太赫兹通信技术白皮书.docx

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1、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

2、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。

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、，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

10、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200GHz200GHz500GHz2GHz),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。

11、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

12、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-

13、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

14、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

15、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,

16、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

17、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 MOOULZAR J.-Me。tUD PT OJPi SA 0 ml V2A f41VI UP(M1M5 SmtUity,1r T5CW肮与1 /2炉田SGflSEFFR

18、6G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 （Teraher

19、tz 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

20、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

21、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

22、 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

23、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

24、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