馮偉 韋舒婷 曹俊誠(chéng)

1) (江蘇大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

2) (中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，中國(guó)科學(xué)院太赫茲固態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050)

6G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)在未來提供全球覆蓋、高頻譜效率、低成本、高安全性、更高智能水平的服務(wù)，為人類社會(huì)打造一個(gè)無(wú)處不在的智能移動(dòng)網(wǎng)絡(luò).太赫茲無(wú)線通信具有高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延時(shí)和抗干擾等特點(diǎn)，有望在6G 技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用.本文主要介紹了6G 技術(shù)的規(guī)劃愿景、發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)，分析了太赫茲器件、信道、通信系統(tǒng)以及6G 技術(shù)可能的發(fā)展趨勢(shì).

1 引言

在1G 到5G 移動(dòng)通信的發(fā)展過程中，1G 定義了語(yǔ)音，2G 實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通信的語(yǔ)音業(yè)務(wù)以及一些數(shù)字消息業(yè)務(wù)，3G 定義了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，但在4G 中才得到了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的最佳解決方案.如今5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開啟了移動(dòng)通信的新篇章，推動(dòng)智能家居、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能物聯(lián)和虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用的發(fā)展.5G 技術(shù)具有低功耗、低延時(shí)和高速率等優(yōu)點(diǎn).隨著智能終端的快速發(fā)展，無(wú)線數(shù)據(jù)流量急劇增加，預(yù)計(jì)到2030 年及以后5G 將不能完全滿足未來無(wú)線數(shù)據(jù)流量快速增長(zhǎng)的需求.對(duì)于5G 所遺留的問題，研究人員迫切希望通過6G 技術(shù)來解決，同時(shí)將人類社會(huì)重塑成一個(gè)無(wú)處不在的智能移動(dòng)社會(huì)，因此6G 技術(shù)正成為各國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)[1-3].與5G 相比，6G 被賦予了更多的性能(表1).6G 技術(shù)在5G 技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入探索，強(qiáng)調(diào)“隨時(shí)隨地隨心的智慧網(wǎng)絡(luò)”的理念，并且要利用“空-天-陸-?！比诤霞夹g(shù)實(shí)現(xiàn)全覆蓋，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性能，同時(shí)增強(qiáng)5G 的應(yīng)用場(chǎng)景，擴(kuò)充相關(guān)的前瞻性應(yīng)用.預(yù)計(jì)6G 無(wú)線通信技術(shù)在未來能提供更高的峰值數(shù)據(jù)速率、更高的用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)速率、更低的延時(shí)性、高移動(dòng)速率、高頻譜效率、高網(wǎng)絡(luò)能源效率、高連接密度，具有全球覆蓋范圍、高安全性、低成本效率等優(yōu)點(diǎn).

表1 5G 與6G 的性能對(duì)比[4，5]Table 1. Performance comparison between 5G and 6G[4，5].

為實(shí)現(xiàn)6G 無(wú)線通信技術(shù)，世界各國(guó)提出了各種技術(shù)方案，關(guān)鍵技術(shù)主要包括太赫茲(THz)技術(shù)、新型波束技術(shù)、多址接入技術(shù)、信道編碼技術(shù)、大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)及頻譜管理等.THz 波(0.1—10 THz)作為6G 技術(shù)候選頻段之一，橋接了紅外波段和微波波段，在通信過程中有著很重要的應(yīng)用前景.與紅外通信相比，THz 波能穿透煙霧和浮塵，對(duì)不同環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，不易受到天氣因素的影響，因此THz 通信更容易對(duì)光束進(jìn)行跟蹤和校準(zhǔn).THz 波還能穿透像木料、陶瓷、塑料、脂肪等非金屬和非極性器件，因此THz 通信不易受阻擋物干擾而中斷，適應(yīng)情境更廣.與X 射線相比，THz 波的能量較小，對(duì)人體不易造成傷害，故其安全性能更高.與毫米波段相比，THz 的方向性能比較好，未經(jīng)授權(quán)的用戶很難從較窄的THz波束中進(jìn)行竊聽，這保證了消息的機(jī)密性.另外，THz 通信還可以很好地利用擴(kuò)頻、跳頻技術(shù)來對(duì)抗干擾攻擊，提升攻擊者竊取信息的難度.THz 地面通信多適用于局域通信，具有高數(shù)據(jù)率和低延遲的特點(diǎn)，可應(yīng)用于近距離場(chǎng)景的高效信息傳輸.THz 通信可以實(shí)現(xiàn)幾百Gbit/s 到幾十個(gè)Tbit/s的高數(shù)據(jù)傳輸速率，可滿足人們對(duì)數(shù)據(jù)流量指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的需求.采用100 Gbit/s 的無(wú)線連接，一秒鐘內(nèi)就能下載大約25 GB 的藍(lán)光電影[6].而THz 遠(yuǎn)距離空間通信在未來發(fā)展中非常重要，各國(guó)都在發(fā)展空-天融合信息網(wǎng)絡(luò)，如衛(wèi)星集群網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星間骨干網(wǎng)絡(luò)和星對(duì)地網(wǎng)絡(luò).

2 6G 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2018 年9 月美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)公開發(fā)表6G 技術(shù)展望，其中提及實(shí)現(xiàn)6G 技術(shù)需要利用THz 頻段.2020 年9 月，美國(guó)國(guó)防部宣布資助由30 多所美國(guó)大學(xué)聯(lián)合成立的“太赫茲與感知融合技術(shù)研究中心”研發(fā)6G，同時(shí)美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)推出“星鏈”計(jì)劃(圖1)，旨在用衛(wèi)星作為基站，建立全球覆蓋的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，預(yù)計(jì)設(shè)想實(shí)現(xiàn)50 ms 以內(nèi)的低時(shí)延[7].美國(guó)希望通過THz技術(shù)加衛(wèi)星鏈接來實(shí)現(xiàn)6G 技術(shù)愿景.

圖1 (a) 420 顆衛(wèi)星的空間分布;(b)第一階段實(shí)現(xiàn)了1584顆衛(wèi)星星座，SpaceX 的“星鏈”計(jì)劃在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低成本互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)[7]Fig.1.(a) Spatial segment distribution of 420 satellites;(b) 1584 satellite constellations have been achieved in the first step，SpaceX’s“Starlink”plans to realize low-cost Internet connectivity services worldwide[7].

2019 年，英國(guó)電信集團(tuán)首席網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師在行業(yè)論壇中表示“5G+衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(通信、遙測(cè)、導(dǎo)航)=6G”，并希望在2025 年實(shí)現(xiàn)6G 商用，其中包括“納米天線”的廣泛部署，“無(wú)線光纖”技術(shù)實(shí)現(xiàn)超快寬帶等.

2020 年4 月8 日日本總務(wù)省發(fā)布目標(biāo):到2025年，完成6G 主要技術(shù)的研發(fā);到2027 年，開始6G 技術(shù)試驗(yàn);到2030 年，正式啟用6G 技術(shù).隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，生成的數(shù)據(jù)量持續(xù)增加，信息設(shè)備耗電量驚人，日本在著眼于6G 的同時(shí)還提出高節(jié)能的理念.日本電報(bào)電話公司(NTT)和索尼、英特爾在 6G 網(wǎng)絡(luò)研發(fā)上進(jìn)行合作研發(fā)光驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體芯片，如果研發(fā)成功并投入商用，那么充電一次可待機(jī)一年的智能手機(jī)也將進(jìn)入人們的視野.

2019 年1 月韓國(guó)LG 電子公司聯(lián)合韓國(guó)先進(jìn)技術(shù)研究所(KAIST)組建6G 研究中心，同年6 月文在寅在出訪歐洲各國(guó)時(shí)提出與各國(guó)首腦商討6G 領(lǐng)域的相關(guān)合作，并與芬蘭總統(tǒng)簽訂聯(lián)合開發(fā) 6G 的協(xié)議.2020 年7 月14 日韓國(guó)三星電子發(fā)布《下一代超連接體驗(yàn)》6G 白皮書，內(nèi)容包含了三星技術(shù)研發(fā)、社會(huì)趨勢(shì)、新服務(wù)需求、候選技術(shù)及預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間表.白皮書闡述了三星的6G 時(shí)代是要將下一代超連接體驗(yàn)帶入生活的每一個(gè)角落，并提到3 項(xiàng)關(guān)鍵的6G 服務(wù):沉浸式擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(XR)、全息圖和數(shù)字孿生(圖2).據(jù)三星電子預(yù)計(jì)，將在2028 年實(shí)現(xiàn)6G 早期商業(yè)化，在2030 年左右實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化.

圖2 4G 到6G 通信和計(jì)算融合的體系結(jié)構(gòu)的演化過程(轉(zhuǎn)自三星6G 白皮書6G -The Next Hyper Connected Experience for All)Fig.2.Architectural evolution for convergence of communications and computing from 4G to 6G (from 6G-The Next Hyper Connected Experience for All).

中國(guó)在5G 技術(shù)中處于第一梯隊(duì)，我國(guó)很早已開始布局 6G 研究.2018 年，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)就提出了有關(guān)6G 的愿景和要求，并啟動(dòng)研究6G的關(guān)鍵技術(shù).2019 年11 月3 日，科技部會(huì)同發(fā)改委、教育部、工業(yè)和信息化部、中科院、自然科學(xué)基金委在北京組織召開了6G 技術(shù)研發(fā)工作啟動(dòng)會(huì)，會(huì)議宣布成立國(guó)家6G 技術(shù)研發(fā)工作推進(jìn)組和總體專家組.2019 年，中國(guó)華為公司在加拿大渥太華成立了 6G 研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，開始研發(fā)6G 技術(shù)，并與5G技術(shù)齊頭并進(jìn).中興高級(jí)副總裁王翔在2020 年9 月5 日公開表示，中興科研團(tuán)隊(duì)已開始向6G 網(wǎng)絡(luò)的方向進(jìn)行研發(fā)，并攻關(guān)6G 方面的關(guān)鍵技術(shù).同時(shí)中國(guó)一些高校也展開了6G 研究，其中清華大學(xué)和中國(guó)移動(dòng)在2020 年5 月30 日表示將會(huì)共同開展面向6G 的未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等重點(diǎn)領(lǐng)域的研究.在2020 年11 月25 日舉辦的世界5G 大會(huì)上，清華大學(xué)崔保國(guó)教授表示，6G 試驗(yàn)由清華大學(xué)牛志升教授主導(dǎo)并于2020 年年底開展.

3 6G 技術(shù)愿景

3.1 全覆蓋:“空-天-陸-?！比诤霞夹g(shù)

由表1 可知5G 的服務(wù)區(qū)域覆蓋范圍有限，僅5G 地面通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地、無(wú)處不在的高質(zhì)量和高可靠服務(wù)，而6G 技術(shù)要實(shí)現(xiàn)的“空-天-陸-?！比诤霞夹g(shù)是將衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、地面通信網(wǎng)絡(luò)、海洋通信網(wǎng)絡(luò)等各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合，可為偏遠(yuǎn)地區(qū)、無(wú)人區(qū)、基站毀壞等地區(qū)的通信提供便利.無(wú)人機(jī)(UAV)作為新一代空中通信平臺(tái)，具有靈活性好、移動(dòng)性高等特性，是聯(lián)結(jié)地面和衛(wèi)星之間的中繼結(jié)構(gòu)，可以在低空方便衛(wèi)星訪問.基于時(shí)分多址接入(TDMA)的兩級(jí)中繼結(jié)構(gòu)，用戶可通過隨機(jī)訪問方案向無(wú)人機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)通過協(xié)調(diào)或非協(xié)調(diào)訪問方案轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給衛(wèi)星[8].同時(shí)，無(wú)人機(jī)可以提供大量的數(shù)據(jù)集，并及時(shí)提供災(zāi)害預(yù)警，幫助加快救援和恢復(fù)工作，但是目前無(wú)人機(jī)在民用中還面臨著像充電、避碰和群集、網(wǎng)絡(luò)和安全等方面的問題[9].

海洋占地球面積的70%，因此海洋通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“空-天-陸-?！比诤霞夹g(shù)的重要一環(huán).海上機(jī)器式通信(MTC)網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)促進(jìn)船舶之間或船舶與海岸之間的通信，以此來實(shí)現(xiàn)各種類型的海洋物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，如海事安全信息服務(wù)，該項(xiàng)服務(wù)可為船舶提供航行預(yù)警、氣象預(yù)報(bào)、水文狀況等信息.除此之外，像集裝箱跟蹤服務(wù)還可對(duì)貨船上的特定集裝箱進(jìn)行地理定位、遠(yuǎn)程監(jiān)控[10].但目前，5G 并沒有重視MTC 網(wǎng)絡(luò)，因此像海上服務(wù)的連通性、海上環(huán)境、服務(wù)需求和無(wú)線電頻譜等方面仍然面臨著許多問題.這些問題需要通過構(gòu)建MTC系統(tǒng)框架(圖3)，采用適應(yīng)不同海上服務(wù)和設(shè)備要求的無(wú)線電/空中接口以及國(guó)際認(rèn)可的無(wú)線電頻譜等方法來解決，以保障海事相關(guān)業(yè)務(wù)的現(xiàn)代化，同時(shí)傳遞更多的海事信息，尤其在惡劣的海洋環(huán)境下，仍可及時(shí)做出決策，并有效緩解海上活動(dòng)和作業(yè)偏遠(yuǎn)的通信問題，使航程更安全更高效[11].

圖3 太空-地球一體化的海上MTC 系統(tǒng)由衛(wèi)星-地面綜合的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和自組織網(wǎng)絡(luò)組合而成[11]Fig.3.Space-earth integrated maritime MTC system consisting of a satellite-terrestrial integrated network infrastructure and selforganized networks[11].

3.2 網(wǎng)絡(luò)安全

從1G 到5G 數(shù)據(jù)傳輸速率越來越快，但是由于底層網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性以及身份管理的缺陷，通信網(wǎng)絡(luò)安全一直以來都是需要重點(diǎn)攻克的問題.1G 網(wǎng)絡(luò)具有模擬通信的性質(zhì)，信息易受到非法攔截和克隆，很難提供有效的安全服務(wù).2G 網(wǎng)絡(luò)普遍存在虛假資訊傳播和有害廣播資訊營(yíng)銷.基于IP 通信的3G 網(wǎng)絡(luò)將互聯(lián)網(wǎng)安全漏洞轉(zhuǎn)移到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上.4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，更多的新設(shè)備和新業(yè)務(wù)依賴于IP通信，網(wǎng)絡(luò)安全的復(fù)雜程度和危險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)一步擴(kuò)大.到了5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的合并和新服務(wù)的涌入將進(jìn)一步加劇安全問題[12].網(wǎng)絡(luò)安全需要各種技術(shù)和管理措施的支撐，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運(yùn)行，從而確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可用性、完整性和保密性.隨著新的通信技術(shù)的開發(fā)，6G 網(wǎng)絡(luò)潛在的安全和隱私依然是一個(gè)值得深思的問題，比如可利用基于物理層的方法(PLS)提供無(wú)線信號(hào)的安全傳輸，但為了滿足6G 的要求，仍需要更高效的PLS 技術(shù).區(qū)塊鏈由散列指針彼此連接，用于記錄和存儲(chǔ)公共共享數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)資源整合和共享.研究表明，安全隱私區(qū)塊鏈(SPB)框架具有更強(qiáng)的匿名性，在一定程度上提供了隱私保護(hù)，減輕了計(jì)算、能量、帶寬資源的消耗，并且它還可在沒有調(diào)解器的情況下，仍在網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間建立多種信任關(guān)系，因此可能會(huì)在6G 網(wǎng)絡(luò)中嶄露頭角[13].

3.3 全應(yīng)用

6G 的應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)于5G 來說，將拓寬很多.除了增強(qiáng)5G 原有的應(yīng)用場(chǎng)景:增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)、海量機(jī)器類型通信(mMTC)、超可靠低延時(shí)通信(uRLLC)，還支持一些前瞻性的場(chǎng)景，如以人為本的服務(wù)、遠(yuǎn)距離與高機(jī)動(dòng)通信、通信計(jì)算控制定位和傳感融合、分布式人口融合應(yīng)用、遙控全息無(wú)人系統(tǒng)等.6G 還可以與多種新技術(shù)如云計(jì)算、邊緣計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)相結(jié)合，從而通過6G 實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地隨心的智能移動(dòng)社會(huì)，打造一切智能和群體智能的世界.

借助大數(shù)據(jù)平臺(tái)，基于下行鏈路和上行鏈路的測(cè)量，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能夠全局優(yōu)化資源分配和網(wǎng)絡(luò)操作，大數(shù)據(jù)分析有助于獲取應(yīng)用程序數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)[14].開發(fā)大數(shù)據(jù)可極大促進(jìn)系統(tǒng)智能化，且以高效經(jīng)濟(jì)的模式運(yùn)行.但是由于需要整合新的元素和技術(shù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)模的復(fù)雜性也不斷擴(kuò)大，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大而復(fù)雜.人工智能(AI)是管理大量數(shù)據(jù)的解決方案之一.AI 可以通過學(xué)習(xí)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來增強(qiáng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)刺激的響應(yīng)，比如AI 能及時(shí)地感知網(wǎng)絡(luò)流量、資源利用率、用戶需求和可能存在的威脅，并智能協(xié)調(diào)用戶設(shè)備(UE)、基站(BS)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)體[15]，還可以從原始數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，提出有洞察力的建議和預(yù)測(cè)，熟練地控制和優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò).如圖4 所示，全息波束形成與數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)等技術(shù)結(jié)合能被應(yīng)用到多種場(chǎng)景中，可動(dòng)態(tài)化地改變信息傳遞的方式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)備的接入，提供定向服務(wù)等.以上也說明AI 與ML 更適合于下一代的6G通信系統(tǒng)[16].

圖4 數(shù)據(jù)分析、ML 和AI 技術(shù)可用于模擬、數(shù)字和混合波束形成，圖中是利用全息波束形成可獲得的用例場(chǎng)景[16]Fig.4.Data analytics and ML，and AI techniques can be used for simulation，digital，and hybrid beamforming，holographic beamforming has been taken as action scenario in this figure[16].

4 6G 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 新型波束技術(shù)

大頻帶在5G 和6G 的發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景，但功率放大器(PA)的非線性特性限制了系統(tǒng)的設(shè)計(jì).在未來的5G 和6G 的演進(jìn)過程中，需要引進(jìn)新的波束設(shè)計(jì)，尤其是在高階調(diào)制不適用的情況下，非正交波形(NOW)可改善離散傅里葉變換擴(kuò)頻正交頻分復(fù)用(DFT-s-OFDM)的頻譜效率[17].在傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)中，高速移動(dòng)具有局限性，因此在6G 網(wǎng)絡(luò)中提高移動(dòng)性場(chǎng)景下的傳輸速率是十分必要的，正交時(shí)頻空間(OTFS)調(diào)制技術(shù)是一種綜合了碼分多址(CDMA)和正交頻分復(fù)用(OFDM)性能的新型調(diào)制方案.研究發(fā)現(xiàn)該調(diào)制技術(shù)在高多普勒信道、大天線陣列或在高頻率的信道中，每個(gè)傳輸符號(hào)都能獲得接近恒定的信道增益，且在延遲-多普勒信道范圍內(nèi)，OTFS 顯示出明顯低于OFDM 的錯(cuò)誤率[18].

4.2 多址接入技術(shù)

6G 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)需要足夠的頻譜資源，為海量物聯(lián)網(wǎng)終端提供頻譜接入.然而，傳統(tǒng)的正交多路訪問(OMA)限制了有限頻譜資源的充分利用.在后5G 和6G 的營(yíng)運(yùn)中，采用大相控陣波束將毫米波(mm Wave)與非正交多址接入(NOMA)相結(jié)合[19].NOMA 通?？梢栽谏闲墟溌泛拖滦墟溌飞贤瑫r(shí)為多個(gè)用戶提供服務(wù)，大大提高了頻譜利用率，同時(shí)NOMA 還能夠提供最優(yōu)的吞吐量，可支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)中海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行[20].

4.3 信道編碼

5G 采用了極性碼作為控制信道編碼的方式，在未來的6G 系統(tǒng)中，極化編碼傳輸?shù)募夹g(shù)仍可能憑借其高可靠性、高頻譜效率等優(yōu)勢(shì)而擁有廣闊的應(yīng)用前景[21].極性碼的代碼構(gòu)造涉及特定的信道特性，直接影響到譯碼算法的性能和復(fù)雜性[4]，例如極性碼在衰落信道中性能較差，而通過使用動(dòng)態(tài)凍結(jié)符號(hào)獲得的代碼可提供0.8 dB 的增益[22].在5G 移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)通道目前采用分組碼-低密度奇偶校驗(yàn)碼(BC-LDPC)，但這種方案譯碼收斂速度慢，譯碼復(fù)雜度高，譯碼延遲長(zhǎng)，編碼長(zhǎng)度短，碼率低，在未來的6G 通信場(chǎng)景中可能并不適用.而卷積碼LDPC (CC-LDPC)在這些方面則具有明顯優(yōu)勢(shì)，在未來6G 移動(dòng)通信中適應(yīng)度高[23].

4.4 大規(guī)模MIMO 技術(shù)

大規(guī)模MIMO 技術(shù)是發(fā)展未來寬帶網(wǎng)絡(luò)的推動(dòng)力，該網(wǎng)絡(luò)將具有節(jié)能、高安全性、低延時(shí)、高效利用頻譜能量的特點(diǎn).且隨著發(fā)射端和接收端天線數(shù)目的增加和信噪比的增加，MIMO 系統(tǒng)在通信中的容量可顯著提高[24].同時(shí)由于大規(guī)模MIMO中使用了空間多路復(fù)用技術(shù)，可將系統(tǒng)容量提高10 倍以上.研究表明在THz 頻段下，由于石墨烯的等離子體納米天線陣列技術(shù)的發(fā)展，僅占用1 mm2的陣列就能實(shí)現(xiàn)1 THz 的1024 × 1024 超大規(guī)模的 MIMO 系統(tǒng)[25].目前，在通信系統(tǒng)更迭的大背景下，無(wú)蜂窩大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)在吞吐量方面，顯著優(yōu)于小蜂窩系統(tǒng)，無(wú)蜂窩的大規(guī)模MIMO的每個(gè)用戶95%的可能吞吐量幾乎是小蜂窩系統(tǒng)的20 倍[26].2019 年，相關(guān)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在128 × 128配置的無(wú)蜂窩大規(guī)模 MIMO 下，當(dāng)激活12 個(gè)遠(yuǎn)程天線單元(RAUs)和12 個(gè)用戶時(shí)，系統(tǒng)總吞吐量可達(dá)到10.185 Gbit/s.當(dāng)進(jìn)一步增加RAUs 和用戶的布局密度時(shí)，系統(tǒng)的整體頻譜效率可以更高[27].

4.5 頻譜應(yīng)用

5G 旨在為任何類型的設(shè)備和應(yīng)用程序提供無(wú)處不在的連接.為滿足高吞吐量的需求，5G 無(wú)線通信除利用6 GHz 以下的頻段外還需使用更高的頻帶如毫米波頻段.在2018—2020 年，美國(guó)FCC先后完成 28，24，37，39，47 GHz 頻段的頻譜拍賣，向市場(chǎng)投放了總帶寬近5 GHz 的5G 頻譜[28].5G技術(shù)的發(fā)展過程中均采用相控陣波束和大規(guī)模MIMO 技術(shù)來提高通信容量和補(bǔ)償嚴(yán)重的路徑損耗，但存在制造成本高、功耗高等問題[29].

為了進(jìn)一步擴(kuò)大通信容量和提高數(shù)據(jù)傳輸速率，6G 將擴(kuò)大用于移動(dòng)通信的頻率范圍.在2019 年3 月，F(xiàn)CC 決定開放95 GHz—3 THz 的頻段作為6G 試驗(yàn)頻段，目前研究人員實(shí)現(xiàn)的近百Gbit/s 傳輸速率的太赫茲通信系統(tǒng)多集中于300—500 GHz的頻段范圍內(nèi).

另外，可見光通信是一種頻段范圍在400—800 THz 的高速通信技術(shù)，該頻譜無(wú)須授權(quán)，運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商可自由應(yīng)用.可見光通信是以實(shí)現(xiàn)機(jī)機(jī)交互為目的，可為天空衛(wèi)星通信、地面車間通信及水下潛艇通信提供便利，并具有綠色、節(jié)能的特點(diǎn)，也是未來實(shí)現(xiàn)6G 技術(shù)的關(guān)鍵頻譜資源之一[30].2019 年研究人員通過1.6 m 的無(wú)線鏈路實(shí)現(xiàn)了15.73 Gb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率[31].

4.6 頻譜管理

5G 時(shí)代，監(jiān)管機(jī)構(gòu)引入了多種頻譜管理方法，允許部署新的蜂窩網(wǎng)絡(luò).而對(duì)于即將到來的6G，頻譜頻帶種類多樣且傳播特性不同，因此頻譜管理方法也越來越多樣化.6G 既要追求新頻段但同時(shí)也要保護(hù)現(xiàn)有頻譜用戶，6G 共享頻譜的需求比以往任何時(shí)候都要高.通過將6G 與傳感和通信相融合，通過人工智能啟發(fā)的算法在頻譜訪問決策方面的進(jìn)步，將能讓6G 網(wǎng)絡(luò)感知無(wú)線電環(huán)境并實(shí)時(shí)適應(yīng)更動(dòng)態(tài)的操作[32].圖5 是由智能頻譜感知模塊、大數(shù)據(jù)分析模塊和AI 智能管控模塊組合而成的智能頻譜管理系統(tǒng)架構(gòu)圖[33].

圖5 智能頻譜管理體系構(gòu)架[33]Fig.5.Management system architecture of intelligent frequency spectrum[33].

5 6G 技術(shù)趨勢(shì)與太赫茲通信

5.1 6G 技術(shù)趨勢(shì)

6G 無(wú)線通信技術(shù)希望獲得比5G 高10—100倍的數(shù)據(jù)傳輸速率，其中提高無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵途徑有兩種:一種是通過提高頻譜效率，另一種是利用較大的頻率帶寬或頻譜資源.THz 頻段因其具有豐富帶寬資源、較強(qiáng)的感知能力及擁有Tbit/s 數(shù)據(jù)傳輸率的優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視.研究人員投入大量的精力來開發(fā)高性能、低成本的設(shè)備和包裝技術(shù)，使THz 頻段在商業(yè)上，尤其在6G 中被利用.對(duì)于即將到來的6G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，THz波段通信將緩解目前無(wú)線系統(tǒng)的頻譜短缺和容量限制，并使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域和新型納米級(jí)通信范式的新應(yīng)用成為可能，并有望支持6G 中各種前瞻性應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)局域到廣域的轉(zhuǎn)變.根據(jù)Shannon 的理想通信定律可知:

式中，C是信道數(shù)據(jù)的傳輸容量，B是帶寬，S/N是信噪比.當(dāng)信噪比在合理的情況下，如果需要達(dá)到1 Tb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，帶寬最小要為0.2 THz[34].Shannon 的理想通信定律說明實(shí)現(xiàn)6G 技術(shù)需要用到THz 通信，而THz 通信技術(shù)兼具了微波和光通信的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足移動(dòng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)流量需求.

5.2 太赫茲信道研究

THz 波段同毫米波段相比表現(xiàn)出更嚴(yán)重的路徑損耗、大氣吸收和漫散射，如今大多數(shù)THz 信道測(cè)量都在100—300 GHz 波段附近，而300 GHz 以上的信道特性仍需在未來進(jìn)行廣泛探測(cè).目前研究人員對(duì)THz 信道測(cè)量場(chǎng)景多集中在室內(nèi)，對(duì)于室外的信道測(cè)量比較少.2020 年加州大學(xué)使用頻域信道發(fā)聲器和額定增益為21 dBi、波束寬度為13°的喇叭天線，對(duì)140—220 GHz 視距(LOS)室內(nèi)辦公場(chǎng)景的信道進(jìn)行測(cè)量，并用0.5 m 到5.5 m 之間的11 個(gè)測(cè)量點(diǎn)來表征這些LOS 通道[35].圖6 顯示了在不同頻帶中路徑損耗與距離的關(guān)系，可知路徑損耗隨距離增加而增加[35].除了LOS 傳輸，室內(nèi)場(chǎng)景還必然會(huì)涉及非視距(NLOS)場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)傳輸問題.2019 年，芬蘭盧奧大學(xué)利用高增益天線研究了300 GHz 頻段的LOS 和NLOS 多徑傳輸下的路徑損耗，并發(fā)現(xiàn)如果LOS 路徑為主通信信道，NLOS 路徑與LOS 路徑相比非常弱，可被忽略[36].如果NLOS 路徑是主通信信道，當(dāng)材料折射率在1.5—2.9 之間隨機(jī)變化時(shí)，那么平均NLOS路徑比先前測(cè)得的LOS 路徑多了15 dB 的反射損失[36].這說明NLOS 路徑損耗指數(shù)主要取決于材料對(duì)主通信信道的反射損耗.四川大學(xué)早在2014 年就通過改變?nèi)肷浣菧y(cè)量了不同裝修材料在340 GHz下的反射特性，發(fā)現(xiàn)瓷磚、中/高密度纖維板等材料，反射能量主要集中在鏡面方向，非鏡面方向的反射能量與鏡面方向相比至少有40 dB 的衰減，且無(wú)論入射角為多大，在非鏡面反射方向都會(huì)出現(xiàn)大幅度衰減[37].為了解決室內(nèi)通信信道衰減的問題，電子科技大學(xué)陳智課題組[38]對(duì)智能反射表面(IRS)投入了大量的研究，并在2020 年提出了一種適用于6G 室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景的智能反射表面輔助THz MIMO 通信系統(tǒng)(圖7)，IRS 方案可提高終端設(shè)備通信速率和覆蓋能力，用以解決室內(nèi)THz通信系統(tǒng)中THz 波覆蓋能力差、路徑損耗大的問題.此外，研究人員發(fā)現(xiàn)隨IRS 元件個(gè)數(shù)的增加，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)算法要比窮舉搜索法和局部搜索法的復(fù)雜度低3 到6 個(gè)數(shù)量級(jí)，這也表明DNN能降低計(jì)算復(fù)雜度并用于變化的信道條件中[38].

圖6 各種頻帶的測(cè)量和路徑損耗模型[35] (a) 140-150 GHz 頻帶;(b) 180-190 GHz 頻帶;(c) 210-215 GHz 頻帶Fig.6.Measurement and path loss models for various frequency bands[35]:(a) 140-150 GHz band;(b) 180-190 GHz band;(c) 210-215 GHz band.

圖7 IRS 輔助的THz MIMO 通信系統(tǒng)[38]Fig.7.IRS-assisted THz MIMO communication system[38].

總的來說對(duì)于開放環(huán)境的室外測(cè)量，LOS 路徑更占優(yōu)勢(shì).但在2018 年，布朗大學(xué)利用ASK (幅移控鍵)調(diào)制且數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Gbit/s 的載波對(duì)開放環(huán)境下的THz 室外信道進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)NL OS 路徑仍會(huì)干擾LOS 鏈路導(dǎo)致誤碼率(BER)性能變差，他們將該裝置分別放在草坪上和水泥地面上，其誤碼率與距離的關(guān)系如圖8 所示.當(dāng)?shù)孛媸枪腆w混凝土表面時(shí)，NLOS 路徑干擾對(duì)BER 影響更大，而由于草表面對(duì)THz 波的吸收要高些，所以對(duì)BER 的影響較小，這就導(dǎo)致了LOS 路徑受到與地面反射相關(guān)的鏡面NLOS 路徑的干擾，而這種干擾信號(hào)對(duì)地面特性比較敏感[39].

圖8 (a)草坪和(b)人行道上的鏈路距離與誤碼率性能的關(guān)系，100 (黑色)、200 (藍(lán)色)、300 (紅色)和400 (綠色) GHz載波頻率.插圖為路徑損耗的平方根與距離和頻率的乘積呈線性關(guān)系[39]Fig.8.The BER performance relevant to link distance on(a) lawn and (b) sidewalk，for 100 (black)，200 (blue)，300(red)，and 400 (green) GHz carrier frequencies.Inset:square root of path loss scales linearly with the product of the distance and the frequency[39].

5.3 太赫茲通信技術(shù)與發(fā)展

THz 波段由于數(shù)據(jù)傳輸速率高，能適應(yīng)指數(shù)增長(zhǎng)的無(wú)線數(shù)據(jù)流量需求，因此被認(rèn)為是未來6G 技術(shù)的重要頻段之一.THz 通信系統(tǒng)大致可以分為基于全電子學(xué)技術(shù)的THz 通信系統(tǒng)和基于光子學(xué)技術(shù)的THz 通信系統(tǒng).

基于全電子學(xué)技術(shù)的THz 通信系統(tǒng)因其小型化和易集成的特點(diǎn)在近幾年來備受關(guān)注.日本國(guó)家信息通信研究所(NICT)與NTT 于2016 年利用磷化銦-微波單片集成電路(InP-MMIC)全電子收發(fā)機(jī)，研制了用于KIOSK 即時(shí)數(shù)據(jù)下載應(yīng)用的無(wú)線通信系統(tǒng)，其收發(fā)機(jī)兩端分別用30 dBi 和15 dBi 喇叭天線傳輸信息，實(shí)現(xiàn)了在300 GHz 頻段內(nèi)20 Gpbs 的無(wú)線ASK 數(shù)據(jù)傳輸，BER 隨通信鏈路的距離變化如圖9(a)所示[40].與此同時(shí)，日本的廣島大學(xué)致力于在300 GHz 左右的頻段上通過使用CMOS 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)THz 通信.2017 年Takano等[41]利用40 nm CMOS 技術(shù)和32 QAM 的調(diào)制格式，實(shí)現(xiàn)了最高單通道數(shù)據(jù)速率為105 Gbit/s的發(fā)射機(jī)(Tx) (圖9(b))，并將它集成在2.76 mm×1.88 mm 的硅片上.同年他們使用非線性器件MOS FET，同樣采用40 nm CMOS 的制作工藝實(shí)現(xiàn)了由下變頻混頻器和本振(LO) 6 倍頻鏈組成的接收機(jī)(Rx)，該接收機(jī)可傳輸無(wú)線傳輸速率為32 Gbit/s的16 QAM (正交振幅調(diào)制)調(diào)制信號(hào)且其3 dB帶寬為26.5 GHz[42].2013 年，德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所研制了工作頻段在600 GHz 以上的THz 單片集成電路(TMIC)，該芯片采用了35 nm In0.80Ga0.20As/In0.52Al0.48As 高電子遷移率晶體管(HEMT)制作工藝，并且測(cè)量出w 波段(75—110 GHz)經(jīng)6 倍頻器后，可以實(shí)現(xiàn)在580—625 GHz 頻段內(nèi)—16 dBm 的平均輸出功率[43].基于此項(xiàng)芯片制作技術(shù)，2015 年德國(guó)斯圖加特大學(xué)在發(fā)射和接收射頻前端使用完整的MMIC 芯片集進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在300 GHz 的載波頻率上可傳輸高達(dá)64 Gbit/s 的QSPK (正交相移控鍵)數(shù)據(jù)速率[44].在國(guó)內(nèi)，電子科技大學(xué)在2016 年提出了基于肖特基二極管收發(fā)器的無(wú)線通信系統(tǒng)，在220 GHz 頻段上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率為3.52 Gbit/s，傳輸距離為200 m 的實(shí)時(shí)戶外傳輸[45].2020 年該團(tuán)隊(duì)又基于220 GHz 固態(tài)收發(fā)器的雙載波無(wú)線通信系統(tǒng)(圖10)實(shí)現(xiàn)了20 m 實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸，數(shù)據(jù)速率達(dá)到12.8 Gbit/s[46].該系統(tǒng)的基帶數(shù)據(jù)處理平臺(tái)是通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)射頻(RF)通道傳輸.為了達(dá)到高速數(shù)據(jù)處理的目的，在幀同步算法后將數(shù)據(jù)分別劃分為8 個(gè)通道，以此減輕數(shù)據(jù)處理的壓力，且 Tx 和Rx 上使用50 dBi 卡塞格倫天線，該天線具有高增益和窄波束的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn).最后研究人員通過開關(guān)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)多路8 K 視頻并行傳輸[46].2017 年，中國(guó)工程物理研究院將固態(tài)功率放大器和真空電子放大器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，開發(fā)了一種0.14 THz 無(wú)線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)近瓦級(jí)的輸出功率，可在21 km 距離以5 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù).這證明了0.14 THz 波段對(duì)重霾具有良好的穿透性，并測(cè)量出重霾引起的衰減約0.1 dB/km[47].

圖9 (a)測(cè)量的BER 性能與各種鏈路距離的關(guān)系及眼圖，由于信噪比的限制，在60 cm 處記錄了最小誤碼率，然后逐漸增加[40];(b)廣島大學(xué)研發(fā)的最高單通道數(shù)據(jù)速率為105 Gbit/s 的Tx 的顯微圖像[41]Fig.9.(a) Measurements of bit error rate performance for various link distance and eye-diagrams，and the minimum BER was recorded at 60 cm then increased gradually，due to the SNR limitation[40];(b) microimages of Tx with the highest single-channel 105 Gbit/s data rate developed by Hiroshima University[41].

圖10 220 GHz 雙載波通信系統(tǒng)的原理圖，該系統(tǒng)由一組固態(tài)收發(fā)器組成，具有2 個(gè)信號(hào)載波和2 個(gè)基帶[46]Fig.10.Schematic of the 220 GHz dual-carrier communication system consisting of a set of solid-state transceivers with two signal carriers and two basebands[46].

與全電子通信技術(shù)相比，光子學(xué)技術(shù)可提供更高的傳輸容量，能在未來以THz 頻率工作的無(wú)線通信系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用.1997 年日本NTT 公司推出的單行載流子光電探測(cè)器(UTC-PD)，憑借其高輸出功率和高帶寬的性能作為THz 無(wú)線通信鏈路的發(fā)射機(jī)，而接收機(jī)則以肖特基二極管混頻器和MMIC 為主.2012 年，NTT 公司的Song 等[48]利用UTC-PD 和肖特基二極管混頻器收發(fā)系統(tǒng)，在300 GHz 頻段上實(shí)現(xiàn)了24 Gbit/s ASK 信號(hào)的無(wú)誤差傳輸且傳輸距離為50 cm.2013 年，大阪大學(xué)與NTT 聯(lián)合，在不使用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的情況下利用多電平調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)速率超過100 Gbit/s 的實(shí)時(shí)傳輸，并對(duì)基于光頻梳發(fā)射機(jī)后的光路進(jìn)行相位穩(wěn)定，從而在100 GHz 的載波頻率下實(shí)現(xiàn)10.3 Gbit/s 的無(wú)錯(cuò)誤傳輸，以此說明相位穩(wěn)定的重要性[49].同年，德國(guó)卡爾斯魯厄技術(shù)研究所將UTC-PD 作為發(fā)射機(jī)，MMIC 作為接收機(jī)，通過選擇一條光頻梳發(fā)生器產(chǎn)生的光頻并進(jìn)行16 QAM 調(diào)制后，與本振(LO)光混頻，實(shí)現(xiàn)了100 Gbit/s 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[50].他們還對(duì)三條間隔為12.5 GHz 的光頻分別進(jìn)行了16 QAM 和8 QAM調(diào)制，發(fā)現(xiàn)雖然同樣也能實(shí)現(xiàn)100 Gbit/s 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，但是在20 m 的無(wú)線傳輸距離處，前者的誤碼率更低[50].2018 年，大阪大學(xué)工程科學(xué)研究院研制了由UTC-PD 和次諧波混頻器作為收發(fā)機(jī)的無(wú)線通信系統(tǒng)[51]，在670 GHz 頻段上實(shí)現(xiàn)了超過10 Gbit/s 的無(wú)誤差傳輸.其中UTC-PD 采用WR-1.5 矩形金屬波導(dǎo)進(jìn)行封裝，通過耦合器電路上的微帶線，產(chǎn)生的THz 波在400—850 GHz 的寬頻率范圍內(nèi)能有效地耦合到空心波導(dǎo)(圖11(a)).研究人員測(cè)量了直流偏置電壓VB為—0.8 V、光電流IPD為0.6 mA 和0.9 mA 時(shí)，輸出功率與頻率的關(guān)系(圖11(b)).研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率在500 GHz時(shí)，輸出功率最大，且當(dāng)IPD=9 mA 時(shí)，輸出功率幾乎高達(dá)13 μW.

圖11 (a)矩形波導(dǎo)輸出的光電二極管的俯視圖和側(cè)視圖，對(duì)于600 GHz 波段波導(dǎo)(WR-1.5)，內(nèi)部波導(dǎo)尺寸為L(zhǎng)=0.381 mm，W=0.191 mm;(b)直流偏置電壓VB 為—0.8 V，光電流IPD 為6 mA 和9 mA 時(shí)輸出功率與頻率關(guān)系[51]Fig.11.(a) Top view and side view of a photodiode with a rectangular waveguide output.In a 600-GHz-band waveguide (WR-1.5)，interior waveguide sizes are L=0.381 mm，and W=0.191 mm;(b) output power and frequency relationship when VB is —0.8 V，IPD is 6 mA and 9 mA[51].

近幾年國(guó)內(nèi)光子學(xué)技術(shù)的研究和發(fā)展也頗為豐富.2016 年浙江大學(xué)、天津大學(xué)和丹麥技術(shù)大學(xué)聯(lián)合在300—500 GHz 頻段內(nèi)利用頻分復(fù)用技術(shù)調(diào)制8 個(gè)間隔為25 GHz 子信道的THz 無(wú)線鏈路，系統(tǒng)將8 個(gè)光頻和由同一光頻梳產(chǎn)生的單個(gè)本振光在UTC-PD 進(jìn)行光混頻，得到了高頻率穩(wěn)定、低相位噪聲的THz 載波，該系統(tǒng)中8 個(gè)通道都由10 Gbaud Nyquist QPSK 進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制，傳輸數(shù)據(jù)速率高達(dá)160 Gbit/s 且其通信傳輸距離為50 cm，圖12(a)顯示了50 cm 無(wú)線傳輸后8 個(gè)子信道測(cè)量得到的誤碼率，所有子信道都獲得了低于前向糾錯(cuò)(FEC)的誤碼率性能[52].在此基礎(chǔ)上，他們又提出了一種在350—475 GHz 頻段的多信道THz 無(wú)線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用6 個(gè)載波頻分復(fù)用，總?cè)萘靠蛇_(dá)120 Gbit/s，無(wú)線傳輸后，每個(gè)信道中的QPSK 信號(hào)的誤碼率低于硬判決前向糾錯(cuò)(HDFEC)限制閾值3.8×10—3[53].雖然基于空間/頻分復(fù)用技術(shù)演示的無(wú)線通信系統(tǒng)可以獲得大于100 Gbit/s 的高數(shù)據(jù)傳輸速率，但這也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性和能耗增加.為解決這一問題，2018 年，浙江大學(xué)與英國(guó)皇家理工學(xué)院信息通信技術(shù)學(xué)院等多所大學(xué)合作研制了不使用任何空間/頻分復(fù)用技術(shù)的單通道0.4 THz 光子無(wú)線鏈路，該系統(tǒng)采用16 QAM 調(diào)制和DSP 技術(shù)，該技術(shù)在發(fā)射機(jī)端對(duì)加載到任意波形發(fā)生器(AWG)之前的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并對(duì)在接收機(jī)端執(zhí)行的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)和解調(diào)的后處理，實(shí)現(xiàn)了106 Gbit/s 的高吞吐量[54].為了進(jìn)一步提高頻譜效率和增加系統(tǒng)容量，2020 年他們又提出基于THz 正交極化雙天線方案，在320—380 GHz 波段進(jìn)行了混合THz 光子無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)演示[55]，通過概率整形技術(shù)-64QAM-正交頻分復(fù)用技術(shù)(PS-64QAM-OFDM)調(diào)制格式，成功地實(shí)現(xiàn)了612.65 Gbit/s (約2 × 300 Gbit/s)的潛在系統(tǒng)總吞吐量，且其傳輸距離為2.8 m，當(dāng)光功率在12—13 dBm 時(shí)，雙通道的誤碼率值都低于0.03 (圖12(b)).2018 年德國(guó)卡爾斯魯厄技術(shù)研究所在0.3 THz 載波頻率上試驗(yàn)了在110 m 的距離內(nèi)可傳輸100 Gbit/s 的QPSK 信號(hào)[56]，該系統(tǒng)在接收機(jī)處使用Kramers-Kronig 算法處理肖特基二極管.當(dāng)UTC-PD 輸入的總光功率在11.6 mW且載波信號(hào)功率比(CSPR)維持在13.7 dB 時(shí)，考慮使用指數(shù)KK 算法，實(shí)現(xiàn)了2.6×10—3的誤碼率，低于FEC 的7%，與沒有使用KK 處理的傳統(tǒng)外差接收(w/o KK)相比，誤碼率明顯降低(圖12(c)).2020 年，浙江大學(xué)聯(lián)合中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所微太中心研制了基于無(wú)線電超纖(RoF)的350 GHz 頻段的高速THz 光子無(wú)線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用OFDM 作為調(diào)制格式，又將PS用于OFDM 信號(hào)上，提高系統(tǒng)效率，降低比特能耗，當(dāng)線路速率達(dá)到119.1 Gbit/s 時(shí)，16 QAM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)了26.8 m 無(wú)線鏈路傳輸.同時(shí)研究人員又結(jié)合RoF 鏈路構(gòu)建了一個(gè)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)化的THz 無(wú)線傳輸系統(tǒng)，通過10 km 光纖傳輸和26.8 m 無(wú)線鏈路實(shí)現(xiàn)了線路速率106.2 Gbit/s 的無(wú)線通信[57].隨著光學(xué)拓?fù)浣^緣體的發(fā)展，拓?fù)渑そY(jié)狀態(tài)可作為片上THz 通信的信息載體，應(yīng)用在未來6G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中.2020 年，南洋理工大學(xué)的楊怡豪等[58]實(shí)現(xiàn)了高效、可集成、低成本的THz 拓?fù)涔鈱W(xué)片上通信，并利用該芯片實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)傳輸未壓縮的4 K高清視頻.研究發(fā)現(xiàn)在THz 拓?fù)涔庾有酒校負(fù)渑そY(jié)態(tài)對(duì)急劇彎曲是免疫的.他們?cè)?6 mm ×8 mm 硅片上制作了一個(gè)高度扭曲的具有十個(gè)尖角的疇壁，測(cè)量拓?fù)渑そY(jié)態(tài)沿扭曲疇壁的傳輸，并將測(cè)量結(jié)果與由直疇壁和無(wú)疇壁組成的VPC 中的傳輸進(jìn)行比較(圖13)，發(fā)現(xiàn)每個(gè)彎曲的最小彎曲損耗約小于0.1 dB.若用此疇壁進(jìn)行THz 通信實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)在載波頻率為0.335 THz，數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Gbit/s，誤碼率小于10—11的傳輸.采用相位調(diào)制器和高階多級(jí)調(diào)制方案，可以進(jìn)一步提高載波頻率及數(shù)據(jù)傳輸速率[58].

圖12 (a) 300-500 GHz 頻段上在50 cm 的無(wú)線傳輸后對(duì)8 個(gè)信道的誤碼率性能的測(cè)量[52];(b)在2.8 m 無(wú)線傳輸后，對(duì)X 和Y 路徑中的兩路THz 信號(hào)進(jìn)行了評(píng)估，圖中為比特BER 性能與UTC-PDS 光功率的函數(shù)[55];(c)“w/o KK”、“二次KK”、“指數(shù)KK”的BER 與CSPR 及UTC-PD 輸入的光功率的函數(shù)曲線[56]Fig.12.(a) Measurements of BER performance after 50 cm wireless transmission for 8 channels in the 300-500 GHz band[52];(b) the evaluation of two-way THz signals in the X and Y paths after 2.8 m wireless transmission and a function of bit BER performance with UTC-PDS optical power in this figure[55];(c) function curve of BER and the optical power input from CSPR and UTC-PD for“w/o”KK”，“quadratic KK”and“exponential KK”[56].

圖13 (a)扭曲疇壁的光學(xué)圖像;(b)具有直疇壁、十個(gè)角的扭曲疇壁和無(wú)疇壁的VPC 的傳輸曲線，無(wú)疇壁的VPC，在0.32-0.35 THz 之間的傳輸明顯降低，而具有扭曲或直疇壁的VPC，帶隙內(nèi)的傳輸接近統(tǒng)一[58]Fig.13.(a) An optical image of the fabricated twisted domain wall;(b) measured transmission curves for a VPC with a straight domain wall，a twisted domain wall with ten corners and no domain wall，transmission between 0.32-0.35 THz is significantly reduced，while transmission within the band gap in the VPC with twisted or straight domain walls is nearly uniform[58].

盡管上述研究采用了不同技術(shù)，如COMS 技術(shù)、MMIC 技術(shù)和光子學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)仍主要集中在300—500 GHz 通信頻段.中國(guó)科學(xué)院THz 固態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于THz 量子級(jí)聯(lián)激光器(THz QCL)和THz 量子阱探測(cè)器(THz QWP)研制出了THz 短程無(wú)線通信系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)THz 音頻傳輸[59]、圖片文本傳輸[60]、視頻傳輸[61].2011 年，Chen 等[59]基于四阱共振聲子和雙金屬波導(dǎo)設(shè)計(jì)了QCL 有源區(qū)，尺寸為40 μm × 1 mm，可輻射4.1 THz 的輻射波.基于GaAs/AlGaAs 材料體系，采用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)制作了QWP，兩者分別處在10 K 和4 K 的低溫工作環(huán)境中.整個(gè)通信系統(tǒng)的音頻傳輸距離為2 m，通信過程中采用調(diào)制帶寬約為580 kHz 的直接電壓調(diào)制[59].同年，Tan等[60]又利用相同的收發(fā)裝置，搭建了傳輸頻點(diǎn)為4.13 THz 的圖片文本無(wú)線傳輸演示系統(tǒng).2013 年，該實(shí)驗(yàn)室搭建了3.9 THz 的2.4 m 通信鏈路來傳輸實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，該系統(tǒng)采用直接開關(guān)調(diào)制和強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5 Mb/s 的數(shù)字視頻信號(hào)傳輸，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳輸速率低于5 Mb/s時(shí)，傳輸無(wú)錯(cuò)誤率[61].緊接著在2015 年，該團(tuán)隊(duì)[62]研制了傳輸速率比之前快了將近10 倍的無(wú)線演示系統(tǒng)(圖14(a))，并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率為20 Mbit/s 時(shí)，BER 值低于10—8(圖14(b))，而隨著比特率升高至24 Mbit/s 以上，符號(hào)間干擾嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致BER的增加從而使眼圖不清晰.NICT 在2018 年提出了3.8 THz 的通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)提取了光頻梳中產(chǎn)生的兩束光頻，經(jīng)馬赫-曾德爾調(diào)制器處理，通過UTC-PD 產(chǎn)生THz 信號(hào)[63].在接收端的超導(dǎo)HEBM 中將THz 信號(hào)與QCL 輸入的LO 信號(hào)混合以實(shí)現(xiàn)外差探測(cè).系統(tǒng)采用鎖相環(huán)(PLL)穩(wěn)定QCL 的振蕩頻率，100 kHz 下其相位噪聲為—70 dBc/Hz[63].

圖14 (a)基于THz QCL 和THz QWP 的傳輸系統(tǒng);(b)測(cè)量的誤碼率性能與數(shù)據(jù)比特率間關(guān)系[62]Fig.14.(a) Scheme of the transmission setup based on a THz QCL and a THz QWP;(b) measurements of BER performance versus data bit rate[62].

THz 波不僅能在空氣中傳播，還能在等離子體介質(zhì)中傳播.2019 年天津大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)證明THz波在超聲速飛行器通信中有良好的應(yīng)用前景[64].當(dāng)飛行器以超聲速飛行時(shí)，其周圍溫度能達(dá)到空氣電離的閾值溫度，當(dāng)被電離氣體分子形成等離子體鞘圍繞在飛行器上時(shí)，會(huì)造成飛行器與外界通信中斷的問題，而將電磁波頻率提高到THz 頻段能有效降低等離子體介質(zhì)的屏蔽效應(yīng)[64].

6 總結(jié)與展望

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，6G 技術(shù)作為各國(guó)通信發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，預(yù)計(jì)將為人類社會(huì)打造一個(gè)無(wú)處不在、觸手可及的智能移動(dòng)網(wǎng)絡(luò).本文主要從6G 性能標(biāo)準(zhǔn)、6G 發(fā)展現(xiàn)狀、規(guī)劃愿景及關(guān)鍵技術(shù)等方面介紹了6G 的發(fā)展趨勢(shì).THz 通信具備高數(shù)據(jù)傳輸速率和寬帶寬等優(yōu)點(diǎn)，信息傳輸過程中安全性能高，有望引入6G 系統(tǒng)中.通過探索THz 產(chǎn)生新方法、發(fā)展新天線技術(shù)來提高THz 信號(hào)的增益，優(yōu)化系統(tǒng)資源分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗和低成本的THz 通信系統(tǒng)，增加通信覆蓋面，提升數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離，使6G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)“隨時(shí)、隨地、隨心”為人們提供生活的便利.