中国联通太赫兹通信技术白皮书.pdf

中国联通太赫兹通信技术白皮书中国联通2 0 2 0年6月 目 录1 概 述 .11.1 太 赫 兹 通 信 技 术 发 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 .5 2.5 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 .1 03.3 微 小 尺 度 通 信 .1 14 太 赫 兹 通 信 关 键 技 术 及 挑 战 .1 34.1 太 赫 兹 通 信 关 键 器 件 及 模 块 .1 34.2 太 赫 兹 传 播 特 性 及 信 道 建 模 .1 64.3 太 赫 兹 通 信 空 口 技 术 .2 0 5 太 赫 兹 通 信 产 业 进 展 及 发 展 建 议 .2 55.1 标 准 化 进 展 .2 55.2 国 际 各 区 域 产 业 进 展 .2 75.3 国 内 产 业 进 展 .3 15.4 产 业 发 展 建 议 .3 56 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 愿 景 与 推 进 计 划 .3 76.1 愿 景 目 标 .3 76.2 推 进 计 划 及 工 作 进 展 .3 77 总 结 与 展 望 .4 0 参 考 文 献 .4 1 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 1/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 1 概 述1.1 太 赫 兹 通 信 技 术 发 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 发 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 1。 2019年 11月 3日 ， 我 国 科 技 部 会 同 发 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 。 图 1.1 未 来 可 能 的 无 线 新 技 术 (硬 件 和 物 理 层 )16G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 1.1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 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 2/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 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 铟 、 锗硅 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 1” 。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 动 工 作 ， 并 基 于 前 期 研 究 进 展 形 成 本 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 发 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 发 展 推 动 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 发 展 。1.2 白 皮 书 状 态本 白 皮 书 1.0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 内 容 的 观 点 ， 提 出 了 中 国 联 通 对 太 赫 兹 通 信 技 术 产 业 的 发 展 建议 及 后 续 推 进 计 划 ， 部 分 内 容 尚 需 进 一 步 深 入 研 究 探 讨 。 希 望 此 版 本 白 皮 书 的 发布 能 够 引 起 产 业 界 的 关 注 ， 吸 引 更 多 的 行 业 伙 伴 与 中 国 联 通 一 起 合 作 开 展 关 键 技术 研 究 、 标 准 化 推 动 以 及 试 点 应 用 等 方 面 的 工 作 ， 共 同 推 动 太 赫 兹 通 信 产 业 链 发展 。 随 着 研 究 的 不 断 深 入 ， 太 赫 兹 通 信 技 术 路 线 和 方 案 会 更 加 明 晰 ， 新 的 研 究 内容 和 成 果 会 不 断 体 现 到 后 续 版 本 中 ， 欢 迎 行 业 伙 伴 提 出 修 改 意 见 和 建 议 。 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 3/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 2 太 赫 兹 通 信 技 术 特 点2.1 太 赫 兹 频 谱 特 性太 赫 兹 （ Terahertz， THz） 波 指 位 于 0.1THz-10THz频 率 之 间 频 段 的 电 磁 波 ，如 图 2.1所 示 。 图 2.1 太 赫 兹 频 谱 频 段太 赫 兹 波 的 波 长 范 围 是 30 m-3mm,在 整 个 电 磁 波 谱 中 位 于 微 波 和 红 外 波 频段 之 间 。 由 于 在 电 磁 波 谱 的 特 殊 位 置 ， 太 赫 兹 波 既 具 有 微 波 频 段 的 穿 透 性 和 吸 收性 ， 又 具 有 光 谱 分 辨 特 性 。 下 面 是 太 赫 兹 波 的 一 些 特 性 及 应 用 领 域 2： 穿 透 性 ， 太 赫 兹 辐 射 对 塑 料 、 布 料 、 电 介 质 等 材 料 ， 沙 尘 等 均 具 有 很 强 的 穿透 性 。 这 一 特 点 使 得 太 赫 兹 波 可 以 用 于 质 量 或 安 全 检 测 等 领 域 。 低 能 性 ， 与 X射 线 等 高 频 段 电 磁 波 相 比 ， 太 赫 兹 波 的 光 子 能 量 量 级 仅 为 毫 电子 伏 特 ， 为 X射 线 光 子 能 量 的 的 百 分 之 一 不 到 ， 对 大 部 分 的 生 物 细 胞 和 探 测体 都 不 会 造 成 伤 害 ， 应 用 太 赫 兹 技 术 制 造 的 医 疗 诊 断 设 备 可 以 大 大 降 低 电 磁 波 照 射 造 成 的 人 体 伤 害 ， 实 现 无 损 检 测 。 瞬 态 性 ， 与 微 波 频 段 相 比 ， 太 赫 兹 波 频 率 较 高 ， 太 赫 兹 激 光 器 的 脉 冲 为 皮 秒量 级 ， 能 够 达 到 很 高 的 时 间 分 辨 率 ， 可 以 用 于 生 物 样 本 等 对 时 间 分 辨 率 要 求较 高 的 成 像 检 测 和 医 学 研 究 中 。 “ 指 纹 ” 谱 ， 太 赫 兹 的 频 谱 很 宽 ， 能 够 覆 盖 蛋 白 质 和 毒 品 等 大 分 子 的 转 动 振 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 4/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 荡 频 率 ， 这 些 大 分 子 都 在 太 赫 兹 波 段 具 有 很 强 的 吸 收 和 谐 振 ， 构 成 了 相 应 的太 赫 兹 “ 指 纹 ” 谱 ， 可 以 用 于 实 现 分 子 级 别 的 物 质 检 测 与 鉴 别 。 宽 带 性 ， 太 赫 兹 频 段 的 频 谱 资 源 很 丰 富 ， 可 用 频 谱 带 宽 比 微 波 高 几 个 数 量 级 。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 避 免 地 球 辐 射 噪 声 的 影 响 ， 穿 透 通 信 黑 障 。 因 此 太 赫 兹 可应 用 于 空 间 通 信 和 无 线 宽 带 通 信 。太 赫 兹 波 的 上 述 特 性 使 其 在 检 测 、 生 物 医 学 、 军 事 探 测 与 保 密 通 信 ， 以 及 空间 卫 星 通 信 等 领 域 都 获 得 了 重 要 应 用 。 太 赫 兹 波 具 有 丰 富 的 频 段 资 源 可 供 利 用 ，使 其 可 用 于 超 宽 带 无 线 通 信 ， 并 且 成 为 B5G/6G的 重 要 潜 在 技 术 ， 下 面 将 探 讨 分 析 太 赫 兹 通 信 的 技 术 特 点 。2.2 超 大 带 宽 超 高 速 率 通 信 能 力现 阶 段 5G高 频 毫 米 波 支 持 的 最 大 工 作 带 宽 为 800MHz， 目 前 业 界 的 实 验 测 试下 行 峰 值 速 率 最 高 在 10Gbps左 右 。 超 高 通 信 速 率 的 实 现 离 不 开 超 大 工 作 带 宽 的支 持 ， 与 已 经 广 泛 应 用 的 微 波 频 段 通 信 相 比 ， 太 赫 兹 频 段 具 有 非 常 丰 富 的 频 率 资源 ， 可 利 用 的 工 作 带 宽 可 能 高 达 几 十 GHz。 目 前 国 内 外 已 实 现 的 太 赫 兹 通 信 原 型验 证 系 统 的 工 作 带 宽 一 般 都 大 于 2GHz， 远 远 大 于 现 阶 段 5G通 信 系 统 的 工 作 带 宽 。超 大 带 宽 资 源 的 利 用 使 得 太 赫 兹 通 信 系 统 可 以 支 持 超 高 的 通 信 速 率 ， 目 前 工 作 频 段 在 300GHz以 下 太 赫 兹 通 信 支 持 的 最 高 速 率 可 达 100Gbps， 预 计 未 来 B5G/6G应 用 时 太 赫 兹 通 信 速 率 可 能 达 到 太 比 特 量 级 ， 而 支 持 超 大 工 作 带 宽 和 超 高 通 信 速率 将 会 是 太 赫 兹 通 信 最 显 著 的 技 术 特 征 和 性 能 优 势 。2.3 高 传 播 损 耗太 赫 兹 频 段 的 频 率 比 毫 米 波 更 高 ， 依 据 电 磁 波 的 传 播 特 性 ， 这 个 频 段 的 传 播与 穿 透 损 耗 也 比 较 大 。 根 据 Frris自 由 空 间 损 耗 计 算 公 式 3， 如 下 式 所 示 ：RxdBiTxdBikmMHzFSdB/km GGdfL log20log2032.4 (2.1) 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 5/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 其 中 ， FSdB/kmL 表 示 路 径 损 耗 ， MHzf 表 示 电 磁 波 频 率 ， kmd 表 示 传 播 距 离 ， TxdBiG 表示 发 射 增 益 ， RxdBiG 表 示 接 收 增 益 。 根 据 式 (2.1)， 可 以 得 到 在 自 由 空 间 传 播 时 ，1THz 以 下 太 赫 兹 频 段 电 磁 波 相 对 于 26GHz 毫 米 波 频 段 的 粗 估 路 损 差 ， 如 图 2.2所 示 。 图 2.2 太 赫 兹 频 段 不 同 频 点 与 毫 米 波 26GHz频 点 自 由 空 间 传 播 路 损 差由 图 2.2 可 以 看 到 不 考 虑 水 分 子 和 氧 气 吸 收 带 的 情 况 下 ， 自 由 空 间 传 播 时1THz以 下 的 太 赫 兹 频 段 相 对 26GHz毫 米 波 的 路 径 损 耗 增 加 了 10-35dB。 因 此 在 发射 和 接 收 增 益 受 限 的 情 景 下 ， 太 赫 兹 频 段 的 通 信 系 统 覆 盖 距 离 会 大 大 缩 短 ， 并 且穿 透 和 绕 射 能 力 较 差 ， 所 以 更 适 合 用 于 室 内 短 距 高 速 通 信 ， 需 要 其 他 覆 盖 增 强 技术 ， 比 如 超 大 规 模 阵 列 天 线 技 术 来 满 足 室 外 远 距 离 覆 盖 要 求 。2.4 超 大 规 模 天 线 技 术大 规 模 天 线 阵 列 的 应 用 是 5G通 信 的 一 个 技 术 特 点 ， 尤 其 是 在 高 频 段 毫 米 波 的 应 用 带 来 了 覆 盖 和 容 量 增 强 、 用 户 分 集 等 众 多 应 用 优 势 。 由 于 太 赫 兹 频 段 的 路径 传 播 损 耗 相 比 于 毫 米 波 更 大 ， 未 来 太 赫 兹 通 信 系 统 也 极 有 可 能 采 用 超 大 规 模 天线 技 术 来 实 现 室 外 或 较 远 距 离 的 增 强 覆 盖 。 全 球 首 个 6G白 皮 书 预 估 ， 随 着 新 型材 料 和 工 艺 技 术 的 发 展 和 突 破 ， 未 来 B5G/6G应 用 时 ， 工 作 频 点 在 250GHz时 ， 4平 方 厘 米 的 面 积 可 能 安 装 超 过 1000 个 天 线 1， 太 赫 兹 通 信 系 统 未 来 有 望 实 现 超大 规 模 天 线 阵 列 。尽 管 目 前 的 太 赫 兹 天 线 技 术 尚 不 支 持 实 现 小 尺 寸 集 成 化 的 大 规 模 太 赫 兹 天线 阵 列 ， 但 可 以 预 见 的 是 ， 随 着 太 赫 兹 相 关 技 术 的 不 断 突 破 和 进 展 ， 未 来 6G 应用 阶 段 ， 太 赫 兹 天 线 技 术 有 望 支 持 大 规 模 阵 列 天 线 方 案 ， 用 以 实 现 太 赫 兹 通 信 增 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 6/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 强 覆 盖 。 超 大 规 模 天 线 技 术 的 应 用 除 了 增 强 通 信 覆 盖 距 离 外 ， 还 可 以 用 于 支 持 超窄 波 束 赋 形 ， 超 高 角 度 分 辨 率 和 超 高 定 位 精 度 性 能 ， 未 来 6G通 信 的 室 内 定 位 精度 可 能 达 到 厘 米 量 级 1。2.5 太 赫 兹 通 感 技 术 融 合随 着 波 长 变 短 和 可 用 带 宽 的 增 加 ， 融 合 了 太 赫 兹 通 信 、 高 精 度 定 位 ， 3D 成像 及 感 知 等 技 术 的 太 赫 兹 通 信 和 先 进 感 知 系 统 有 可 能 在 未 来 实 现 1， 成 为 未 来 通信 的 技 术 特 点 。 目 前 太 赫 兹 通 感 技 术 的 融 合 应 用 研 究 面 临 多 方 面 待 探 讨 问 题 ， 包括 应 用 场 景 ， 物 理 硬 件 的 整 体 设 计 ， 通 信 和 多 种 感 知 信 息 处 理 技 术 的 融 合 ， 通 感系 统 的 能 耗 问 题 等 等 ， 都 还 缺 少 成 型 的 技 术 路 线 和 方 案 。 有 研 究 者 认 为 ， 基 于 硬件 功 能 需 求 ， 超 高 速 率 、 低 成 本 的 通 信 和 感 知 系 统 应 该 在 “ 前 所 未 有 的 尺 度 上 进行 整 体 研 究 4” 。 未 来 “ 零 能 耗 ” 等 关 键 技 术 的 突 破 有 可 能 使 超 高 速 率 、 超 低 成本 的 太 赫 兹 通 感 技 术 融 合 成 为 未 来 通 信 的 技 术 特 点 。综 上 ， 太 赫 兹 通 信 可 支 持 超 大 带 宽 超 高 速 率 通 信 传 输 ， 但 太 赫 兹 通 信 频 段 的路 径 损 耗 较 大 ， 且 穿 透 和 绕 射 能 力 较 差 ， 易 被 建 筑 物 和 物 体 遮 挡 。 因 此 太 赫 兹 通信 具 有 大 带 宽 、 超 高 速 、 短 距 、 安 全 等 应 用 特 点 ， 可 用 于 超 宽 带 无 线 接 入 、 安 全保 密 通 信 等 应 用 场 景 ， 另 外 也 有 可 能 与 高 精 度 定 位 和 3D成 像 感 知 等 应 用 实 现 技术 融 合 ， 应 用 于 多 种 未 来 通 信 场 景 。 根 据 太 赫 兹 通 信 的 上 述 技 术 特 点 ， 下 节 将 讨论 未 来 太 赫 兹 通 信 适 用 的 一 些 通 信 场 景 。 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 7/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 3 太 赫 兹 通 信 应 用 场 景3.1 地 面 无 线 通 信3.1.1 点 对 点 无 线 通 信 无 线 回 传太 赫 兹 无 线 收 发 设 备 可 以 用 于 代 替 光 纤 或 电 缆 实 现 基 站 数 据 的 高 速 回 传 ， 节省 光 纤 部 署 成 本 ， 在 高 山 、 沙 漠 、 河 流 等 无 法 部 署 光 纤 的 区 域 应 用 太 赫 兹 无 线 链路 实 现 高 速 数 据 传 输 ， 作 为 光 纤 的 延 伸 。 目 前 国 内 外 已 有 的 太 赫 兹 原 型 通 信 系 统 已 具 备 数 据 无 线 传 输 能 力 ， 未 来 需 要 发 展 的 技 术 重 点 是 相 关 功 能 设 备 的 低 功 耗 、低 成 本 和 小 型 化 。 图 3.1 无 线 回 传 应 用 固 定 无 线 接 入 （ FWA） FWA（ Fixed Wireless Access, 固 定 无 线 接 入 ） 是 在 5G已 实 现 商 用 的 一 种通 信 场 景 ， 目 前 较 多 应 用 毫 米 波 技 术 实 现 。 由 于 太 赫 兹 通 信 可 以 支 持 的 带 宽 和 速率 会 远 远 大 于 毫 米 波 频 段 ， 未 来 可 应 用 于 FWA场 景 ， 用 于 满 足 6G通 信 能 力 需 求 。 图 3.2 固 定 无 线 接 入 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 8/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 无 线 数 据 中 心随 着 ICT技 术 的 不 断 发 展 ， 云 服 务 应 用 的 需 求 不 断 增 加 ， 对 数 据 中 心 的 应 用需 求 也 快 速 增 长 。 传 统 的 数 据 中 心 架 构 基 于 线 缆 连 接 ， 海 量 线 缆 的 空 间 占 用 和 维护 成 本 较 高 ， 对 于 数 据 中 心 的 散 热 成 本 和 服 务 器 性 能 都 有 一 定 影 响 5。 太 赫 兹 以其 超 高 通 信 速 率 特 点 ， 被 认 为 可 能 广 泛 应 用 于 无 线 数 据 中 心 ， 用 以 降 低 数 据 中 心空 间 成 本 、 线 缆 维 护 成 本 和 功 耗 ， 有 较 多 相 关 研 究 成 果 发 表 6-9。图 3.3 无 线 数 据 中 心 安 全 接 入 通 信太 赫 兹 通 信 路 损 高 ， 传 播 距 离 短 ， 指 向 性 好 的 特 点 ， 可 用 于 设 备 之 间 的 安 全 接 入 、 超 高 速 安 全 下 载 及 安 全 支 付 等 安 全 通 信 场 景 。 该 类 型 应 用 场 景 已 在 IEEEStd 802.15.3d-2017标 准 中 定 义 10， 技 术 标 准 化 成 熟 度 较 高 。图 3.4 安 全 支 付点 对 点 固 定 无 线 通 信 类 应 用 场 景 中 ， 太 赫 兹 通 信 收 发 设 备 无 需 使 用 阵 列 天 线 用 以 支 持 移 动 通 信 能 力 ， 且 除 光 纤 替 代 场 景 外 ， 多 为 室 内 短 距 通 信 ， 数 据 无 线 传输 功 能 已 基 本 具 备 ， 相 关 应 用 包 括 应 用 频 谱 、 太 赫 兹 传 播 特 性 和 信 道 模 型 等 相 关技 术 的 标 准 化 成 熟 度 也 相 对 较 高 ， 未 来 有 望 较 早 实 现 相 关 场 景 的 试 点 与 落 地 应用 。 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 9/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 3.1.2 无 线 移 动 通 信 热 点 地 区 超 宽 带 覆 盖随 着 无 线 通 信 技 术 的 发 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 。 无 线 局 域 网 /无 线 个 域 网随 着 无 线 通 信 技 术 的 发 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 成 本 特 点 的 太 赫 兹 设 备 可 考 虑 用 以 实 现 太 赫 兹 WLAN 10， 满 足 未 来 6G 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 10/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 通 信 业 务 的 需 求 。 图 3.6太 赫 兹 无 线 局 域 网 /无 线 个 域 网太 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 10， 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 避 免 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 60 70 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 11。 因 此 太 赫 兹 可 广 泛 应 用 于 空 间 通 信 场 景 ， 比 如 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 。 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 11/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 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 发 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 发 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 12-14， 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 13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 13 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 12/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 图 3.9 片 上 通 信 14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 成 本 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 安 全 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 部 分 。 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 13/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 4 太 赫 兹 通 信 关 键 技 术 及 挑 战4.1 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 多 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 发 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 中 国 联 通 太 赫 兹 通 信 技 术 白 皮 书 14/43 版 权 所 有 中 国 联 通 网 络 技 术 研 究 院 2020 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 发 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（ 锗 硅 ） 、 GaAs（ 砷化 镓 ） 、 GaN（ 氮 化 镓 ） 、 InP(磷 化 铟 )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 4.1 太 赫 兹 频 段 不 同 半 导 体 工 艺 特 点 11工 艺 CMOS SiGe GaAs GaN InP特 征 频 率 200GHz 200GHz 500GHz 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 成