面向6G网络的太赫兹通信技术研究综述

摘 联表

【关键词】 6G；太赫兹通信；超高数据速率；海量频谱资源

0 引言

伴随着智能设备的迅速普及以及新兴交互服务的兴起，无线通信技术正 experiences a dramatic surge in demand. In particular, mobile data traffic and video streaming traffic are projected to experience significant growth rates over the next few years, with mobile internet traffic expected to grow at an annualized rate of 7 times by 2021, while video applications are anticipated to see a compounded annual growth rate of approximately 3 times during the same period [1]. However, current cellular networks are struggling to meet these escalating demands due to their limited infrastructure and resource allocation capabilities.

面对未来的技术挑战, 6G网络的开发吸引了全球的目光. 同时, 欧盟、国际电信联盟等多家机构, 加上中国、美国、日本和芬兰等多个国家, 已经陆续开展相关研究.

相较于目前主流的无线通信系统，在6G网络中将实现显著提升，在速度方面将具备更加丰富的频谱资源作为支撑。其中太赫兹（THz, Terahertz）频段（频率范围为0.1—10 THz）被公认为6G候选频段之一，并且其频谱范围远超5G毫米波（mmWave, millimeter Wave）频段（30—300 GHz），这将为6G带来更大的带宽资源支持能力。基于如此庞大的带宽资源基础，在数据传输速率方面6G网络有望实现超高速数据传输能力，并达到每秒达Tbit/s水平的数据传输速率（具体数值可达到5G水平快100至1 000倍）。在时延性能方面6G将突破现有技术局限性追求更低时延目标这不仅有助于推动工业自动化等技术的发展更能使得人类感知层面的技术进步更加顺畅。从网络容量角度来看6G系统将展现出全方位的支持能力能够轻松应对连接设备数量高达上万亿级别的应用场景而相比之下5G网络最多只能支持数百亿级别的移动终端设备数量因此在这一关键指标上6G系统的性能优势将是显著可及的

1 6G发展规划与愿景

1.1 发展规划与愿景

5G技术则聚焦于支持人与车与物之间的高效互联，在这一过程中提出了三个关键服务：增强式移动宽带、大规模机器类型通信以及高可靠低时延通信等核心功能[2]。然而，在全球无线设备数量急剧增长的趋势下，“触觉层面的即时性要求”的应用场景大量涌现，例如延迟仅为毫秒级的应用场景就已超出了现有5G技术能力[3]。此外，在大规模接入场景下很难同时兼顾低时延与高可靠性这两项重要指标[4]。

为了进一步扩大无线通信网络的应用领域及其能力, 6G研究团队将基于5G技术, 在"空-天-陆-海"全维度服务网络的基础上, 推动智能化发展进程. 在这一过程中, 6G系统将致力于实现从宏观到微观的人类通信无缝连接, 这一目标能够有效解决偏远地区、无人区及地质灾害频发地区的通信难题[2]. 同时, 纳米网络在微观尺度上的部署也将深入探索人类生理结构的本质特征. 作为一项具有划时代意义的创新技术, 6G的核心优势在于其精准满足个体化需求的能力. 具体而言, 该系统将具备类似人类智能的服务能力, 包括对情感、感知和环境等多维度信息的分析与处理[2]. 在6G时代,'智慧'不仅仅是一个空洞的概念, 更是一个切实可行的目标: 实现海量异构网络接入的同时, 必须满足超低时延要求; 提供强大的智能分析能力和安全可靠的运行保障; 同时追求高能效的设计目标. 关键技术指标详见表1

1.2 网络架构

为了推动6G技术研究工作的深入开展并加速推进"满足人类个性化服务需求"的战略目标，在全球范围内多个国家和地区正积极开展相关研究与应用工作。预计未来三年间将逐步铺开大规模实际覆盖范围。构建完善的6G网络体系方案具有重大的战略意义。

首先，“空-天-陆-海”全维度网络架构主要包含：通过飞机、无人机以及气球等空中飞行装置构建的“空天”网络；利用水下潜艇与海上航行工具共同构建的深海通信系统；以及将上述各部分与地面通信系统（包括移动蜂窝、无线局域网等）进行有机整合并相互衔接，在全球范围内形成统一的全地形覆盖通信体系。

此外，在6G技术演进中这种新型架构将广泛应用于多个领域。随着人类对智能化和高效连接的需求日益增长，各种新兴应用如拓展现实、全息通信、智能医疗、无线脑-机交互以及自动化制造等都将紧密依赖超密度异构网络的支持。这些复杂场景的出现不仅凸显出超密集型小蜂窝网络在6G时代的重要地位；而且这种新型架构将通过其多层架构设计实现两个关键目标：首先，在6G技术演进中具有重要战略意义；其次，在提升...能源效率与频谱利用率的同时能有效...通信服务质量与可靠性保障。

其三，TI网络将构成6G体系的核心中枢神经系统。基于深度学习和人工智能技术构建智能化连接后，在类人化的人工智能服务模式下为人类提供更为优质的服务体验。通过软件化虚拟化和全网协同优化方案实现网络架构的高度灵活性和动态适应能力，并且能够快速响应需求变化。该系统不仅能够确保物理基础设施与成百万台设备之间数据传输效率最大化还能支撑起一个统一的整体通信系统让用户享受全方位、随时可用的人机交互服务

1.3 6G关键技术

改写说明

（1）物联网

未来将以万物互联为指导目标，在此框架下构建一个高密度且高度灵活的网络架构；通过融合多种先进技术组合实现对不同业务类型的需求应对；由此可知，在这一技术体系中物联网系统将成为支撑其发展的关键要素。

（2）人工智能

随着6G网络中的接入设备数量急剧上升, 该系统的复杂性显著提升, 因此需要采取更加智能化的管理措施. 借助先进的理论支撑与技术手段能够实现对现有系统架构的有效优化与设计能力得到显著提升[7].

（3）大规模MIMO技术

随着无线通信系统从4G向5G演进时

（4）激光和可见光通信

主要依赖于电磁波信号的无线电技术在"空–天–陆–海"全维度覆盖场景中受制于较低传输速率的限制。相比之下，激光与可见光通信系统分别采用激光束与发光二极管产生的可见光作为载波，并可实现数据传输，在自由空间及水下环境内均能正常运行。

（5）量子通信

量子的不可克隆特性构成了量子通信安全性的关键保障机制。当潜在窃取者在量子通信过程中实施观测、测量或复制行为时，都会导致量子状态发生不可逆的转变而不再是初始状态这一特性得以实现的前提条件从而有效防止了信息泄露。而在量子密钥分发系统中通过采用光子或其他单个光子作为载体进行信息加密操作其安全性较传统方法显著提升[9]。

（6）THz通信

该频段涵盖范围从0.1 THz延伸至10 THz之间，在长波端与毫米波区域相互衔接，在短波端则与红外光域相吻合。该类通信技术通过整合微波通信体系与光电子传输优势特性，在移动异构网络系统中展现出显著的应用价值。其显著性特征在于可有效应对现有无线系统面临频谱资源有限以及传输容量瓶颈等关键挑战

2 面向6G的THz通信

2.1 THz通信的优势

为应对通信网络中快速增长的需求[10-11]，
mmWave、THz以及光通信（涵盖红外线、可见光和深紫外线频段）受到广泛关注，
本节将着重分析mmWave与光通信技术，并探讨其在THz领域的优势，
图1 为无线电频谱示意及应用：

（1）Tbit/s级的数据传输速率

在THz频段中，其有效带宽较毫米波频段高出三个数量级，并可支撑达到Tbit/s级别的无线传输链路；相比之下，毫米波、红外线以及可见光通信系统仅能实现10 Gbit/s的数据传输速率。

（2）天气条件因素影响低

具有较短的传播距离的THz波在衍射方面表现优异，在面对雾霾、尘埃以及气流等天气状况时能够展现出较为稳定的通信效果；相比之下，在室内外环境下受到的日/月光以及其他光源（如荧光灯）的影响较大。

（3）安全性

在THz的安全性方面具有双重特性：一方面该频段对人体会不存在伤害；另一方面，在波长上相比毫米波（mmWave）而言具有更强的方向性。因此，在未经授权的情况下（即非法设备），必须位于狭窄的发射扇区范围内接收通信信号。此外，在频率资源上该系统展现出显著的优势：丰富多样的带宽资源则为扩频技术和跳频调制提供了必要的基础支持。这些技术的应用将显著增强通信系统的抗干扰能力。

（4）可以实现多点通信

相比而言，在方向性方面光通信具有显著优势。然而这使得收发两端的方向性需求极为严格以至于仅能在红外线与可见光领域达到单向通讯水平。值得注意的是 在毫米波与太赫兹频段中由于存在非视线传输的可能性 mmWave与THz则能够实现多端间的高效连接

综上，表2对比了以上各频段通信系统的性能：

2.2 THz通信的应用场景

基于其卓越的数据传输速率和高度的安全性等显著优势, THz通信技术将实现全球范围内从纳米级通信到卫星级通信的广泛覆盖. 下面, 将阐述该技术在不同领域的应用场景, 如图2所示.

（1）THz纳米级应用

在纳米级场景中存在两种主要应用场景：即纳米网络以及片内和片间通信技术。该技术可集成于多个平台或设备中，并广泛应用于包括环境监测与医疗健康领域的多种领域。在现代芯片设计中逐步增加计算核心数量以提升计算能力是一种主要的技术路径。通过促进不同芯片之间的高效数据互通与同步管理目标, terahertz（THz）技术可有效支持这种新型通信模式[13]

（2）THz无线接入服务

基于THz技术的应用场景可显著提升多媒体服务的质量。具体而言，在该应用场景下，视频格式Super Hi-Vision将具有高达7680×4320的分辨率，并要求传输速率达到24 Gbit/s以上[12]。此外，在数据量巨大且对实时性要求极高的新兴领域中（如增强现实与全息通信等技术），THz通信同样展现出强大的适用性[12]。同时，在人流量巨大的公共建筑入口、商场大厅以及体育赛事场馆等场所中（这些地方的人流数据往往达到顶峰），THz技术同样能够满足其大规模数据处理的需求。当用户的移动速度较快时，则具备较高的移动通信能力（例如在自动驾驶车辆中）

（3）THz超大容量回程

在蜂窝基站间的回程链路或前向链路中进行高速数据传输，在6G时代将显著提升网络的承载能力。基于其卓越的数据传输性能（峰值传输数据速率达到1 Tbit/s），THz技术将成为满足当前需求的理想选择[14]。

（4）THz安全通信

解决信息窃取和干扰行为是保障用户通信隐私与安全的关键任务。值得庆幸的是，在2.1节中所阐述的技术基础下，在相对较近的距离内建立一个基于THz技术的自组织网络系统能够有效防止这些威胁的发生。在军事领域中这一技术已经展现出显著优势特别是在作战指挥中心能够快速组建多个节点覆盖范围较小但覆盖全面的通信网络从而实现战时信息的安全传输与快速共享。而在民用领域这一技术则主要应用于特定的应用领域包括基于带有无线身份验证功能的手动取款机实现的数据下载操作通过这种场景下的应用充分体现了THz技术在保护通信安全方面的独特优势与实际应用场景的有效结合。

（5）THz空间通信

在太空中 THz 频段不产生吸收损耗这一特点使得基于 THz 频段的卫星通信不仅具有快速传输的特点，并且还能够显著增加通信距离...；此外 THz 通信终端因其具有小型化的优势而备受关注[15]；这不仅推动了 THz 空间通信技术的发展前景[8]。

3 THz通信技术发展趋势与挑战

6G技术将支持大规模连接、提供极高的可靠性、实现极致低延迟的同时具备智能化的数据处理能力，并在安全性方面也展现出显著优势。这些特点将催生一系列创新应用场景，并为用户提供沉浸式的智能化服务体验。接下来我们将深入探讨面向6G的THz通信发展趋势及面临的挑战。

3.1 THz通信器件

尽管半导体与金属等材料的器件引出了一系列创新技术手段并带来了显著提升，在当前研究中现有的THz器件在性能上仍无法达到超高质量THZ通信技术的要求。其中一方面在于这些器件的最大发射功率有限从而使得其在室外远距离通信场景中的应用受到限制另一方面随着发射功率的提升这些器件更容易出现温升现象这进一步要求对其微散热技术提出了更高的设计标准

尽管半导体与金属等材料的器件引出了一系列创新技术手段并带来了显著提升，在当前研究中现有的THz器件在性能上仍无法达到超高质量THZ通信技术的要求。其中一方面在于这些器件的最大发射功率有限从而使得其在室外远距离通信场景中的应用受到限制另一方面随着发射功率的提升这些器件更容易出现温升现象这进一步要求对其微散热技术提出了更高的设计标准

此外，在THz通信系统中，为了补偿信号传输过程中的巨大能量损耗问题，则必须具备高强度的天线增益支持。为此开发高增益且灵活运用的THz天线设备显得尤为关键。当前的研究重点主要集中在利用反射面天线技术来实现 THz频段的大功率传输目标；但该技术方案在实际应用中存在一个致命缺陷——即无法实现有效的波束成形调节功能；这直接制约了基于 THz频段开展大规模多用户通信系统的发展进程；鉴于此我们不得不考虑通过引入相控阵列式 天线系统来提升设备灵活性；但就目前而言；该类技术路线面临诸多尚未解决的核心难题；例如：材料性能限制、元器件可靠性保障等问题仍需进一步突破才能真正实现在 THz频段内灵活高效地完成多用户信息传递任务

再有，
预计未来6G网络中的移动端用户数量将呈现爆炸式增长，
这意味着通信端的THz核心芯片必须同时满足高集成度和小体积的要求。
值得注意的是，
在传输距离达到几十米甚至达到公里级别时，
其能耗将显著上升，
这会导致移动设备电池续航时间大幅下降。
此外，
在面积有限的移动设备上增加电池容量的技术进步速度相对较慢。
相比之下，
在信号处理技术和计算速度方面，
这一限制对THz技术在移动设备中的实际应用带来了一定的制约。

3.2 无线覆盖增强技术

受限于传输损耗较高的限制，在单独应用THz系统时难以显著扩展其覆盖范围。为了扩大覆盖面积，则需通过融合其他技术手段进行优化。

（1）地面移动通信

在地波通信系统中存在两个主要的技术瓶颈：一是分子电偶极矩的微弱吸收特性限制了有效传播距离；二是自由空间信道的大衰耗效应同样显著影响着传播性能。鉴于此，在现有技术条件下难以突破地面通信系统的理论极限值。为了进一步提升系统性能水平，在通信系统设计中可以采用可重构智能表面技术与无人机技术相结合的方式实现有效增距效果。

基于可调节移相器的智能表面能够实现信号的反射，在接收端显著提升了信号质量，并且无需额外消耗能量用于射频处理、编码解码或重传[16]。该系统突破了传统半波长限制，在成本和能耗方面展现出明显优势[17]。此外，在提升信道覆盖范围方面具有显著优势[17]。由于其体积小巧且重量轻便的特点，在通信网络适应性方面表现突出[17]。当地面用户与基站或其他用户之间的通信链路因建筑物、植物等障碍物被阻断时（图1），通过采集通信周边环境信息及双方位置数据[16]

需要注意的是，在当前无线通信系统下运行的无人机与部署于THz通信系统中的无人机相比，在能源消耗方面将面临更大的挑战。这会导致其续航能力明显下降，并且无法提供长期稳定的通信链路。与此同时，在利用可重构智能表面与无人机扩大覆盖范围时，则需要考虑部署位置、资源调度和分配等多个关键问题。当数据链路数量大幅增加时，相关技术挑战将更加复杂化。因此，在实现这一目标的过程中必须采用高效的资源管理技术以提升整体系统性能。

（2）卫星辅助通信

卫星辅助技术的无线通信能够显著扩大覆盖范围。这是因为太空环境中不存在THz波吸收损耗这一问题，在THz频段运行的卫星通信不仅传输速度快、距离远，并且尤其适用于低地球轨道（LEO）的应用场景。因为LEO卫星轨道高度较低的原因是它们可以在较短的时间内完成一次环绕地球的周期性轨道运行，在这种情况下实现了较低的信号传输延迟。此外，在终端设备具备极高水平移动性时（即高速移动状态下），地面移动通信系统由于其定位精度和动态跟踪能力有限而难以及时响应终端位置的变化需求；然而，在这种情况下卫星通信系统则能够有效应对高速移动覆盖区域的问题。

但是，在无线通信系统中当卫星数量较多时

3.3 超大规模MIMO技术

在THz通信系统中，因天线尺寸缩小及传输波束面临更高的传播损耗，在毫米波通信系统所需的大规模MIMO技术基础上衍生出了超大规模MIMO架构。这一技术是基于大规模MIMO（massive MIMO）的发展阶段之一而形成的。例如，在1 THz频段下，每平方毫米可集成多达1024个天线阵列单元[18]。

然而, 超大规模MIMO技术带来了新的挑战。第一部分的问题在于, 超大型天线阵列带来了大量阵列单元, 在管理这些单元时面临更大的复杂性; 当增大天线_array的数量时, 能源消耗随之增加, 因此必须在性能收益与能源消耗之间做出权衡; 第三个挑战源于并行信道数量的激增, 这使得在THz频段应用大尺寸MIMO系统时, 信道估计变得更加困难。

3.4 THz定向组网技术

基于传统全向组网技术的研究表明，在无线传感器网络中，默认情况下各节点均采用全向天线进行信号发射与接收[19]。然而由于全向天线容易受到电磁干扰影响，并且其在全方位覆盖范围内工作时会消耗较多的能量和时间[19]。因此，在毫米波频段（THz频段）通信系统中提出了一种新的解决方案：通过配置指向性较强的扇区型天线集合，在保证节点间通信连接的同时提升网络的整体性能指标。

与全向组网技术不同，在定向组网技术中，在通信过程中节点必须将天线指向特定方向才能与邻居联系。通常情况下，节点无法预知邻居的位置信息因此高效的邻居定位算法是定向组网系统成功运行的关键所在。此外，在使用了定向天线的节点其初始指向方向以及波束宽度等参数设置也将对定位过程的效率产生重要影响

在THz通信系统中引入定向天线阵列后会带来新的技术挑战。一方面，在实际应用中由于节点间的干扰问题使得信道资源分配变得复杂起来。具体而言，在采用方向天线技术时每个收端设备都可以选择性地接收来自特定方向的有效信号然而由于这种特性会导致节点间出现信息冲突现象即当某个目标设备无法收到对方确认信号时它会继续发送数据包这一过程可能会造成不必要的资源浪费因此如何优化信道分配机制以减少无效数据传输的情况是一个值得深入研究的问题。另一方面由于THz频段具有较强的干扰特性如何确保信道质量稳定运行成为媒体访问控制协议设计中的另一个关键考量因素

3.5 绿色THz通信技术

在6G时代背景下伴随大量物联网设备的普及以及移动通信网络的部署碳排放问题不容忽视[20]如何降低能耗成为6G发展的重要议题当前THz通信发射端的能耗水平处于毫瓦级然而由于基带信号处理所导致的能量消耗较大在瓦特级别以上因此降低THz系统的能量效率已成为推动这一技术向绿色方向发展的关键路径能效研究可以从两个方面展开一方面大规模MIMO技术作为支撑性技术出现混合波束成形已被实验结果所证实可显著提升系统能量效率其所带来的能量效率可达几Gbits/J水平这比mmWave通信系统高出一个数量级由此可见进一步优化该技术以实现低能耗传输具有重要意义另一方面新兴技术研发与绿色通信系统的结合也成为研究热点例如在医学领域中的应用智能反射材料与THz系统的协同工作虽然具有创新性但目前相关标准体系尚不完善因此跨学科合作将成为未来推进这一领域的重要驱动力

4 结束语

在6G网络体系中，基于其具备极高的传输速度和广大的频谱资源特点的THz通信技术展现出显著的实用性。从整体上分析6G网络的发展规划和实际需求，在这一背景下深入阐述了THz通信技术能够满足新型需求时的优势特性及其适用场景，并对这种技术在未来的发展方向及面临的障碍进行了综合分析。