的视距传播与反射可运用射线追踪法(Ray-Tracing)进行建模。即通过实验设备与计算机科学，根据基本光学原理，模拟固定无线信号源在到接收器过程中的所有传播、反射、衍射和散射进行跟踪与记录。但这种方法对器材，设备的需求量极高，且因为对背景条件有严格约束，较难被广泛运用。而对于散射与衍射的统计学法分析，学术界针对0.3 THz 的太赫兹波进行过室内传播模型建模[6]。但与定性研究法相比，其准确度相对较低。而作为综合研究法的SSRTH 法（随机散射放置与射线追踪综合法，Stochastic Scatterer placement and RT Hybrid approach）则平衡了以上两者的优缺点[7]。

针对0.1～10 THz 的太赫兹频段，理论分析太赫兹的主要传播特性如下：

(1)赫兹波的自由空间传播损耗比无线电波高约30～50 dB，在空中传播时极易被空气中的水分吸收，比较适合于高速短距离无线通信，需要针对室内和室外的场景建立适合THz 的多径信道模型。

(2)太赫兹波长短，适合采用更多天线阵子的Massive MIMO，同时太赫兹路径损耗的急剧增加，需要超大规模的天线阵列来补偿路径损耗，因为超大天线阵列已被证明能有效提升太赫兹频段波在传播距离方面的性能。

(3)太赫兹能量效率高，穿透能力强。

相比于中低频段主要的研究难点在于对于视线传播(LoS)、反射、散射和衍射等均需分别单独建模。同时单天线收发与超多天线收发(UM-MIMO)间存在明显不同[8]。

表2 对275～450 GHz 进行了链路预算估计，天线发射(Tx)和接收(Rx)增益为30 dB，发射功率为0 dBm，链路距离为10 m，噪声系数为15 dB。由于路径损耗较高(约100 dB)，因此需要一个高度定向的锐方向性射束作为补偿。

表2 275～450 GHz 下的链路预算估计

毫米波无线通信系统路径损耗较高，而太赫兹无线通信的路径损耗则更高。例如，28 GHz 下在10 m 距离上的路径损耗为81 dB，但在280 GHz 下增加到101 dB。

表3 总结了关于最先进太赫兹无线通信系统及其在275～450 GHz 下性能的不完全调研。电子方法和光电方法都证明数据速率高达100 Gb/s，但通信距离大多不到2 m。于此同时，通过InP-HEMT 技术在9.8 m 的距离下实现了高达120 Gb/s 的数据速率。同时还介绍了一个光电系统，该系统由一个光子单行载流子二极管发射机和一个基于InGaAs HEMT 技术的有源电子接收机组成。据说该系统能够在15 m 的距离内实现高达100 Gb/s 的数据速率。

表3 太赫兹链路性能

4 结论

传播模型是规划仿真的基础。作为6G 时代新型频率资源的太赫兹频段，其特性理论研究和传播模型均处于起步阶段，学界内较普遍地将综合研究法作为太赫兹频段传播模型建模的探索方向。由于太赫兹频段路径损耗高，因此覆盖增强的MASSIVE MIMO 乃至UL-MASSIVE MIMO 技术将成为太赫兹频段在6G 时代正式商用部署的关键。在实验室研究方面，受限于太赫兹芯片和射频器件，太赫兹传播特性测试和研究难度目前仍然较高，近期基于InP、GaAs、SiGe、乃至CMOS 技术的运用已使得整体研究在较低的THz 频段产生了一些突破。而太赫兹传播模型的确立也将为6G 网络仿真、覆盖规划奠定基础。