2021-01-05

6G关键技术系列（一）——太赫兹技术

翻译自三星6G白皮书

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在这一部分我们将介绍确保实现 6G 的关键性候选技术。虽然我们认为这些是 6G 中的 关键技术，但是我们在将来也会探索其他的技术，我们对不同技术重要性及实用性的看法将 在我们进行研究时自然改变。

令人感到鼓舞的是在2019年3月联邦通信委员会（FCC）面向实验使用和无证申请开放了95 GHz至3000 GHz的频谱，以鼓励开发新的无线通信技术。另外有关在52.6 GHz波段以外工作的5G新无线（NR）系统的实例和部署场景的讨论已经展开。按照这一趋势，移动通信不可避免会在未来的无线系统中使用太赫兹波段（如0.1-10 THz）。太赫兹波段包含了大量的可用带宽，这将实现几十GHz带宽的极宽信道。这可能为满足6G达到兆兆位每秒数据速率的要求提供一种解决方法。考虑到相关技术的进步，我们预测可能6G需要被设计成能使用高达3000 GHz频谱，如下图所示。

不同代移动通信技术的频谱使用

虽然带宽频谱的可用性是太赫兹通信的主要驱动因素，但也能实现其他的好处。例如太赫兹频段的通信可以提供高精度的定位服务，原因如下：1）太赫兹波段中的极宽带波形可以精确测量发射机和接收机之间的距离（可能具有不亚厘米级精度）。2）发射机和接收机之间很可能是视线传播（LoS），本文稍后将进一步详细讨论。在方位角和仰角上使用尖锐光束将大大提高3D位置估计里的角分辨率和三角测量精度。

然而为了在现实中年实现稳定的太赫兹通信，我们需要克服一些基本的技术挑战。接下来我们会主要从物理层面出发强调一些挑战。

太赫兹挑战

1. 严重的路径损耗和大气吸收：自由空间路径损耗和信号频率的平方成正比。例如，280 GHz的链接和28 GHz的链接相比就有20 dB的额外路径损耗。尽管如此，在太赫兹波段严重的路径损耗可以被克服，例如通过在基站中使用非常大的天线阵列，即超大规模天线技术。此外在太赫兹波段大气吸收（即分子在空气中的吸收）的影响通常比低频更加严重，因为水和氧气的吸收波线大多数处于太赫兹波段。为了在现实中设计高效的太赫兹通信系统，需要为室内外环境开发精确且易处理的太赫兹多径信道模型。
2. 射频前端，光子和数据的转换：太赫兹波段通常被称为太赫兹间隙，主要由于缺乏现有的有效器件来在这些频率中产生和检测有效信号。在这些波段中器件尺寸相对于波长明显较大，导致高功率损耗也就是低效率。积极的一面是，在过去十年间研究人员为开发芯片级太赫兹技术付出了巨大的努力。因此目前基于InP、GaAs、SiGe甚至CMOS的半导体技术能够在低太赫兹波段以可接受的效率在mW范围内产生功率。然而，高太赫兹波段的操作需要固态电子学有进一步的发展。
   尽管关于产生和改善太赫兹信号的输出功率的研究十分重要的，研究人员仍需要解决许多其他的挑战:1)在集成系统内将信号以低损耗传输到天线；2)集成系统的封装没有明显损失，并保持适当的热量消散；3)降低混频器相位噪声；4)低功耗每秒数千兆的采样模数转换器(ADC)和数模转换器(DACs)；5)低功耗数字输入/输出到数模转换器和模数转换器，来用Tbps数据速率以可接受的功耗传输数据。
3. 天线、透镜和波束成型架构：移动高达太赫兹波段频率意味着急剧增加的路径损耗。因此需要前所未有的大规模天线阵列来补偿路径损耗。设计这种在太赫兹频率下高效工作的阵列对反馈网络和支持GHz宽带宽的天线元件带来了很多挑战。此外使用超大规模天线技术会产生非常聚焦的光束，类似于激光束。因此这些频率上的通信链接会依赖于视线传播和聚焦反射路径，而不是散射和衍射路径。优化波束形成架构，以合理的成本和能耗提供高动力范围和高灵活性具有重要意义。新型天线技术将在下一节讨论。
4. 新的波形、信号、信道和协议：无线系统的有效运行高度依赖于适当的波形设计。虽然OFDM仍然是6G太赫兹系统的一个很强的候选波形，但还是有必要寻找替代波形来支持GHz宽的信道，降低峰值平均功率比，以及承受太赫兹硬件的限制。 此外，有必要对信号、信道和协议进行合适的设计，这对于太赫兹操作来说是有效且复杂度较低的。