面向6G的太赫兹信道特性与建模研究的综述

本文综述了太赫兹信道特性与建模的研究进展。首先，太赫兹信道与低频信道的传播特性不同，主要体现在分子吸收特性、障碍物表面粗糙度对折射和反射系数的影响，以及太赫兹波的物理特性等方面。其次，本文介绍了统计性信道建模和确定性信道建模两种方法。统计性建模通过实际测量数据拟合信道参数，而确定性建模基于光学和电磁学传播理论，考虑自由空间衰减和分子吸收等影响。研究还探讨了太赫兹信道在6G通信中的应用潜力，指出其在高带宽、大容量和非平稳信道特性方面的优势。未来挑战包括解决空间多样性不足、非平稳信道特性以及开发新的建模方法。随着研究的深入，太赫兹通信技术有望成为6G的重要组成部分，为社会生活提供更高效的服务。

摘 要

摘 要

**【关键词】**6G；太赫兹；信道特性；信道建模

0 引言

第五代移动通信（5G）已在全球范围内全面商用，而多个国家和地区正积极推进第六代移动通信（6G）技术的研发。2017年9月，欧盟启动了B5G/6G基础技术研究项目。2018年7月，日本总务省提出了B5G/6G技术概念。2019年3月，美国正式开放太赫兹频段用于6G实验。2019年1月，韩国LG电子公司宣布启动6G研究计划。2019年6月，中国6G研究组正式成立，开展6G预研工作。相较于5G，6G在数据传输速率、通信时延、设备连接密度等关键性能指标上需实现突破[1]，例如，6G需提供Tbps的数据传输速率以满足未来对数据传输速率的需求[2]。

为了提升Tbps的数据传输速率，应在现有频谱资源的基础上，探索更宽频谱资源的可用性。2019年11月，世界无线电通信大会（WRC-19）最终确认了275 GHz至296 GHz、306 GHz至313 GHz、318 GHz至333 GHz以及356 GHz至450 GHz这四个频段，将被用于支持地面移动和固定业务应用。这些频段属于太赫兹频段，其频谱范围在0.1 THz至10 THz之间，介于毫米波与可见光频段。太赫兹电磁波的宽广频带资源可承载数百吉赫兹甚至太赫兹的带宽，从而显著提升系统容量，预计可满足6G对数据传输速率的需求[3]。

到目前为止，各国已对太赫兹技术展开了系统研究。美国早在2004年就将其列为"十大改变未来世界的科学技术之一"，随后于2019年3月启动了95 GHz～3 THz频段许可和免授权使用计划，为该技术提供了必要的频谱资源。2017年9月，欧盟启动了B5G太赫兹通信项目的研发，德国在0.24 THz频段实现了100 Gb/s的高速传输。我国于2013年通过国家自然科学基金委与科学院的联合决策，设立了"太赫兹科学技术前沿战略研究基地"，随后于2015年科技部启动了863计划项目"毫米波与太赫兹无线通信技术开发"，2019年又设立了国家重大专项"星间太赫兹组网通信关键技术研究"专项，致力于该频段的技术研究与应用。

无线电波从发送机天线发射后经过接收机天线所经历的信道即为无线信道，其特性直接决定了移动通信系统的性能[4]。太赫兹信道模型则是太赫兹通信系统设计与优化的基础理论。信道建模是基于现有信道测量平台获取的数据，通过数学公式精确刻画信道各项参数，从而科学构建无线传输平台并开发相关应用。如图1所示，太赫兹频段频率高、波长短，相较于微波等低频信道，具有独特的信道特性，且分子效应更加显著。自由空间损耗与频率的平方呈正相关，因此太赫兹波在传播过程中会经历较大的能量损耗。此外，由于波长较短，大气中的微小颗粒（如冰晶）以及水蒸气等分子带来的分子吸收效应将更加显著，同时在低频段被视为光滑表面的障碍体，在高频段则呈现粗糙特性，这将导致信道的反射、散射特性发生变化。这些特性将给信道建模与分析带来新的挑战[5]。

1 太赫兹信道特性

当电磁波频率上升时，其波长相应缩短。

由于太赫兹频段的分子吸收特性具有显著特征，不同分子对太赫兹信道特性的影响已成为研究的重点内容。从气态、雨态和沙尘状态三个方面详细阐述了太赫兹频段的分子吸收特性。在无凝结水和无降水条件下，大气引起的衰减效应是影响无线电波传播的主要因素。太赫兹传输衰减在介质的分子组成和传输距离方面表现出显著的依赖性。在图2中，线A、线B和线C分别代表无线电波在气态、水汽态和氧态中的传输损耗特性。研究发现，线A在太赫兹频段与线B高度重合，这表明水汽分子在太赫兹频段传输损耗方面起着主导作用[6]。值得注意的是，水汽分子不仅会导致信号传输的衰减，还会引入色噪声[7]。在晴空条件下，以150 GHz为中心频率的1 km信道长度已成功应用于点对点固定链路[8]。然而，太赫兹系统中由于大气水汽分子随频率变化的折射率差异所导致的色散效应，在大带宽范围内表现得尤为明显，这将对太赫兹无线数据传输速率产生显著影响。为此，需要开发有效的补偿方案以解决太赫兹脉冲的大气色散问题[9]。

此外，云、降雨等形成的冷凝水对无线电波传输会产生一定的损耗。非球形冰晶的衰减程度高于球形液滴，在0.1 THz至1 THz的频率范围内，散射现象可以忽略不计[10]。以降雨为例，当频率超过90 GHz时，雨量的影响趋于稳定，即在90 GHz及以上频率范围内，降雨衰减在给定降雨强度条件下不会随着频率的变化而发生显著变化[6]。

然而，沙尘散射对太赫兹信道的影响较小，太赫兹波在沙尘存在下展现出良好的穿透能力，随着沙尘厚度的增加，透射率逐渐降低[11]。在太赫兹频段，尘埃等离子体的各种参数对信道特性的影响可以忽略不计。因此，基于太赫兹技术实现穿透空间中不均匀且随时间变化的尘埃等离子体是完全可行的[12]。

随着频率达到太赫兹频段，大气中各类分子会对电磁波的传输产生显著影响。同时，由于电磁波的波长缩短，原本平滑的表面在太赫兹频段上呈现粗糙特征，从而改变了反射和散射系数。研究者[13]通过射线追踪技术对不同粗糙度的石膏在室内环境中对太赫兹信道传输的影响进行了仿真评估，结果显示，粗糙度为σh=0.15 mm和σh=0.30 mm的石膏分别在307.4 GHz频段产生了28.3 dB和30.5 dB的传输损耗偏差。此外，研究者[15]对不同厚度的隔音材料进行了对比分析，具体结果可参考图3。通过对比分析，可以发现，厚度为4 mm的隔音天花板在反射信号路径损耗方面优于厚度为3 mm的木板。

太赫兹波具有独特的物理特性。如表1所示，相较于x光等常规检测成像技术，太赫兹波的量子能量和黑体温度显著较低，对生物组织无电离损伤风险，同时具有极强的穿透能力，使其在医学成像领域具有更为安全的应用前景，可作为x光和超声波技术的有效补充。此外，由于某些分子对太赫兹波具有特殊的响应和吸收特征，因此对太赫兹波谱分析技术而言，其在危险物品检测方面具有广阔的应用前景，例如用于检测毒品或生物病毒等危险物质。基于此，太赫兹波在公共安全领域的研究潜力巨大。进一步而言，由于大量有机分子的旋转和振动能级、半导体的亚带和微带能级均位于太赫兹波频段，因此太赫兹波不仅能够提供丰富的生物化学和半导体材料信息，还可在疾病诊断和癌细胞表皮成像等医疗领域发挥重要作用。

2 太赫兹信道建模

为了优化设计太赫兹无线通信系统，构建有效的信道模型具有重要意义[3]。通常而言，太赫兹信道建模方法可划分为确定性建模方法与统计性建模方法。本节将分别阐述两种太赫兹信道建模方法及其相关研究成果。

2.1 确定性信道建模

确定性信道建模方法是基于当前应用场景，利用光学和电磁学传播理论分析，建立无线电信道模型。该方法的优势在于无需进行实测，但其不足在于需要高度详细的应用场景信息且计算复杂度较高。Moldovan等人通过Kirchhoff散射理论和射线追踪技术，开发出一种适用于0.1 THz至1 THz频率范围的确定性大尺度衰落模型，将视距（LOS）径的损耗确定性建模为自由空间路径损耗与分子吸收损耗之和[16]。

其中，f表示电磁波的频率，d表示收发两端之间的距离，c代表光速，Aabs表示分子吸收衰减。分子吸收系数包括了温度TK、频率f和压强p对分子吸收的作用。Aspread表示太赫兹频段中自由空间衰减。

图4对比分析了不同湿度与温度组合下的总路径损耗随频率和路径长度的变化而变化。可以看出，随着水蒸气浓度的增加，总路径损耗也相应增加。

然而，上述模型仅考虑了收发端之间的视距（LOS）传播路径，而未纳入非视距（NLOS）传播路径的分析。NLOS传播路径主要包括反射径和散射径两种类型。为了构建完整的信道模型，需考虑非视距传播路径的影响。基于视线追踪技术，在太赫兹频段构建统一的多射线大尺度衰落模型时，视距径的建模如式(1)所示，对于反射波段，其传播特性则需采用：

其中，反射系数以符号R表示。如图5（a）所示，r1代表发射器与反射器之间的距离，r2代表反射器与接收器之间的距离，k(f)代表与频率相关的分子吸收系数。

通过菲涅尔反射系数γTE(f)表征光滑表面的反射特性，同时通过瑞利因子 ρ(f)表征表面粗糙度对反射波的影响，类似于反射波的特性，散射波的建模过程采用：

基于修正后的Beckmann-Kirchhoff理论，推导出粗糙表面的散射系数S(f)。**如图5（b）**所示，定义s₁为发射器到散射点的距离，定义s₂为散射点到接收器的距离。

C Han、A O Bicen和I F Akyildiz对上述模型进行了验证分析，如图6所示，实验结果表明无论是反射径还是散射径都能够很好地吻合。在发射端（Tx）和接收端（Rx）之间相隔3米，频率为300 GHz的条件下，该系统在直视链路（LOS）下的增益达到-90.6 dB，总增益达到-86.5 dB[10]。C Han和I F Akyildiz基于光线追踪技术开发了三维多径的大尺度信道模型[18]，该模型对反射和散射路损的建模与文献[10]保持一致。

S Priebe与T Krner运用射线追踪技术构建了300 GHz室内环境模型，通过自由空间路径损耗公式对LOS径幅度进行大尺度衰落建模。针对小尺度衰落，LOS径的时延被建模为

通过递归方法计算各阶反射径的时延特性，如图7所示，一阶反射径时延的测量和计算能够很好地拟合，而二阶反射径时延则围绕近似函数呈现波动特性，这种现象是由额外的高斯分布随机变量所引起。将激光路径（LOS）径相位建模为时延的一阶近似函数，同时在反射径上进行相位建模时，其相位值在-180°至180°范围内进行均匀建模。此外，水平到达角（AOA）的相位建模方法采用了均匀分布的方式，并在此基础上增加一个180°倍数的差异值来计算水平离开角（AOD）。这个差异值的引入确保了相位计算的准确性，并且其具体数值已经被文献[19]所确认。

2.2 统计性信道建模

统计性信道建模在应用场景中借助测量平台进行实际测量，并对实际数据进行拟合分析，以获得各个信道参数的经验分布和统计特性，最终基于统计特性构建信道模型。S Kim和A G Zajić基于短距离的实际测量，构建了LOS径路径损耗模型：

其中，路径损耗指数表征了路径损耗对Tx和Rx之间距离的影响程度，阴影衰落参数Xσ被建模为均值为0、标准差为σ的高斯随机分布。如图8所示 在300 GHz频段进行测量，得到随距离变化的拟合曲线。结果显示，在300 GHz至320 GHz范围内，参数γ在2左右波动，而σ的估计值存在较大偏差[20]。

D He等人利用矢量网络分析仪完成了220 GHz至340 GHz范围内的信道测量，并构建了太赫兹频段信息下载应用程序的传播信道模型。通过对数距离模型，可以表示传输路径的幅度。

A0的值由频率和前盖PET窗口的校准衰减参数表示为：

通过测量结果分析，得出了n值为2，同时测得的APET值为1.97 dB。在小尺度衰落的影响下，对位于主波束方向的天线阵列相位特性进行建模时，采用了将相位随时间的一阶变化率进行描述的方法。

在反射径上的相位则被建模为均匀分布于一定角度范围内。LO斯径的方位角AOD则由前盖的宽度、高度以及前盖与发射器之间的距离共同决定，而天线方向角AOA则由AOD推算得出。反射径的相关角度则在LO斯径对应的角度基础上增加修正量来进行表示[21]。

K Guan等人通过M序列的相关性分析，使用信道探测仪获取了高铁/火车车内信道脉冲相应（CIR）。采用3GPP模型拟合路径损耗，推导出与式（7）类似的公式：

其中，A和B分别表示斜率和截距，Xσ表示零均值、标准偏差为σ的高斯随机变量。当在300 GHz的LOS径上将发射端置于车中心时，参数A为21.66，B为79.77，σ为5.59；而当发射端置于车头或车尾时，A为20.68，B为79.95，σ为5.56。车内通道的角度扩展由频率和位置共同决定，通常在300 GHz时小于60 GHz，在大多数情况下，Tx和Rx侧面的角度扩展呈不对称分布[22]。

在模拟数据中心环境下，通过矢量网络分析仪进行测量，对大尺度衰落和小尺度衰落的建模进行了深入研究和分析。在大尺度衰落的研究中，采用浮动截距(Floating-Intercept, FI)方程，对路径损耗进行建模。

如图9（a）所示，两种传输路径损耗的表现得非常接近，且能够很好地拟合。在图中所示的路径上，LOA径上的浮动截距α为43.2 dB，路径损耗指数β为1.94，零均值的高斯分布阴影增益为σ。

为0.06 dB的信道容量。在小尺度衰落场景下，基于数据中心的LOS径时延数据，我们构建了一个线性拟合模型，用于描述径向时延随距离的变化关系。

其中，基准距离d0处的τrms值为GT0，线性回归的斜率系数ε用于描述散射特性，Lσ表示均值为0，标准差为σ的高斯分布。发端和收端均位于机箱顶部的LOS路径GT0为-103.5 dB，其中ε为0.38，Lσ为1.4；而发端位于机箱顶部，收端置于机箱中部的LOS路径GT0为-107.8 dB，其中ε为0.83，Lσ为1.9，如图9（b）所示，测量值围绕拟合公式上下范围内波动[17]。

3 结束语

本文综上所述了太赫兹信道特性与建模的研究现状。首先，阐述了太赫兹信道与低频信道在传播特性上的显著差异，如分子吸收特性，障碍物表面粗糙度对折射、反射系数的影响特性，以及太赫兹波独有的物理特性等。其次，介绍了统计性建模和确定性建模两种信道建模方式，并详细阐述了基于这两种建模方法的太赫兹信道建模研究成果。展望未来太赫兹信道研究，提出了几个亟待解决的关键问题。首先是太赫兹信道的空间特性的研究仍显不足；其次，需要深入探究由高频率、大带宽和大规模MIMO天线阵列所带来的非平稳太赫兹信道特性；最后，是否有必要开发新的建模方法来研究太赫兹信道模型[5]。随着研究的不断深入，相信太赫兹通信技术将成为6G的重要组成部分，并在社会生活的方方面面得到广泛应用。