面向6G的太赫茲波傳輸特性綜述

林明睿

（福州大學梅努斯國際工程學院 福建 莆田 350000）

0 引言

從20世紀80年代第一代移動通信技術（1G）發展到現在第五代移動通信技術（5G），每十年就會研發出新一代的無線通信網絡，隨著移動通信技術不斷更新換代，數據傳輸速率、通信質量、網絡延遲和網絡覆蓋率等無線網絡性能也隨著不斷提升[1]。2020年6月，5G網絡正式在全球范圍內（5G）投入商用，5G網絡可以提供很高的傳輸速率（20 Gbps的峰值速率和100 MHz的用戶體驗速率）和極低的數據延時（小于1 ms），滿足超高清視頻傳輸、遠程醫療、無人駕駛、VR、XR等應用需求，推動物聯網的發展[2]。

1 5G6G技術指標對比

隨著技術的發展，不斷涌現的全新業務及應用對無線網絡性能提出了更高的要求，用戶對移動數據網絡的需求也在不斷提高，根據國際電信聯盟（ITU）的預測，到2025年全球每月移動數據流量將在達到607 EB（1 EB=106 TB），到2030年預計達到 5 016 EB[3]。

5G技術無法滿足高數據傳輸速率、極低延遲等需求的局限性以及頻譜資源未來仍將無法滿足移動通信日益增長的傳輸速率需求，必須提前開展新一代移動通信技術（6G）的研發，需要在6G關鍵技術上取得突破。

相比現有的5G網絡，6G無線通信技術將在速度、延遲、容量、精確度和可靠性等多方面尋求進一步提升。在延遲方面，雖然5G技術將延時縮小到1 ms之內，但是對于自動化、無人駕駛、遠程醫療等對數據延時要求較高的領域，還有待進一步縮短延時力求達到人體無法感知的程度；在容量方面，5G可供連接的移動設備數量達到100臺設備每平方米（10 Mbit/s/m2），6G網絡的容量將比5G高10～1 000倍；在速度方面，雖然5G技術使用的毫米波（30～300 GHz）可以提高很高的載波頻率，但仍然難以支撐Tbps級的傳輸速率，要想實現6G網絡的Tpbs傳輸，需要在太赫茲頻段（0.1～10 THz）尋求突破，受限于對太赫茲傳輸中分子吸收衰減、傳播損耗、多徑損耗、粗糙材料表面透射衰減等現象的研究還不夠深入，太赫茲信道建模尚未有通用的模型，研究太赫茲波在6G通信中的傳輸特性，有助于信道模型的建立，推動6G網絡的發展。如表1所示。

表1 5G/6G關鍵技術指標對比

2 太赫茲頻段傳輸特性

2.1 太赫茲頻段特性

太赫茲（THz）波是指位于在0.1～10 THz頻段內的電磁波，在低頻段與毫米波重疊，在高頻段與紅外光重疊，是經典理論向量子理論的過渡區，因此太赫茲波既具備某些電學特性又有一些光學特性。相比于毫米波，太赫茲具有更大的帶寬，可以提供更高的數據傳輸速率；太赫茲波束更窄，具有更好的方向性，具備更好的安全性和可靠性；太赫茲允許非視距傳輸（NLoS）的特點使其在惡劣環境下具有較好的通信能力。太赫茲波特殊的性質使其在醫學影像學、太赫茲通信技術、太赫茲雷達、安全檢查等方面有著廣闊的應用前景和發展潛力。然而由于缺乏高效的太赫茲源和靈敏的太赫茲探測器等設備，太赫茲未被充分利用，被稱為“太赫茲空隙（THz gap）”。太赫茲頻段豐富的頻率資源加上太赫茲通信能實現更高傳輸速率的特點，符合未來6G的發展需求，是未來6G網絡的關鍵技術之一。如圖1所示。

圖1 電磁頻譜及對應頻段典型應用

2.2 太赫茲波段大氣傳輸衰減

2.2.1 太赫茲大氣吸收衰減

太赫茲波主要用于點對點地面近距離傳輸，大氣衰減主要歸結于分子吸收衰減，太赫茲的波長和一些分子的尺寸相近，許多物質相互作用能級落在太赫茲頻段，大氣中的分子在這個頻段產生共振，固體的晶格振動、能級躍遷、組成分子的特征譜線的擴展、大氣分子間碰撞作用等物理過程都會導致較為明顯的連續吸收和線吸收作用。田浩宇等[4]從大氣、降雨、沙塵等方面研究了太赫茲波的分子吸收特性，結果表明水蒸氣在太赫茲傳輸損耗中起到了主要的作用，同時大氣中的水蒸氣分子在不同頻率的太赫茲系統中的折射率不同導致了色散效應，將會引入有色噪聲；降雨產生的冷凝水增大了傳輸損耗，但在頻率高于90 GHz時，衰落作用趨于恒定；沙塵對太赫茲通信的影響很小，影響可以忽略。

王玉文等[5]在已有的大氣傳輸模型Grischkowsky團隊的太赫茲時域光譜（THz-TDS）模型及其經驗參數連續吸收，完善了太赫茲大氣傳輸衰減模型，通過與Liebe-MPM模型對比，給出了340、410和667 GHz三個窗口區；研究發現在吸收峰處（0.556、0.751、0.987 THz）連續吸收的影響小，水線吸收較強，在大氣窗口區（0.21、0.35、0.41、0.68、0.85、0.93 THz）附近有相對較弱的水線吸收，透過率較高。

胡皓然等[6]借用經典的Liebe-MPM模型研究了大氣中太赫茲波的譜線吸收衰減和連續體吸收衰減，同時考慮了太赫茲波在大氣中的自由空間傳輸損耗；研究發現氧氣和水蒸氣是造成太赫茲傳輸衰減的主要原因，吸收峰處連續吸收效果小，在大氣窗口內連續吸收效果較大，在200～300 GHz之間有個具有一定帶寬的寬口可以降低衰減，以上結論與王玉文等的研究結論相近。

2.2.2 太赫茲大氣散射衰減

室外太赫茲通信不僅要考慮大氣分子對太赫茲的吸收衰減，還要考慮云霧、雨雪等粒子對太赫茲波的散射衰減作用。卷云在大氣中承擔著重要的作用，而太赫茲波波長與卷云冰晶粒子有著相同的尺度，對太赫茲大氣散射衰減有較大影響，陳夢婷圍繞卷云冰晶粒子和水滴散射特性展開研究；首先在94、220、340 GHz將用于計算勻質球形粒子散射特性Mie 散射理論和DDA 法（離散偶極子近似法）對比證明DDA的正確性，然后采用DDA法研究不同頻率（94 GHz、220 GHz、340 GHz）、不同復折射率、不同等效半徑對球形冰晶粒子散射特性的影響，計算了340 GHz不同頻段、不同形狀、不同復折射率、不同縱橫比以及不同空間取向對非球形冰晶粒子的散射特性的影響，最后提出一種新型用于非球形冰晶粒子的M-SDSU（modified satellite data simulator unit）模型。

陳夢婷研究發現[7]，不同頻段下的球形冰晶粒子散射特性明顯，粒子的散射特性對頻率敏感，頻率越大，散射特性越明顯；340 GHz頻段下，散射呈現多峰波動特征，而在94 GHz只有一個峰值且散射峰值對應的等效半徑與頻率呈負相關，94 GHz和340 GHz水滴散射均呈現先增加后穩定的趨勢且峰值對應等效半徑與頻率的關系與冰晶粒子相似；研究340 GHz頻段下球形冰晶粒子散射特性隨復折射率和等效半徑的變化發現，復折射率對球形冰晶粒子散射效應影響不大，由此得到散射特性與溫度影響不大的推論。

陳夢婷[7]進而研究發現太赫茲頻段對非球形冰晶粒子散射特性更加敏感，形狀、縱橫比、空間取向等參數對非球形冰晶粒子散射特性有著不同程度的影響，復折射率與溫度對散射特性影響不大。霧具有和云相似的微觀物理結構，特別是在城市中，霧的影響不能忽略，根據ITU-R建議書，采用Rayleigh近似算法給出了計算云霧衰減的方法，并借助已有的降雨衰減大致估計雨雪粒子對太赫茲傳輸的衰減影響。

2.3 太赫茲波段室內傳輸特征

2.3.1 建筑材料表面散射特性

太赫茲通信系統同時依賴視距傳輸（LoS）和非視距傳輸（NLoS)，材料表面粗糙度會對反射率造成影響，當材料表面粗糙度在微波頻段可以忽略時，在太赫茲頻段時表面粗糙程度不同，需要考慮在內，同時入射角與入射頻率等參數也會對反射率造成不同程度的影響，研究建筑材料表面散射特性對于太赫茲室內通信系統建模有很大意義[8]。菲涅爾方程的基礎上，利用瑞利粗糙因子對傳統反射系數加權，并用基爾霍夫標量近似分析不同材料在不同入射頻率、材料表面粗糙度、不同入射角下的散射特性；實驗表明，材料的粗糙表面會明顯降低鏡面反射反射系數，漫散射隨著入射頻率、粗糙度的增大而增大，TE波（橫電波）的反射系數隨入射角增大而增大，TM波（橫磁波）在60°會出現布魯斯特角，TE極化波比TM極化波更適合太赫茲室內通信。

利用基爾霍夫近似和太赫茲時域光譜（THz-TDS）系統研究不同粗糙程度葡萄糖片的反射光譜，發現粗糙表面引起的漫散射減弱了反射光譜的強度并提出了一種補償方法；利用基爾霍夫散射理論推導修正的菲涅耳方程來模擬光滑材料的反射率，并用修正的菲涅耳方程解釋散射損失，引入瑞利粗糙度因子計算出一組反射系數，從而驗證模型的可靠性，通過光線追蹤模擬研究了墻壁和天花板的粗糙度對未來室內場景太赫茲波傳播的影響，發現在某些情況下，較長的傳播路徑反射傳輸可能比較短的傳輸產生的損失更有效。給出了1個調制太赫茲光束在5個金屬粗糙表面上的漫散射測量方法，研究了表面粗糙度對頻率為100 GHz及以上的非視距（NLOS）無線數據鏈路的影響，研究了包括均方根高度和相關長度在內的散射模式對表面粗糙度參數的依賴關系首次證明了在非鏡面方向包含NLOS反射的數據鏈路可以在高于100 GHz的頻率上建立且誤碼率低[9]。

2.3.2 建筑材料透射特性

由于太赫茲通信系統同時依賴 (LoS）和非視距傳輸（NLoS），在考慮視距傳輸的自由路徑損失和分子吸收的同時，建筑材料的透射吸收衰減作用也不可忽視，選取1個擁有8間房間和1個走廊的室內空間，仿真了室內熱點場景下的太赫茲透射路徑功率的分布情況，實驗分別選取60 GHz，340 GHz兩種頻段，灰砂磚和玻璃2種材料的墻壁，先后將基站放置在大廳、房間、大廳和房間一共模擬了3種場景；實驗結論表明，將基站單獨放在大廳或房間，60 GHz和350 GHz頻段的信號都無法透過灰砂磚或玻璃材質的墻壁，無法維持大廳/房間與基站之間的通信，不能滿足太赫茲的高數率無線通信，然而在理想的情況下在房間和大廳同時放置基站可以實現太赫茲的高速率無線通信，在未來的6G網絡架構中應該將高性能低成本的設備密集部署以擴大通信覆蓋范圍。

2.3.3 室內路徑信道傳輸特性

隨著通信技術的不斷發展、物聯網、云計算、人工智能等新應用不斷涌現和完善以及人們對于高速無線寬帶的需求不斷增強[10]，流量需求特別是室內數據流量將迎來爆發式增長，太赫茲室內超高速通信具有較高的研究價值，然而由于太赫茲波很強的方向性以及明顯的衰減作用，太赫茲波在信號傳播過程中容易被遮擋物阻擋。在實際的場景中，遮擋物并非靜止，遮擋物的位置變化將會影響遮擋損耗進而影響信道的傳播特性，研究了室內NLoS情況下的大尺度衰落，基于近距離參考模型（CI），引入遮擋損耗進行修正，提出了一種具有遮擋損耗的路徑損耗模型，并研究了遮擋物相對位置變化、傳輸頻率變化對路徑損耗的影響；實驗結果表明，在NLoS情況下，遮擋物靜止時，遮擋損耗和接收端到遮擋物的距離呈指數關系，頻率增大，深度衰減的遮擋損耗距離增大，遮擋物移動時，遮擋損耗和接收端到遮擋物的距離呈二次函數關系，頻率增大，最小遮擋損耗位置不斷趨近發送端和接收端的中點位置。

一種基于相變材料二氧化釩（VO2）與編碼超表面技術的可以在反射模式和透射模式間切換的雙向太赫茲多波束調控器，使太赫茲波的傳播不受透射或反射效應的影響，對太赫茲無線通信技術的室內場景應用發展起著巨大的推動作用。一種智能反射面（IRS），通過調整IRS的離散相移重新配置電磁波傳播來提高室內場景太赫茲通信的覆蓋率，研究發現，在沒有IRS的情況下幾乎無法接收太赫茲信號，用IRS增強時，在房間可以實現更好的覆蓋率。

3 總結與展望

太赫茲通信技術是6G網絡的關鍵技術之一[11]，本文首先介紹了太赫茲通信技術對6G網絡開發的重要意義，其次從室外大氣傳輸和室內通信應用兩個方面介紹了太赫茲波的傳輸特性，著重介紹目前國內外對于太赫茲波傳輸過程中衰減現象的研究進展，研究太赫茲波在6G通信中的傳輸特性，有助于信道模型的建立，推動6G網絡的發展。