2023年9月14日,中国工程院院士、北京邮电大学教授张平在2023中国无线电大会主论坛上,作了题为《6G太赫兹高频段通信》的专题报告。
张平院士指出,6G最重要的维度有两个,一个是无所不在的连接,另一个是无所不在的智慧。我们可以看到移动通信演进的逻辑是这样的,1G到4G我们需要频段以提供更大的带宽,到了5G要支撑工业互联网增加了两个通信维度。在6G又增加了两个不同的场景,不仅是要支持陆地还要支持空间,要跟人工智能结合起来,这是它的主要特征,在这方面国际化的标准已经启动。要从毫米波发展到太赫兹,我们要把这个频段的物理特性和建模传统搞得非常清楚,并在这个基础上构建信道算法和应用。
国内外对太赫兹有很大的研究热情。ITU 、IEEE、IMT-2030等标准化组织已设立多个任务组,初步划分了多个太赫兹通信频段;地面通信和非地面通信应用都在不断推动太赫兹通信从器件、信道、算法、组网、应用多维度全面演进。从国内外的研发情况看,有两条主要路线:固态混频电子学方法与光辅助太赫兹技术。其优缺点也很明显:传输速率提升大,但传输距离和应用仍受限。目前美国加州大学欧文分校研制的太赫兹系统实时传输峰值速率达到20Gbps,我国电子科技大学做出了220GHz 20Gbps实时通信样机,华为做出了220GHz 20Gbps 3.6公里通信样机。
当前6G太赫兹技术存在以下主要挑战:一是信道测量与建模,6G 关键技术对6G 频谱规划提出了更多的需求;二是超高频器件性能,超宽带基带信号的发送和接收需要突破;三是超高速基带处理,太赫兹通信传输速率高、频带宽、射频非理想性突出,对超宽带信号采样、高速基带信号处理、基带数字电路设计与实现带来极大的挑战;四是超高效组网技术,6G 组网向着智简、开放、绿色方向演进,太赫兹通信波束窄,移动场景下终端将发生频繁切换,波束管理的精确性和实时性也更具挑战,难以适配6G 网络的智简化需求。
当前,我们离实现太赫兹无线通信还有距离,要在基础方面做研究。太赫兹信道研究,是太赫兹通信系统设计、研发和评估的基础和前提。在太赫兹信道测量平台方面,要基于时域相关原理,利用三维高精度自动旋转平台,搭建太赫兹信道测量平台,开展多频段、多场景的太赫兹信道测量。在太赫兹信道特性方面,开展了220-330 GHz短距离场景太赫兹路径损耗测量与建模研究,弥补目前 100 GHz 以上太赫兹信道研究的缺失频段。基于毫米波、太赫兹多频段信道测量,揭示了太赫兹信道多径分布的稀疏性,提出基于簇功率非均匀分配的稀疏性模型,以修正标准模型的不足。
经过二十年积累凝聚,自2007年以来,我们持续更新发布标准信道模型仿真平台,在 ITU 网站公开共享,支撑全球高校、企业开展移动通信技术创新和标准推动。我们在全球首发了6G信道模型仿真平台BUPTCMG-6G(BUPT ChannelModelGenerator 6G),于2023 年 6月,与合作伙伴中国移动一起,支持 6G先进技术和特性所需,已被下载200余次。
6G 太赫兹技术演进有以下几个方向:一是高速大带宽信号采样,二是低复杂度基带信号处理,三是太赫兹-智能反射面一体化技术。
张平院士指出,太赫兹通信作为现有空口传输方式的有益补充,被认为有可能应用于全息通信、超大容量数据回传等超高速传输需求场景。太赫兹通信技术仍面临着在核心器件不足、算法实时性差、组网复杂度高等挑战。虽然国内多家研发单位已完成了固态电子类和光电结合类太赫兹通信样机的研制和验证,但在实时性、空间复用、功耗、通信距离等方面还需突破。太赫兹通信应用落地需求仍待探索,需要不断突破各项关键技术,逐步明确太赫兹通信技术路线,以及大力促进太赫兹通信产业化成熟发展。