6G太赫兹传输特性一、引言随着高清数字电视、超高清VR/AR等多媒体业务的日益 兴起，人们对高速数据传输的需求日益增长。为了实现更高 的数据速率，通信系统需要分配更宽的带宽，追求更高的频 谱效琴在带宽方面，100GHz以上的载波频率是未来无线局 域网最有希望的替代方案。太赫兹（THz）波段通常从300GHz到10THz。这一波段 的电磁波对陶瓷、纸张、木材、纺织品和塑料等介质材料可 以轻易穿透，但很难穿透金属和水。在外层空间，太赫兹波 可以无损耗的传输，用很小的功率就可实现远距离通信，因 此，太赫兹频段可以广泛应用于太空通信中。但在大气环境 下，高自由空间损耗以及大气效应弓I起的额外衰减是一个巨 大的挑战。在不同的天气条件下，如大气分子、雨滴或雾滴， 都可能导致太赫兹波段电磁波的高衰减或散射。然而在某些确定的太赫兹频段依旧可以产生较低的衰 减，因此可以在这些频率窗口范围内进行数据传输。通常这 些频率窗口被定义在300GHz1THz超过1THz的频段由于极 端的衰减不在无线通信建议的使用选项中。因此，6G太赫兹应用落地还面临一系列的问题与挑战。 运营商和各个行业已经开始从太赫兹器件和太赫兹光学应 用方面进行研究，但业界对太赫兹在无线链路的传播特性的 分析还比较少。本文分析了太赫兹在晴朗空气、雨天、雾天 等场景的链路损耗，并依据太赫兹链路传播特点提出6G太 赫兹应用场景建议。二、6G太赫兹在大气中传播特性分析大气和天气对无线电波传播的影响表现为衰减、相移和 到达角的变化，这种现象包括分子吸收（主要是由于水蒸气 和氧气）、散射和闪烁。在分子（气体）吸收方面，水蒸气 是大气中最基本的吸收成分，会导致太赫兹频段，尤其是 300GHz以上某些太赫兹波段衰减值较大。（一）晴朗天气太赫兹传播特性分析在晴朗的天气中太赫兹波的衰减取决于电磁波和分子 共振的频率差，当波的频率与共振频率重合时，衰减会达到 最大值。在557GHz和752GHz2种谐振频率下，均表现出较 高的衰减。分子共振弓I起的衰减可以达到很高的值，但也有 衰减小于等于100dB/km的频率窗，可根据以下3种衰减评 估模型：MPM模型、AM模型和ITU-RP.676-10模型计算不同 频段太赫兹波传输时的损耗。其中ITU-RP.676-10模型可以被引用在1THz以下的频率 模型中，在频率f点处损耗的计算公式如下：y = yj/)+ ?.(/)= 0.182 W7/) 其中N(f)为频率相关复折射率的虚部口Nf)=YSsFi +(2)nw 为压力诱导氮吸收引起的连续体q为频 谱线强度岸S _ Q X 10一5伊就p%( 1 - 0)氧气 一 如x 10L伊xpM(l -幻水蒸气这里是干燥空气的压力Y是水蒸气压力M是环境温度。系数可由文献得出己则由式(4)可得晴朗天气的损耗与路径距离d的 关系二L? d y(4)10dB per10 dB per 厂 k M史吁i JOilB pel J)15) 20030() 50() i 000J.) 627709 CHe 804-898 GlkIE1太祢兹波太气衰减iS(0.01 -10 THz)影响，出现分子共振效应，导致损耗急剧增大。因此在 设计太赫兹室外远距离传输系统时，应选择合适的频率窗口 进行传输，来获得较高的传输效率。表1展示了理论可用的太赫兹频率窗范围，包含94GHz、 120GHz、140GHz , 220GHz , 340GHz 等多个可用频点。在频 谱申请和应用方面，国际电信联盟ITU指定120GHz和220GHz 频段分别用于下一代地面无线通信和卫星间通信，世界无线 电通信大会WRC-2019将275450GHz频段定位为可用以陆 地移动通信的频段，美国、欧盟、日本等分别对0.12THz、0.24THz的无线通信系统进行了研究。考虑到国内外太赫兹 的技术成熟度和太赫兹波的高传输损耗特点，中国联通太赫 兹频谱申请和应用方面，建议采用0.12THz和0.24THz频段 作为太赫兹无线通信传输系统的主要频段。表1 TH卫频率窗范围参数【区n区in区V区V区VI区训区范围冷血24-5270-1181241503203303703874324K0-52()频宽/CHz184830130404540（二）雨天太赫兹传播特性分析在雨天环境中，空气中的雨滴球形散射会合太赫兹波带 来额外的衰减，雨衰的大小与雨滴的直径有关，因此雨滴大 小的分布是监测降雨以及预测雨衰的重要因素。在 ITU-RII.838-3雨衰模型中计算了信号的衰减随着降雨速率、 信号频率、偏振度等因素的变化函数，如式（5 ）所示：乂二虹“(5)式中：r降雨速率(miii/li)k和取自于频率函数(11 000 GHz)的参数由于雨滴的形状、大小与射频信号的波长相关，雨衰也 是一个关于信号偏振的函数，则雨衰与路径d的关系可表示 为：Lr = dyr(6)图2展示了不同频率电磁波的水平极化波在多种雨天环 境下的损耗，低于10GHz的雨衰可以忽略，10120GHz的雨 衰随着频率增加而递增，超过300GHz到900GHz雨衰会随着频率增加而递减，但仍维持一个较高 的损耗水平。由此可知，雨水吸收衰减将会使得太赫兹波应 用于室外无线通信时面临很大的挑战，是太赫兹器件设计和 网络规划时需解决的问题。I 1MH)图2不同频率电磁波在雨天的损耗（三）雾天太赫兹传播特性分析在大雾天气中，太赫兹波的衰减随着频率和雾的密度增 加而增加。图3展示了在15C条件下，不同频段电磁波穿 透300m范围的雾时（0.05g/m3）与穿透50m范围的雾时 （0.5g/m3）的链路损耗对比。由图3可知，对于400GHz以 上的频率，在50m范围内0.5g/m3的雾天环境下额外的衰减 为10dB/km，因此雾天环境也会影响太赫兹波的传输效率。1.4自由空间太赫兹传播特性分析在自由空间中采用经典的Friis公式描述太赫兹波的链路 损耗：= 324 4 20log/ + 201og - GTi - GJti (7)图4显示了参考距离为1km时，不同频段电磁波在晴朗 天气、多雨天气以及叠加自由空间损耗的晴天和雨天环境中 的链路损耗对比，所考虑的晴天和雨天2个场景分别代表最 佳和最差的环境条件。与预期一样，50mm/h的降雨速率会 导致最大的衰减值，因此，通常来说这将是未来太赫兹通信 系统运行的极限情况。I ()00Frt*jueiicy/(rHz图3不同频段电磁波在大雾天气的损耗Clar skyCLear hky+Lre 用，业:l h，洲 Rain( 5() tnni/li)-Rninf 50 nim/L)+free space4(X1600800 DOOFrutrpnryAi HzICT1 rMi(r2-。200图4不同频段在干净大气与雨天场景的损耗图三、太赫兹应用场景分析（一）太赫兹适用于室内场景由图4可以看出，由于受到水蒸气以及大气其他气体的 吸收，超过0.3THz的频段在大气中的损耗较高，1THz以下 有几个频率窗口的损耗在100dB/km之下，但是依旧保持较 高的损耗值。因此在不考虑收发两端高天线增益条件下，可 以认为太赫兹波不适合作为室外数据传输的载体，但是可以 将其应用在室内环境，一般室内无线场景只有10m的通信距 离或者更短，在10m的范围内比如0.3THz的信号衰减约为 0.1dB/m或者更小，这在室内环境是可以忽略的。借助太赫兹超大的可用带宽以及极高的传输速率，在室 内的环境下太赫兹可以作为替代WLAN的一种方案，比如用 于无线显示、家庭高清电视、从一个服务器的高速上传下载 大文件、回传链路或者点对点配置、校园或者礼堂部署、自 动化制造等室内场景，利用太赫兹系统将会促进超宽带视频 业务在室内移动、静止等场景中的应用。（二）太赫兹适用于室外场景考虑到太赫兹室外通信的主要问题是由水蒸气引起的 大气衰减以及目前较低的资源利用率和低发射功率，补偿损 失的一种方法是在链路两端使用极高的天线增益，即使用大 规模的天线阵列。此时，通常可以引入参数EIRP与Grx，该参数分别代表 输出功率和链路两端可用的天线增益。这样，任何平衡链路 损耗（自由空间路径损耗、大气等）的系统需求都可能来自 天线增益，而不是发射功率。在参考文献4 中，对EIRP+Grx参数进行了 3个值的 检验，分别是50dBm、100dBm和150dBm。同时，文章假设 环境温度为300K，接收机噪声为10dB。图5给出了晴空条 件下1km固定无线链路的最大数据速率。由于这是衰减方面 的最佳方案，因此参数EIRP+Grx的3种不同情况下显示的数 据速率为峰值速率。随着EIRP+Grx的增加，可以用于数据传 输的波段成倍扩宽。因此未来太赫兹产业链需要研究超高增 益的天线技术，小型化高功率射频前端、超高速信号处理技 术、波束捷变天线技术、新型高效MAC协议、新型网络技 术等来弥补超高的路损，提供Tbit/s的超高速率。四、太赫兹部署场景建议太赫兹波在自由空间以及雨天、空气中的链路损耗较大， 因此室外部署初期应充分考虑太赫兹短距离热点覆盖或用 于宽带无线接入。应用于热点覆盖时，可搭配5G低频以及 毫米波系统进行通信，并需要充分考虑恶劣天气如雨、雪、 雾对太赫兹频段的影响。太赫兹波同样适合室内部署，借助定向波束或丰富的反 射路径来实现家庭或办公区域的覆盖，替代WLAN进行高清 视频会议业务或高清电视业务。五、总结太赫兹波段的高自由空间损耗和大气衰减，可以通过使 用高增益天线和特定频率窗口的传输来解决，借助这种方法， 即使在恶劣的环境条件下，也有可能实现大容量的室外太赫 兹无线通信网络，然而现有太赫兹的硬件方面还面临一系列 挑战，比如功率放大器、处理器速度、天线和硬件技术。若基站和终端的天线增益受限，则需要考虑在室内部署 太赫兹通信系统来降低高自由空间损耗和大气衰减对通信质量带来的影响。对于较短的室内距离，由于降低了路径损 耗可以实现更高的效率以及多Tbit/s的容量。但太赫兹通信 还面临链路损耗、衍射损耗、设备封装技术不够成熟等挑战。EIKP+GlOOdBm一EtRPU； =50 dBm图5不同大赫兹频率下的峰值速率