太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀怎么樣？

中國工程院院士、北京郵電大學(xué)教授張平在2023中國無線電大會(huì)主論壇上，作了題為《6G太赫茲高頻段通信》的專題報(bào)告。

張平院士指出，6G最重要的維度有兩個(gè)，一個(gè)是無所不在的連接，另一個(gè)是無所不在的智慧。我們可以看到移動(dòng)通信演進(jìn)的邏輯是這樣的，從1G到4G我們需要頻段以提供更大的帶寬，到了5G要支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，增加了兩個(gè)通信維度。在6G又增加了兩個(gè)不同的場景，不僅要支持陸地還要支持空間，要跟人工智能結(jié)合起來，這是它的主要特征，在這方面國際化的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)啟動(dòng)。要從毫米波發(fā)展到太赫茲，我們要把這個(gè)頻段的物理特性和建模傳統(tǒng)搞得非常清楚，并在這個(gè)基礎(chǔ)上構(gòu)建信道算法和應(yīng)用。

國內(nèi)外對(duì)太赫茲有很高的研究熱情。ITU、IEEE、IMT-2030等標(biāo)準(zhǔn)化組織已設(shè)立多個(gè)任務(wù)組，初步劃分了多個(gè)太赫茲通信頻段;地面通信和非地面通信應(yīng)用都在不斷推動(dòng)太赫茲通信從器件、信道、算法、組網(wǎng)到應(yīng)用等多維度全面演進(jìn)。從國內(nèi)外的研發(fā)情況看有兩條主要路線：固態(tài)混頻電子學(xué)方法與光輔助太赫茲技術(shù)。其優(yōu)缺點(diǎn)也很明顯：傳輸速率提升大，但傳輸距離和應(yīng)用仍受限。目前美國加州大學(xué)歐文分校研制的太赫茲系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸峰值速率達(dá)到20Gbps，我國電子科技大學(xué)做出了220GHz頻段20Gbps實(shí)時(shí)通信樣機(jī)，華為做出了220GHz頻段20Gbps 3.6公里通信樣機(jī)。

當(dāng)前，6G太赫茲技術(shù)存在以下主要挑戰(zhàn)：一是信道測量與建模，6G關(guān)鍵技術(shù)對(duì)6G頻譜規(guī)劃提出了更多的需求;二是超高頻器件性能，超寬帶基帶信號(hào)的發(fā)送和接收需要突破;三是超高速基帶處理，太赫茲通信傳輸速率高、頻帶寬、射頻非理想性突出，給超寬帶信號(hào)采樣、高速基帶信號(hào)處理、基帶數(shù)字電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)帶來極大挑戰(zhàn);四是超高效組網(wǎng)技術(shù)，6G組網(wǎng)向智簡、開放、綠色方向演進(jìn)，太赫茲通信波束窄，移動(dòng)場景下終端將發(fā)生頻繁切換，波束管理的精確性和實(shí)時(shí)性也更具挑戰(zhàn)，難以適配6G網(wǎng)絡(luò)的智簡化需求。

當(dāng)前，我們離實(shí)現(xiàn)太赫茲無線通信還有距離，要在基礎(chǔ)方面做研究。太赫茲信道研究，是太赫茲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)和評(píng)估的基礎(chǔ)與前提。在太赫茲信道測量平臺(tái)方面，要基于時(shí)域相關(guān)原理，利用三維高精度自動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)搭建太赫茲信道測量平臺(tái)，開展多頻段、多場景的太赫茲信道測量。在太赫茲信道特性方面，開展220-330GHz頻段短距離場景太赫茲路徑損耗測量與建模研究，彌補(bǔ)目前100GHz以上太赫茲信道研究的缺失?；诤撩撞?、太赫茲多頻段信道測量，揭示了太赫茲信道多徑分布的稀疏性，提出基于簇功率非均勻分配的稀疏性模型，以修正標(biāo)準(zhǔn)模型的不足。

經(jīng)過20年的積累凝聚，我們持續(xù)更新發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)信道模型仿真平臺(tái)，在ITU網(wǎng)站公開共享，支撐全球高校、企業(yè)開展移動(dòng)通信技術(shù)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)。我們?cè)谌蚴装l(fā)了6G信道模型仿真平臺(tái)BUPTCMG-6G(BUPT ChannelModelGenerator 6G)。

6G太赫茲技術(shù)演進(jìn)有以下幾個(gè)方向：一是高速大帶寬信號(hào)采樣，二是低復(fù)雜度基帶信號(hào)處理，三是太赫茲-智能反射面一體化技術(shù)。

張平院士指出，太赫茲通信作為現(xiàn)有空口傳輸方式的有益補(bǔ)充，被認(rèn)為有可能應(yīng)用于全息通信、超大容量數(shù)據(jù)回傳等超高速傳輸需求場景。太赫茲通信技術(shù)仍面臨核心器件不足、算法實(shí)時(shí)性差、組網(wǎng)復(fù)雜度高等挑戰(zhàn)。雖然國內(nèi)多家研發(fā)單位已完成了固態(tài)電子類和光電結(jié)合類太赫茲通信樣機(jī)的研制與驗(yàn)證，但在實(shí)時(shí)性、空間復(fù)用、功耗、通信距離等方面還需突破。太赫茲通信應(yīng)用落地需求仍待探索，需要不斷突破各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，逐步明確太赫茲通信技術(shù)路線，大力促進(jìn)太赫茲通信產(chǎn)業(yè)化成熟發(fā)展。

太赫茲科技是指工作頻段在0.1到10太赫茲的電磁波技術(shù)。它的特點(diǎn)是低頻段電磁波的穿透力強(qiáng)，高頻段電磁波的反射能力強(qiáng)，可以透過許多材料如紙張、塑料、布料、木材等進(jìn)行成像，甚至可以穿透衣物，實(shí)現(xiàn)“隱形通信”功能。

01隱形通信與人體組織的相互作用機(jī)制相近，也能實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)檢測和成像。在隱秘通信領(lǐng)域，太赫茲技術(shù)可以利用物質(zhì)的吸收、反射和散射特性，實(shí)現(xiàn)隱秘通信，輕松破解安全系統(tǒng)，造成巨大安全威脅。因此，在太赫茲通信中加密技術(shù)和安全措施顯得尤為重要。

太赫茲技術(shù)在隱形通信領(lǐng)域的發(fā)展前景廣闊，但同時(shí)也需要強(qiáng)有力的安全保障措施。隱形通信帶來的便利性也常常威脅著個(gè)人或集體的信息安全和國家安全。因此，在太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展過程中，應(yīng)該在安全性方面加強(qiáng)技術(shù)和管理保障。

02醫(yī)學(xué)診斷太赫茲科技在醫(yī)療診斷領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲波譜技術(shù)能夠檢測生物分子的振動(dòng)模式，因此在人體內(nèi)的分子和細(xì)胞生物學(xué)研究上具有廣泛的應(yīng)用。

通過對(duì)人體組織的太赫茲光譜分析，可以診斷出各種疾病，如癌癥和糖尿病等，有效提高疾病診斷的準(zhǔn)確性。此外，太赫茲技術(shù)在人體組織成像和腫瘤檢測方面也具有突破性的應(yīng)用，有望替代傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，如X射線照射、MRI和CT等。

我曾經(jīng)在醫(yī)院實(shí)習(xí)期間目睹過太赫茲技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用。一位患有肺癌的患者來到醫(yī)院，通過太赫茲技術(shù)對(duì)他的肺部進(jìn)行了高精度的診斷。

通過掃描圖像數(shù)據(jù)的處理和分析，醫(yī)生很快確定了患者肺部的惡性腫瘤的位置和大小，便于隨后的治療方案制定。這讓我深刻認(rèn)識(shí)到太赫茲技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域中的重要性和應(yīng)用前景。

然而，太赫茲醫(yī)學(xué)診斷目前仍處于研究和試驗(yàn)階段，產(chǎn)業(yè)化程度比較低，技術(shù)門檻較高，需要投入大量資金和人力資源。未來的發(fā)展趨勢(shì)是將技術(shù)應(yīng)用到移動(dòng)醫(yī)療端和智能醫(yī)療設(shè)備上，使其應(yīng)用更加廣泛和普及化。

1.高速傳輸：太赫茲頻段

通信

技術(shù)是一種高速傳輸技術(shù)，具有較大的頻帶和高的傳輸速率。在可用頻段內(nèi)，太赫茲頻段的通信速率可達(dá)Gbps級(jí)別，因此，在需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊?，太赫茲通信技術(shù)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.較小的

信號(hào)

衰減：太赫茲波在大氣中傳輸時(shí)，由于其波長在微米到毫米級(jí)別，相對(duì)于電磁波，其與大氣中分子之間的碰撞減弱相對(duì)較小，導(dǎo)致其衰減十分有限。這種特性使得太赫茲通信技術(shù)在建筑物內(nèi)或城市街區(qū)之間傳遞信號(hào)時(shí)也表現(xiàn)出了良好的性能。

3.高分辨率成像：太赫茲波具有較高的穿透能力和信號(hào)分辨率，可以用于對(duì)物體的成像。因此，太赫茲通信技術(shù)不僅可以用于無線通信，還可以用于醫(yī)學(xué)、安全

檢測

、非破壞性檢測等多個(gè)領(lǐng)域。

4.低功率傳輸：太赫茲波的穿透性相對(duì)較弱，因此其傳輸能力較電磁波較為有限。在一定范圍內(nèi)，太赫茲波的傳輸功率非常小，因此對(duì)人體和環(huán)境的影響也較小。

5.阻擋能力強(qiáng)：與其他無線通信技術(shù)相比，太赫茲頻段通信技術(shù)具有較強(qiáng)的阻擋能力，可以有效地避免信號(hào)的干擾和截獲。

總的來說，太赫茲頻段通信技術(shù)的主要作用是在高速數(shù)據(jù)傳輸、高清圖像傳輸、遠(yuǎn)距離通信、安全檢測、醫(yī)療成像等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其是在構(gòu)建

5G

通信網(wǎng)絡(luò)

的過程中，太赫茲通信技術(shù)被認(rèn)為是解決高容量、低延遲等技術(shù)難點(diǎn)的重要手段之一。同時(shí)，太赫茲頻段通信技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，成為軍事情報(bào)收集和作戰(zhàn)指揮的重要工具。