太赫兹通信关键技术研究

西西 2022-10-09 2089

移动通信

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描述

前言：

6G是继5G之后未来的新一代移动通信技术，目前处于研究阶段。

6G技术将构建出一个空天地一体、智慧内生、安全内生、绿色低碳的网络，具有亚毫秒级的空口传输时延的极致性能，以及连接、计算、AI（人工智能）等综合能力的一体化服务。

各国在通信领域上相互赶超

无论是中国，美国，欧盟还是日韩，目前在通信领域领先的国家都在加大6G方面研发的投入。根据目前的研发目标，6G预计将实现5G十倍以上的通信速率，并且预计在2026年左右推出相关标准。

在相关应用方面，6G预计将继续5G的道路，将覆盖个人通信的同时，继续覆盖物联网和智能工业应用，包括超高速工厂内无线接入等。

为了支持更大的通信速率，根据香农定律，信道容量必须相应增加，通常而言这意味着需要增加通信带宽。

为了增加通信带宽，最直接的方法就是提升载波频率，而这也是太赫兹在6G领域得到特别关注的原因。

太赫兹通信关键技术研究

太赫兹通信由于提供了更为丰富的电磁频谱信息，作为未来无线通信的一个重要研究领域，是各国竞相占领的通信制高点之一。

太赫兹（THz）频段介于毫米波和红外光之间，由于其超大的通信带宽，被认为是实现Tbps级通信速率的重要技术备选方案。

同时，THz的高频点使其具有毫米甚至亚毫米级波长，可以在较小体积的手持或可穿戴设备中应用，实现包括高精度定位、高分辨率3D成像，以及物质材料的质谱分析等功能，与光学摄像头相比，THz可穿透部分遮挡物，实现非可视场景下的高精度成像和全天候感知，并且更易于隐私保护。

因此，太赫兹频段可应用于未来日常无创健康、食品安全检测、高精制造缺陷检测、环境污染监测，以及机器视觉辅助等众多生活、生产场景。这使得太赫兹成为未来通感一体的重要技术手段之一。

太赫兹通信芯片之射频芯片

太赫兹通信相关的芯片可以分为两大类，一个是射频芯片，而另一类是基带芯片。

就射频芯片而言，太赫兹首先需要能工作在高频段（太赫兹频段）而且带宽很大的电路。为了满足这个要求，目前用于长距离通信的太赫兹射频芯片主要还是使用III-V族半导体HEMT和HBT晶体管实现射频相关的工作。

III-V族半导体的工作频率高，工作带宽大，且输出功率较大，能满足太赫兹频段通信的主要需求。

介于目前太赫兹通信的第一步还是基站间通信，太赫兹实现的射频芯片将会成为未来几年内太赫兹长距离通信芯片的首选半导体技术。

太赫兹通信芯片之基带芯片

除了射频之外，太赫兹通信领域另一个非常重要的芯片将是基带芯片。在6G相关标准尚未确定的时候，目前对于基带的讨论主要在于如何产生高速信号的调制。

例如，如果6G需要在太赫兹频段实现超过100Gbps的传输，如何实现如此高速率的调制信号，以及对于射频电路的相关控制，例如线性化技术。

对于高速通信来说，如何提高数字信号处理的速度，以及如何提升超高速ADC/DAC等数模转换的性能将是主要课题。

太赫兹通信攻克难点

①核心器件的研发和集成化

核心器件能力不足，仍然是太赫兹通信和6G领域的最主要障碍。现有的大部分太赫兹频段的有源器件的辐射功率、宽带接收机灵敏度和小型化、功耗、调制器件的成熟度均难以达到实用的水平。

太赫兹波的光纤波导器件损耗大；适用于远程太赫兹通信的宇航级器件缺乏；数字信号处理器件AD/DA的实时处理能力不足；UTC-PD和RTD仍然局限于科研单位使用，无法面向产业应用；太赫兹频段Massive MIMO器件能力不行。

②太赫兹波的通信协议

100GHz以上通信频段的协议制定，目前主要集中于科研领域，并没有得到产业界的足够重视。国际电联（ITU）只是简单做了频谱划分，并没有更进一步的协议标准。

太赫兹频段的组网、与其他通信频段的数据交互（如不同微波段、太赫兹波与光通信、可见光通信等）均没有制定更加成熟的通信协议。这一部分将随着科研领域与产业方面更多的交流和技术转化而慢慢成熟。

③信道特性和智能化的RIS的系统级实现

室内信道和地面短距离通信的太赫兹信道数据有一定的积累，也有物理层安全性能的相关研究。但是，远程的太赫兹通信和星地的太赫兹通信信道数据缺乏，跟瞄系统尚处于起步阶段。

移动的信道研究数据比较缺乏；室内的智能反射表面的研究目前局限于算法领域，系统级实验的研究仍然很少。

④器件非线性效应、宽频谱色散和多径效应的算法抑制

应用于太赫兹通信系统的器件需要在大带宽下保持线性工作，除开对器件本身提出更高的要求，研究器件的非线性效应抑制、克服宽频带的色散和多径效应的算法和通信调制格式、编码方案也是太赫兹通信研究的一个重要领域。

④通感一体化的感知和通信的协同智能化

太赫兹频段丰富的频谱信息，既可以用来感知外部环境，或作为无损检测技术，又可以作为通信频段。

太赫兹频段的精确定位、测距、高分辨成像、光谱分析、高速通信等多方面功能的智能化协作和资源调度、软硬件共用是通感融合研究的重点[24,31,32]。

传统信息论的度量只局限于信息的传输，且一般是在电磁波远场条件下使用香农定律，也没有关注信息的感知和获取。

通感融合有望打破旧有理论体系，建立更加适应6G信息化时代的基础理论体系。

结尾：

在太赫兹电路未来还有较大的上升空间，包括集成更复杂的成像算法，集成更复杂的阵列系统等等。

成像技术将与6G通信一起成为太赫兹在未来最关键的应用，从而推进太赫兹芯片和系统的进一步发展。

太赫兹将成为毫米波之后另一个充满潜力的频段，相关的芯片技术和市场应用值得期待。

部分内容来源于：半导体行业观察：6G带来的芯片机会；产业链淘金：6G和毫米波芯片；中国光学：超越5G！更快！迈向6G的太赫兹芯片

编辑：黄飞

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