太赫兹通信技术白皮书.docx

目录1概述11.1太赫兹通信技术开展需求11. 2白皮书状态22太赫兹通信技术特点32. 1太赫兹频谱特性32.2 超大带宽超高速率通信能力42.3 高传播损耗42.4 超大规模天线技术52.5 太赫兹通感技术融合63太赫兹通信应用场景63. 1地面无线通信73. 2空间通信103.3微小尺度通信114太赫兹通信关键技术及挑战131 .1太赫兹通信关键器件及模块132 .2太赫兹传播特性及信道建模164 . 3太赫兹通信空口技术205太赫兹通信产业进展及开展建议255 . 1标准化进展255.2国际各区域产业进展275. 3国内产业进展315.4产业开展建议356中国联通太赫兹通信愿景与推进计划376. 1愿景目标376.2推进计划及工作进展377总结与展望40参考文献41无线移动通信令 热点地区超宽带覆盖随着无线通信技术的开展，未来6G时代的通信业务应用，例如全息通信， 高质量视频在线会议，增强现实/虚拟现实，3D游戏等，对数据速率、时延和连 接数等网络KPI的需求与5G相比可能呈现数量级增长。6G未来应用愿景的特点 包括无处不在的泛在链接，意味着家庭、办公室、餐厅、商场、机场、体育场、 旅游景点等多种人类生活、工作、娱乐和社交场所都会有超高的移动通信能力需 求。太赫兹通信数据率高的特点，使其将来可用于为热点地区提供超高速网络覆 盖，作为宏蜂窝网络的补充，提供小区超宽带无线通信。由于太赫兹波路损较高, 仍需要使用大规模天线阵列用以支持移动通信能力，并且需要适配的太赫兹通信 空口技术用以实现超宽带高速率移动通信功能。图3.5热点地区超宽带覆盖未来实现网络部署需要以太赫兹通信系统中，包括关键器件/芯片/组件，室 外信道建模、大规模天线阵列等各项关键技术的标准化成型和产业化成熟为前 提。从目前国内外太赫兹通信技术能力来看，该类场景应用面临的关键技术挑战 和问题瓶颈较多，距离应用落地还有一定距离。令无线局域网/无线个域网随着无线通信技术的开展，无线局域网(Wireless Local Area Networks, WLAN)与移动通信网络一样，也会面临现有系统能力无法满足未来6G通信业务 需求的问题。考虑到太赫兹设备对于高速、宽带的支持能力，未来具备小型化、 低功耗和低本钱特点的太赫兹设备可考虑用以实现太赫兹WLAN叫 满足未来6G通信业务的需求。太赫兹频段通信可以实现近距离设备之间的高速链路，同样可以应用在太赫 兹无线个人局域网(Wireless Personal Area Network,WPAN)场景中用于 个人电子设备，如个人电脑、手持终端或可穿戴终端等设备之间的无线链接，实 现超高速数据互传。3.2 空间通信太赫兹频段电磁波在外层空间可以进行无损传输，用较小发射功率就实现远 距离通信，还可以防止地球辐射噪声的影响。当高速飞行器飞进大气层后，由 于激波产生高温使空气电离，并形成一个等离子体鞘包裹在飞行器外部。通常等 离子体鞘频率在6070 GHz左右，传统的测量和通信方法难以穿透等离子体鞘 层。太赫兹波频率远高于等离子体鞘层频率，可以穿透等离子体鞘层对飞行器进 行通信和测量回。因此太赫兹可广泛应用于空间通信场景，比方星间高速通信， 星地间高速通信，空间飞行器通信等。太赫兹波长较短，如果未来太赫兹天线系统可以实现小型化、平面化，太赫 兹通信系统可通过搭载卫星、无人机、飞艇等天基平台和空基平台，做为无线通 信和中继设备，应用于卫星集群间、天地间和千公里以上的星间高速通信，实现 未来的空天地海一体化通信。图3.7空天地一体化通信应用场景3.3 微小尺度通信太赫兹波长极短，随着太赫兹通信技术的持续突破和开展，未来有望实现毫 微尺寸甚至是微纳尺寸的收发设备和组件，在极短距离范围内实现超高速数据链 应用。随着石墨烯等新型材料技术的兴起与开展，太赫兹通信除了传统的宏观尺 度应用，还有望作为无线纳米网络通信频段，用于芯片的高速数据传输的片上/ 片间无线通信等值，支持健康监测系统的可穿戴或植入式太赫兹设备，用于纳 米体域网、纳米传感器网络四等多种微小尺度通信应用场景，实现从宏观通信到 微观通信的6G网络覆盖。图3.8用于健康监测的纳米体域网fornhortz IrHiiseivors图3.9片上通信1微小尺度通信带有明显的6G愿景特征，从目前太赫兹通信的技术能力来看， 未来需要通过将太赫兹技术与微纳技术的结合，以及新型材料和工艺技术的进展 突破，实现毫微尺寸、高效率、低本钱的太赫兹通信收发器件与设备。综上，未来太赫兹通信设备有望应用于无线回传/光纤替代、无线局域网/ 个域网、无线数据中心和平安接入多种地面超高速通信场景，也可以通过搭载卫 星、无人机、飞艇等天基平台和空基平台实现空天地海多维度一体化通信，与微 纳技术结合应用于从宏观到微观的多尺度通信，成为未来B5G/6G通信网络的重 要组成局部。4太赫兹通信关键技术及挑战太赫兹通信关键器件及模块4.1.1 太赫兹通信链路调制技术太赫兹通信原型系统的链路调制方式目前主要有两种不同架构：一种是光电 结合的方案，利用光学外差法产生频率为两束光频率之差的太赫兹信号，如图 4.1所示。太赫兹通信原型系统光电调制方案的优点是传输速率高，缺点是发射 功率低，系统体积大，能耗高，适用于地面短距离高速通信方面，较难用于远距 离通信。图4.1光电调制方案示意图图4.2全固态电子混频方案示意图另一种太赫兹通信链路是与微波无线链路类似的全固态电子链路，利用混频 器将基带或中频调制信号上变频搬频到太赫兹频段，如图4.2所示。太赫兹通信 原型系统全固态电子混频调制方案采用全电子学的链路器件，该类型方案的优点 射频前端易集成和小型化，功耗较低，但是发射功率也较低，本振源经过屡次倍 频后相噪恶化，且变频损耗大，载波信号的输出功率在微瓦级，因此该类系统也 需要进一步开展高增益宽频带功率。另外全固态电子系统还有一种实现方案是采 用外部高速调制器直接对空间传输太赫兹信号进行调制，该类型方案的核心关键 技术为高速调制器，需要实现太赫兹波幅度或相位的直接调制。直接调制方案的 应用优势在于易集成，体积小，发射功率较高（毫瓦量级），可用于实现远距离 通信，但是受限于太赫兹高速调制器件能力，目前能实现的通信速率相对较低。4.1.2 太赫兹关键器件太赫兹通信的关键器件/芯片/组件是完成太赫兹通信设备的基础，也是目前 制约太赫兹通信开展的核心与关键所在，国内外都高度重视太赫兹关键器件与芯 片的研究。根据通信功能模块的不同，目前与通信设备相关的太赫兹全电子链路 的关键器件主要包括太赫兹发射源、倍频器件/混频器、功放/低噪放、调制解调 器等，材料工艺一般为CMOS（互补金属氧化物半导体）、SiGe （错硅）、GaAs （种 化钱）、GaN （氮化钱）、InP（磷化锢）等，如表4. 1所示为太赫兹频段不同半导 体工艺的特征频率和实现能力。表4太赫兹频段不同半导体工艺特点工艺CMOSSiGeGaAsGaNInP特征频率<200GHz<200GHz<500GHz<200GHz200-500GHz实现能力COMS的功 率可以到 SiGe的功 率小于GaAs 的功率目前功率已到极 限，因为工艺耐压能力 优先，提升功率必须高 压容易击穿；噪声系数 性能在太赫兹频段无 法提升；混频器的变频 损耗有天然缺陷；功率是GaAs 的五倍，成 熟度够，缺 陷较多功率不高，不 耐压，但是NF 性能好目前太赫兹通信全固态电子链路各类型关键器件已经在多个通信原型系统 的无线传输能力试验中得到应用，器件功能已得到有效验证，但也存在一些性能 方面的缺乏。比方关键器件的功率和效率较低（远小于1%）,由于工作带宽大 导致收发链路相噪指标恶化，且变频损耗较大等。面向实际应用，除了需要不断 优化和提升器件性能外，还需要解决小型化和低本钱的问题，因此关键分立元器 件的研制需要向太赫兹收发前端的集成化、芯片化方向进化。由于不同半导体工 艺特征频率的存在，要融合多种工艺各自的独特优势，实现高集成度、高性能、 多功能的单片电路，需要研究异质集成电路技术“口。综上，太赫兹关键器件技术需要开展和推进的技术方向主要包括更高功率和 效率的突破，从分立元器件研制向低本钱小型化集成化的进化等。太赫兹关键器 件的高性能研发能力和低本钱产业化能力对太赫兹通信技术未来应用落地具有 至关重要的决定性影响，也是目前太赫兹通信最关键的技术开展方向。4.1.3 太赫兹天线太赫兹频段天线可能需要支持小到2GHz,大到10GHz以上的工作带宽，目前 公布的太赫兹原型系统研发成果多采用喇叭天线或抛物面天线，这些天线可提供 其中心频率10%的辐射带宽。而且为保证发射功率，目前全电子太赫兹原型系统 中使用的太赫兹天线体积较大，不适合用于集成阵列天线和移动通信。基于太赫兹通信的未来的应用愿景，太赫兹频段通信需要超宽带天线以及超 大规模天线阵列来克服太赫兹频带中高路径损耗。超宽带、小型化、集成化太赫 兹天线阵列的实现，也是未来面向实际场景应用时，太赫兹通信系统需要突破的 关键技术挑战之一。从目前学术界的研究进展看，纳米材料和石墨烯等超材料有 较高潜力应用于未来的太赫兹天线技术心，用以实现超大规模超宽带太赫兹天 线阵列的小型化和集成化。SPP 册”1pm图4.3基于石墨烯的等离子体太赫兹波段天线14.1.4 超宽带采样和高速基带处理除了上述倍频器、混频器等大赫兹模拟器件外，超大带宽数模转换芯片和高速基带处理硬件也是也是实现太赫兹通信系统的关键芯片和功能模块。目前5G 设备主要采用时间交织方案来实现大宽带采样速率需求，存在硬件本钱较高和功 耗较大的问题。太赫兹频段较高，可用频段的窗口频率多在几十GHz,目前的太 赫兹通信原型收发验证系统的工作带宽多在GHz量级(>2GHz),未来太赫兹通信 系统的工作带宽预计也会远大于5G的高频毫米波段设备(400MHz/800MHz),当 前采样芯片能力难以满足高达几十GHz的带宽需求。而超大带宽也往往意味着基 带处理复杂度和运算资源需求都大大增加，给基带芯片带来更大的功耗和本钱压 力。未来太赫兹通信系统的有效实现，需要以有效解决宽带数模转化和高速基带 处理问题为前提。面临上述问题，技术路线一是研发更高采样速率、低本钱、低 功耗的超大带宽数模转化芯片；技术路线二是研究低量化精度信号处理系统，比 如比特量化与信号算法的联合优化设计，联合自适应量化门限单比特解调优化， 基于概率计算的LDPC译码器电路级ASIC等。未来太赫兹通信系统的实现可能需 要两种技术路线的综合应用。4.2 太赫兹传播特性及信道建模4.2. 1太赫兹传播特性外层空间，太赫兹可以进行无损传输，用很小的功率就可实现远距离通信。 但在大气环境下，高自由空间损耗以及大气效应引起的额外衰减是一个巨大的挑 战。大气和天气对无线电波传播的影响表现为衰减、相移和到达角的变化。这种 现象包括分子吸收(主要是由于水蒸气和氧气)、散射和闪烁。在分子(气体)吸收 方面，水蒸气是大气中最基本的吸收成分，在300GHz以上的某些波段衰减值较 大。令 太赫兹波大气传播特性分析在晴朗的天气中太赫兹波的衰减取决于电磁波和分子共振的频率差，当波的 频率与共振频率重合时，衰减会到达最大值。分子共振引起的衰减可以到达很高 的值，但也有衰减小于等于100 dB/km的频率窗，可根据以下三种衰减评估模型： MPM模型1，AM模型g和ITU-R P. 676-10模型计算不同频段太赫兹波传输时的损耗。其中ITU-R P. 676-10模型可以被引用在1 THz以下的频率模型中。如图4. 4所示为0. 01-lTHz的太赫兹波在晴朗天气下的频率衰减谱。可以看 到，太赫兹波在大气中的传播衰减率随着频率增加呈现指数增加的趋势，在 0. 3THz以下，太赫兹波的大气衰减低于lOdB/km,适合作为无线通信载波，而超 过ITHz的太赫兹频段由于极端的衰减不在无线通信传输的考虑范围内。图4. 4 中A-J各频点处呈现明显的波峰，这是由于太赫兹波在长距离传输时易受水蒸 气、氧气分子的影响，出现分子共振效应，导致损耗急剧增大。因此在设计太赫 兹室外远距离传输系统时，应选择合适的频率窗口进行传输，来获得较高的传输 效率。a m idYann图4.4 0.01-lTHz频段电磁波大气衰减损耗1000Ml 5018 2IM> saa SOO(o.(irrnix> a宝向38 二 VTU"太赫兹波雨天传播特性分析在雨天环境中，空气中的雨滴球形散射会给太赫兹波带来额外的衰减，雨衰 的大小与雨滴的直径有关，因此雨滴大小的分布是监测降雨以及预测雨衰的重要 因素。在ITU-R H.838-3雨衰模型中计算了信号的衰减随着降雨速率、信号 频率、偏振度等因素的变化函数。图4.5展示了不同频率电磁波的水平极化波在多种雨天环境下的损耗减，低 于10GHz的雨衰可以忽略，10GHz-120GHz的雨衰随着频率递增，超过300GHz到 900GHz雨衰会随着频率递减，但仍维持一个较高的损耗水平，雨水吸收衰减将会 使得太赫兹波应用于室外无线通信时面临较大挑战。208642086420图4.5不同频率电磁波在雨天的损耗。太赫兹波雾天传播特性分析在大雾天气中，太赫兹波的衰减随着频率和雾的密度增加而增加。图4.6 展示了在15° C条件下，不同频段电磁波穿透300nl范围的雾时(0. OSg/n?)与 穿透50nl范围的雾时(0. 5g/m3)的链路损耗比照。由图可知，对于400GHz以上 的频率，在50m范围内O.Sg/m，的雾天环境下额外的衰减为10dB/km,因此雾天 环境也会影响太赫兹波的传输效率。101001000Frequency GHz图4.6不同频段电磁波在大雾天气的损耗o T 1 10.- EX/QP - 60- £ wp 匚 Qqenu9=B.2- sds今 不同天气太赫兹波传播特性比照在自由空间中采用自由空间损耗计算公式描述太赫兹波的链路损耗。图1概述1.1太赫兹通信技术开展需求从上世纪80年代，移动通信业经历了模拟语音业务应用的1G时代，新增短 信应用的2G时代，到多媒体业务应用的3G时代，再到移动互联网应用的4G时 代，移动通信呈现出“十年一变革”的开展规律。2019年随着全球5G商用化进 程加快，国际各区域和研究组织已纷纷开启下一代通信技术研究。2019年3月， 芬兰奥卢大学邀请多个国家的通信专家召开了全球首届6G峰会，共同探讨下一 代通信技术驱动因素、研究挑战和未来愿景，并在2019年9月发布了全球首份 6G白皮书。2019年11月3日，我国科技部会同开展改革委、教育部、工信部、 中科院、自然科学基金委在北京组织召开6G技术研发工作启动会，成立国家6G 技术研发推进工作组和总体专家组，标志着我国6G技术研发工作正式启动。V专皿IONMUANALOG MOOUL< ATMJN5PHY SFCURCTVHIGHT UNCtATAINTVTNn图L1未来可能的无线新技术（硬件和物理层）6G研究的整体技术路目前线尚不明确，学术界对于未来6G的底层候选技术、 网络特征和目标愿景都处于热烈的自由探讨中，涌现出很多颠覆性通信架构和技 术概念。如图L 1所示为全球首份6G白皮书报告中对未来众多6G候选技术应用显示了参考距离为1km时，不同频段电磁波在晴朗天气、多雨天气、以及叠 加自由空间损耗的晴天和雨天环境中的链路损耗比照，所考虑的晴天和雨天两个 场景分别代表最正确和最差的环境条件。可以看到，50mm/h的降雨速率会导致最 大的衰减值，通常来说该环境是未来太赫兹通信系统运行的极限情况。.2太赫兹信道建模太赫兹信道模型建模方法一般有参数化统计信道建模、确定性信道建模和参 数化半确定性建模等三种类型：令统计信道建模方法。该类方法基于典型场景的实测结果，无需地图信息，复 杂度低，多用于系统仿真和链路级仿真，标准化成熟度高，是3Gpp标准化 建模方法，适用于5G移动通信。今确定性信道建模方法。该类方法主要通过导入目标场景的地图模型，利用射 线追踪(Ray Tracing)技术，对电磁传播中譬如直射、透射、反射、衍 射等主要物理现象，进行传播环境精确重构和确定性计算，得到了构成实际 传播的主导分量(Dominant Ray)确实定性结果，该类方法准确度高，计算 复杂度高。今参数化半确定性建模方法。该类方法结合了信道确实定性和统计特性，将关 键多径分量用确定性模型计算，其余丰富的多径通过统计学方法计算，该类建模方法准确度较高，计算复杂程度与射线追踪方法比相对较低。由于太赫兹波衰减较大，多径少，且趋于光学特性，信道传播路径稀疏性较 强，未来太赫兹频段可能更适合使用确定性信道建模或参数化半确定性信道建模 方法，比方射线追踪方法，以及结合确定性和统计特性的数字地图混合建模方法 等。无论是哪种类型的建模方法，都需要以大量的的信道实测试验为基础。但目 前尚未有针对全面的应用场景、支持太赫兹全频段的充分实测数据支撑的太赫兹 信道建模工作。对太赫兹波传播特性的分析和信道的准确建模是提高频谱利用效率，实现无 线通信网络优化部署的前提，也是实现太赫兹通信技术有效应用的前提，因此太 赫兹传播特性和信道建模是太赫兹通信亟待深入研究和进行广泛测试验证的基 础技术方向。未来太赫兹通信可能会用于空天地海多维度、宏观到微观多尺度的多样化应 用场景，太赫兹通信信道建模需要分析研究多种应用场景下的信道模型，用于指 导未来实际的应用方案部署。4.3太赫兹通信空口技术超大规模阵列天线与5G高频使用的毫米波段相比，太赫兹信号频段更高，空间传播损耗和穿 透损耗也明显变大。基于通信覆盖的需求，多数大尺度通信应用场景下，太赫兹 通信设备极有可能会继续采取一体化的超大规模天线阵列方案，用以保证发射和 接收的波束增益，实现有效通信。太赫兹通信超大规模天线技术未来涵盖的技术 内容与5G大规模天线技术之间存在较强的演进关系，包括信道建模、多天线传 输方案、参考信号设计，信道状态估计、Massive MIMO混合预编码、模拟波束 管理以及波束协作技术等等。太赫兹电磁波的绕射能力非常差，在遮挡时很难实现可靠的通信，因此需要 考虑分布式接入节点以及新型反射体/反射材料的部署来改善信道状况，太赫兹 天线阵列结构设计是一个重要的研究方向。由于传播损耗较大，基于增益需求，太赫兹通信设备可能从接入阶段可能就 需要使用窄波束才能够建立通信。大量窄波束意味着极大的导频（包括同步信号） 开销、搜索复杂度和波束训练延迟，需要对现有的波束训练机制进行优化，对空 间稀疏特性进行更充分的利用。该方向研究可以结合大规模太赫兹天线阵列高角 度分辨率和高多普勒频移信息的利用，将定位技术和太赫兹窄波束通信互相辅助 结合保证性能的有效性。在带来上述技术优势的同时，超大规模天线阵列的应用 也引入一些待探讨的关键技术问题，比方阵列实现架构设计、波束赋形对病态信 道信息的鲁棒性等。与5G大规模天线技术类似，太赫兹通信使用的天线数量和规模较大，可赋 形的波束宽度会比毫米波设备更窄，空间自由度更高带来的问题是波束赋形性能 对系统误差的敏感性更高，在保证高增益窄波束的工作状态下，天线通道间的幅 相误差、互耦误差、位置误差，用户设备的高速移动都易导致波束跟踪失败或失 效。另外超大规模天线阵列系统中，容易出现个别天线通道和阵子产生故障或失 效，产生系统误差，对波束赋形功能产生影响。因此研究有效的针对超大带宽的 大规模混合赋形阵列校准技术，和对系统误差具有鲁棒性的波束赋形算法，设计 对系统误差具有检测和容错机制的波束管理方案等，对于超大规模天线技术在太 赫兹通信中的有效应用都具有重要的研究意义。4.3.1 太赫兹通信物理层设计基于太赫兹的频谱特性，太赫兹通信必然具有超大带宽、超高速率的特点， 除了硬件无线链路传输能力的支持，对用于无线接入的场景，太赫兹通信系统也 需要设计相应的物理层技术。太赫兹通信的多种应用优势，包括超大带宽、超高 速率等，需要通过对帧结构、波形调制和调制编码等物理层相关技术设计来保证 和表达。太赫兹通信物理层技术将会成为承载太赫兹通信技术特征和优势的核心 关键技术。未来太赫兹通信系统链路存在的一些非理想特性，例如相位噪声、高路损、在变频损耗较大、采样带宽受限、基带处理功耗大等等，也需要通过系统链路各 种非理想特性和因素的算法设计和补偿来应对。目前对于太赫兹通信物理层技术方向，全面而深入的研究尚未启动，成型的 研究进展成果较少，仅有少量对于太赫兹通信低频段物理层技术的讨论，且多数 是在5G技术研究时期提出的新型理论设计。下面将从帧结构、波形设计和调制 编码技术等方面介绍业界在上述方向已有的一些技术观点，并对太赫兹通信物理 层技术未来面临的问题和难点进行初步探讨。今帧结构设计太赫兹频率具有超大带宽资源可供利用，未来太赫兹通信系统的工作带宽可 能高达几十GHzo目前业界对于太赫兹低频段通信有一些物理层相关技术的讨 论，有观点认为可以继续以正交频分复用(Orthogonal Frequency Division M ultiplexing, OFDM)为技术基础来设计新波形，帧结构参数集(Numerology) 可以按照子载波间隔M=2xi5kHz设计，增加较大的子载波间隔，比方到480kH z 或 960kHz 等 o无论是原有的OFDM为基础的帧结构设计，还是面向6G技术的新型波形设计 和帧结构参数集设计，都需要在有效提升频谱利用效率的同时，能够有效应对硬 件链路相噪、变频损耗等问题。此外，在帧结构设计时也需要考虑到基带运算资 源和复杂度的问题，例如单符号(Symbol)数据长度过大，那么会导致基带处理时 FFT运算量过大。令波形设计太赫兹通信系统目前在系统链路的性能上面临很多挑战，这些挑战包括：P A效率低、相位噪声大、路损大、工作频段宽、以及器件性能受限等，为了克服 这些问题，需要进行新波形研究。新波形的设计除了需要在带外抑制、时频同步 偏差鲁棒性等方面有性能增强外，还需要有良好的可扩展性，能够通过简单配置 修改用以支撑新的应用场景和业务需求，而且能够和调制编码、新型多址和大规 模天线技术等实现良好兼容。一些5G NR技术研究时期提出新型多载波候选波形也被讨论是否可以应用 于未来6G通信，例如滤波正交频分复用波形(Filtered OFDM, F-OFDM),通 用滤波器正交频分复用(Universal ly Filtered OFDM, UF-OFDM)波形和滤波器 组多载波(Filter Bank MultiCarrier, FBMC)波形等。这些技术的共同特征是都 是使用了滤波机制，通过滤波减小子带或子载波的频谱泄露，从而放松对时频同 步的要求，防止了 OFDM的主要缺点。上述几种候选波形都存在峰均比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR ) 很高的缺点。在未来太赫兹通信超大带宽配置(»2GHz)条件下，PAPR可能会 进一步有较大幅度提升，对系统射频性能和功耗能效造成不利影响，需要进一步 研究更适用于太赫兹通信超大带宽需求的波形技术。令调制编码方式5G NR的基本调制方式可能还会继续使用。由于高频场景路损大而且功率放 大器效率低，因此有必要研究更低峰均比的调制技术。目前业界的研究进展，包 括，FDSS (Frequency Domain Spectrum Shaping,频域赋形)调制方案，如 pi /2 BPSK+FDSS, CPM (Continuous Phase Modulation,连续相位调制)方案,抑 制相位噪声能力相对更好的APSK调制方案以及1+D pi/4 BPSK方案等。对于太赫兹波段的超宽带和高比特率通信，在设计和选择信道编码时要考虑 到解码功率和解码时间。在太赫兹编码技术方面主要存在以下两方面挑战：一是 要表征太赫兹波段的误差源。太赫兹波段信道的特性，特别是分子吸收噪声和多 径衰落，决定了产生信道比特错误的概率以及错误的特性。二是需要开发新的低 复杂度的信道编码方案，同时考虑发射功率和解码功率。例如，在短距离通信的 情况下，结合基于飞秒长脉冲的调制的低权值编码方案可用于防止信道错误发 生，防止事后校正。太赫兹通信的频谱特性和超大带宽应用很可能会给太赫兹通信的物理层设 计带来较大改变。除上述讨论的技术内容外，多天线处理、资源映射、控制传输 信道、导频设计、波束管理等太赫兹通信物理层技术，也会面临众多应用问题和 挑战。该方向研究业界建议的技术开展路线是：先分析研究太赫兹通信技术特点、 挑战和问题，再基于特点、挑战和问题，进行物理层相关技术内容的新型设计, 并根据太赫兹通信技术特点和6G研究进展成型物理层技术的架构设计，逐步推 动标准化进程。4.3.2 太赫兹通信资源调度管理太赫兹频率具有超大带宽资源可供利用，但是由于模拟器件的带宽覆盖能 力、大带宽一致性，以及数模转换和宽带采样芯片的限制，可能需要考虑类似5 G NR的BWP （Bandwidth Part,带宽块）技术思路，用以实现频段资源的灵活配 置和分段利用。此外，太赫兹频谱的许可、使用、管理与经营方式相对传统低频 段频谱将可能发生很大的变化。这局部频谱是独占式的许可频谱，非独占方式的 非许可、频谱接入共享，还是地区或应用特定的微许可，以及将蜂窝无线接入与 前传/回传频谱共享的IAB（Integrated Access Backhaul,接入回传一体化）方 式，都将给太赫兹通信的频谱资源管理带来挑战皿。合理的资源分配与调度技术方案对于宽带系统频率利用效率的提升、多用户 调度增益的表达、以及干扰的管理与抑制都具有极为重要的作用。对于带宽资源 极为丰富的太赫兹系统而言，对无线资源应用的灵活度得以极大的提升，而如何 在广阔的可用资源中以合理的计算复杂度和时延更加优化地进行资源分配和调 度以进一步提升整体系统效能，将会是一个巨大的挑战。可以预期的是，未来太赫兹通信空口技术的架构设计应该具有足够的灵活 性，可以支持频谱和带宽资源的动态配置、波束接入的智能管理，以及高低频、 空天地多维度、宏观到微观多尺度的空口协同和信息融合，支持覆盖多种太赫兹 通信应用场景。未来空口设计方案需要具有上述能力和特点才能适配6G太赫兹 通信的技术特征和优势。目前6G技术研究仍处于探索起步阶段，技术路线尚不 明确，需要产业界共同参与研究，积极探讨，逐步厘清未来太赫兹通信空口技术 路线和开展方向。5太赫兹通信产业进展及开展建议5.1 标准化进展令国际电信联盟ITUITU在世界无线电大会WRC-2012 5. 565上将275-1000GHz内的多个频段划 分给被动业务应用，包括射频天文学业务、地球探测卫星和空间研究等。ITU已 经指定分配0. 12THz和0. 22THz频段分别用于下一代地面无线通信和卫星间通 信。WRC-2015第767号决议，确定了 WRC-2019关于275-450GHz频段用于陆地 移动和固定业务的议程。2019年H月，WRC-2019会议议题1. 15为275-450GHz 频率范围操作的陆地移动和固定业务应用确定频谱，如图5.1所示，新增 275-296GHz、306-313GHz. 318-333GHz、356-450GHz 四个全球标识的移动业务 频段，并且出现了两个超大带宽频点275GHz (252-296GHz,带宽44GHz)和 400GHz (356-450GHz 带宽 94GHz) o252GHz取 306n13GHz 318、333GHzW i37Gllz图5.1 WRC-2019议题1.15太赫兹频谱划分情况2018年8月，ITU-T SG13下开设FG NET-2030焦点组，关注系统愿景和应 用需求研究。2019年5月，ITUFG NET-2030工作组发布白皮书,对现有网络 的挑战和未来通信网络特征进行了蓝图定义，包括全息通信、多感知网络、时间 确定性应用等。2020年2月，ITU-R WP5D工作组会议上，面向2030及6G的研究工作正式 启动。本次会议初步形成了 6G研究时间表，包括未来技术趋势研究报告、未来 技术展望建议等重要规划节点。目前ITU尚未确定6G标准的制定计划。令 美国电气电子工程师学会(IEEE)IEEE较早启动并积极推进太赫兹通信的标准化工作。IEEE802. 15于2008 年成立太赫兹兴趣小组(THz Interest Group, IG THz),重点关注在275-3000GHz 频段运行的太赫兹通信和相关网络应用。IG THz专注于开放频谱问题、信道建 模等技术的开展。IEEE802. 15于2013年7月成立研究组SG 100G,朝着制定新标准迈出了 一 步。该研究组于2014年3月完成其工作，并建立了 3d任务组。2017年，3d任 务组发布了 IEEE Std. 802. 15. 3d-2017:10 该修订案以 IEEE Std. 802. 15. 3c 为 基础，定义了符合IEEE Std.802. 15.3-2016的无线点对点物理层，其频率范围 为252GHz到325GHz,是第一个工作在300GHz的无线通信标准。令 第三代合作伙伴计划(3GPP)3GPP方面目前对外发布的资料是预计2023-2026年启动6G研究；2026-2028 年启动6G标准研究。如图5. 2所示为业界对于B5G/6G太赫兹通信技术标准时间窗的预测，可以 看到距离太赫兹通信技术标准化，有3-6年关键技术研究的时间窗口。太热就国琳等技术匐a(uVZ>ZAR J.-Me。tUD P»T OJPi SA 0 ml V2A f41VI UP(M1M5 SmtUity,1r T5CW肮与1 /2炉田SGflSEFFR6G研突与fil术MB用.图5.2 B5G/6G太赫兹通信标准时间窗预测令中国通信标准化协会(CCSA)CCSA无线通信组前沿无线技术子组(TC5 WG6)2018年已启动B5G/6G相关立 项研究，内容涵盖B5G/6G系统愿景与需求，潜在无线新技术，可将光通信和太赫兹通信技术等方向。5.2 国际各区域产业进展5.2. 1美国美国是较早启动太赫兹研究的国家，认为太赫兹科学是改变未来世界的十大 科学技术之一。2009年起，美国国防部高级研究计划署（DARPA）和美国国家航 空与航天局（NASA）均投入较大资金和力量，用于太赫兹关键组件及系统的研发。 DARPA 启动了 THOR （Terahertz Operational Reachback,太赫兹作战延伸后方）” 的研究计划，该计划包含研发与评估一系列可用于移动自组网的自由空间通信系 统的技术，并投入大量经费研制0. 1-1THZ频段太赫兹通信关键器件和系统；2013 年提出了 100Gbit/s骨干网计划，致力于开发机载通信链路实现大容量远距离无 线通信，2020年美国预计其通信卫星将可能具备50Gbit/s以上的传输速率。图5. 3所示为美国贝尔实验室的0.625THZ通信实验系统，是目前采用全电子方式实现的最高载波频率的太赫兹通信系统。美国的纽约大学、麻省理工、 乔治亚理工大学、东北大学、普林斯顿大学、加州大学伯克利分校等众多研究机构也纷纷加入太赫兹技术研究中，并有多个技术成果发布.2,-Wz二二一-Wz二二一图5.3美国贝尔实验室的0. 625THz通信系统2019年3月，美国联邦通信委员会（FCC）对未来移动通信应用开放了从9 5GHz到3THz频段，鼓励相关产业机构加入到太赫兹无线移动通信的应用研究中， 该举措应该会对美国太赫兹通信技术的应用研究和产业推进有积极推动作用。目前在关键器件的产业化方面，美国仍处于国际领先地位，VDI等器件厂商的大赫兹关键器件覆盖种类和支持频段均比拟完备，技术产业较为成熟。欧洲欧洲2014年启动了 “2020地平线计划(Horizon 2020) ”，包含了众多太 赫兹相关的技术簇资助工程如：“TERAP0D”工程，由沃特福德理工学院牵头，计划是研究和论证超高频无 线接入网络在太赫兹波段运行的可行性，包括太赫兹无线链路在数据中心、无线 个人区域网，无线局域网等；“TERRANOVA”工程，由希腊Piraeus大学牵头，计划通过开发高于275 GHz 的频率，将光纤系统的体验质量扩展到无线连接，实现到达Tbps数据速率和接 近“零延迟”的B5G网络；“DREAM”工程，由芬兰国家技术研究中心(VTT)牵头，旨在通过利用D波端 (130-174.8 GHz)实现高达lOOGbps的无线传输技术。“EPIC”工程，由澳大利亚Technikon公司主导，旨在利用下一代信道编码 实现的无线Tbps速率通信，目标是开发新一代的FEC (Forward-Error- Correction, 前向纠错)代编码技术，使其成为到达太比特速率B5G网络的一种 基本实现方案。“ULTRAWAVE”工程，由英兰卡斯特大学牵头，目标是开发140-300GHz以上 频段，超过lOOGbps速率的高容量无线回传技术。"WORTECS”工程全称是 Wireless Optical/Radio Terabit Communications (太比特无线光通信/无线电通信)，目标是结合无线电通信和无线光通信技术，探 索90 GHz以上频谱太比特量级的通信能力。“THOR”工程，是欧盟和日本的一个联合工程，目标是为B5G网络提供300 GHz附近频谱的射频无线链路技术解决方案，能够满足B5G系统所需的200+ Gbps 的数据速率，在连接性、数据流量密度和容量以及所需的多层次超密度方面实现 巨大增长。iBrow”工程，英国格拉斯哥大学牵头，旨在研究90-300GHZ之间的超宽 潜力和技术影响力的分析和预估。可以看到，14个6G潜在无线技术方向中，有 6个与太赫兹相关，分别包括太赫兹通信相关的关键器件材料工艺（磷化锢、错 硅CMOS、COMS、石墨烯、无损太赫兹材料等）和无线物理层设计等。该份白皮 书报告同时认为，“太赫兹关键器件会是未来6G愿景实现的关键技术与挑战”。太赫兹波段以其丰富的频谱资源和独有特性，受到学术界的热烈关注，也受 到欧、美、日等国家区域和组织的高度重视，并获得了国际电信联盟（ITU）的 大力支持，成为极具潜力的6G关键候选频谱技术。基于通信网络技术平滑演进 的考虑，太赫兹通信也是目前产业界热议和关注较多的技术方向，开展太赫兹通 信技术研究既符合网络技术的演进需求，也具备较高可行性。中国联通也已启动对太赫兹通信技术研究和产业推开工作，并基于前期研究 进展形本钱白皮书内容，对太赫兹通信的产业现状、技术特点、应用场景及关键 技术挑战等进行了初步探讨，并提出了中国联通对太赫兹通信技术开展方向的初 步规划。中国联通将以应用需求为牵引，持续开展太赫兹通信关键技术研究、太 赫兹通信技术标准化推进和产业开展推开工作，发布本白皮书的目的是向产业界 释放积极信号，吸引产业界各合作伙伴一起，共同促进和推动太赫兹通信技术产 业开展。1. 2白皮书状态本白皮书L0版本初步探讨了中国联通对于太赫兹通信技术特点、应用场景 及关键技术挑战等