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研究与探讨

《移动通信》2025年第5期

网络首发：2024-12-20

面向6G的太赫兹通信技术研究

王战将1,2，李凯乐1,2，张飞翔1,2，黄雨婷1,2，宋秋霏1,2，周纾卉1,2，祝托3，余建国1,2

【摘 要】太赫兹通信因其广泛的频谱资源和高数据速率潜力，被视为6G通信的关键候选技术之一。首先围绕器件技术，详细介绍了电子、光子、等离子体三种太赫兹发射机原理及特点。其次，针对太赫兹频段独特的高路径损耗和分子吸收特性，讨论了不同太赫兹信道测量与建模方法的优缺点。然后，探讨了物理层关键技术，如调制与编码、混合波束成形等方法。最后总结了当前太赫兹通信面临的技术挑战，包括器件性能、信道建模和物理层优化等问题，并分析了未来可能的解决路径，包括异构体器件集成、纳米材料和人工智能技术。

【关键词】6G；太赫兹通信；信道测量与建模；混合波束成形

中图分类号：TN911 文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2025)05-0121-07

引用格式：王战将,李凯乐,张飞翔,等. 面向6G的太赫兹通信技术研究[J]. 移动通信, 2025,49(5): 121-127.

WANG Zhanjiang, LI Kaile, ZHANG Feixiang, et al. A Review of Terahertz Communication Technology for 6G[J]. Mobile Communications, 2025,49(5): 121-127.

0 引言

虚拟现实、增强现实和全息通信等应用场景的兴起，无线设备的带宽消耗将迎来爆炸式增长，推动了对高数据速率无线通信的迫切需求。预计到2030年，6G的无线流量将有望与有线网络的流量持平甚至超越[1]。然而，目前大多数5G技术仍停留在毫米波频段，平均数据速率仅能达到1 Gbps，难以应对日益严峻的频谱拥塞问题。相比之下，太赫兹（THz）频段（0.1-10 THz）通信技术因其具备无缝数据传输、超大带宽、微秒时延和极速下载等优势，被视为解决6G数据流量指数级增长的关键技术之一[2-3]。THz通信有望支持从室内到室外的高数据速率通信业务，如高清视频会议、车对车通信、无线前传和回程链路，以及超宽带太赫兹空间通信和纳米物联网等应用，THz通信的典型应用场景如图1所示[4-5]。

但是，要实现THz通信广泛应用，仍有许多技术瓶颈需要克服。首先需要开发能够产生高频电磁波的电子或光子器件、定向天线和THz放大器等THz器件。其次需要深入了解THz信道特性，建立准确、通用的THz信道模型。最后还需解决THz频段因严重的传播损耗和功率限制所导致的通信距离较短的问题[6]。

1 THz通信器件技术

传统上，由于缺乏紧凑且节能的高功率THz发射机和低噪声、高灵敏度接收机，THz波段在通信系统中的实际应用受到了限制。然而，随着新型材料的开发和半导体技术的快速进步，THz通信器件技术取得了显著进展。

1.1 THz通信发射机

目前，THz通信发射机产生THz频段信号主要有三种方法：电子、光子和等离子体方法。

电子方法的THz信号产生可以分为直接产生和倍频产生两种方式，如图2中THz信号生成（UTC-PD：单载流子光电二极管）（a）和图2中THz信号生成（UTC-PD：单载流子光电二极管）（b）所示。直接产生THz信号的常见器件包括共振隧道二极管、冲击电离雪崩行进式二极管和行波管，这些器件产生信号的频率可以达到数百GHz。共振隧道二极管和冲击电离雪崩行进式二极管的输出功率通常低于毫瓦，而行波管虽然体积较大，但其输出功率可达几毫瓦。倍频产生THz信号则是通过倍频链将低频信号上转换到THz频段，倍频链通常由串联倍频器组成。目前，主流的倍频器技术有两种。一种是采用硅CMOS或者硅锗BiCMOS技术与现有电子系统集成，但在数百GHz频率下，每个器件的传输功率仅为几毫瓦。另一种是采用III-V型半导体材料（如磷化铟和砷化镓）制造高电子迁移率晶体管、异质结双极晶体管以及用于倍频链的肖特基二极管等器件，这些器件在数百GHz频率下已实现数百毫瓦的传输功率，在1 THz以上的传输功率可以达到几毫瓦[7]。

光子方法产生THz信号主要有三种途径，即量子级联激光器、频差生成和光导天线。量子级联激光器是利用半导体激光器发射的低能量光子，直接产生THz频段信号，工作频率通常在2—3 THz以上。尽管低温下产生的THz信号的输出功率可达数百毫瓦，但在室温下实现稳定信号输出仍是一个技术难题，限制了其实际应用。频差生成（DFG, Difference-Frequency Generation）THz频段信号原理如图2中THz信号生成（UTC-PD：单载流子光电二极管）（c）所示。DFG的基本原理是将两个波长相差与目标THz频率相等的光信号进行光混合，产生THz信号。该系统通常包含两个激光器和一个单行光电二极管，目前在THz频段的输出功率小于10毫瓦[8]。第三种是光导天线，光导天线通常由印刷在光导基板上的传统THz金属天线组成。当光信号照射天线时，光载流子在天线间隙中被激发，并在直流偏置场的作用下加速，从而产生THz频率光子。然而，该技术的转换效率和信号输出功率较低，仍需进一步优化[9]。

等离子体方法是利用等离子波的特性产生THz频段信号，即不需要微波范围上转换和光学频率下转换[10]。新的二维材料（如石墨烯等）的发现和利用推动了等离子方法在THz通信领域的研究，目前已经有研究团队发表了用于THz通信的基于石墨烯的等离子体收发器、天线和阵列的专利[11]。然而，与电子和光子方法相比，等离子体方法仍处于探索阶段。

1.2 THz通信天线设计与定向技术

THz信号的波长极短，使得设计小型化的THz天线成为可能。采用石墨烯和其他等离子材料，可以进一步减小天线的尺寸。但是，随着天线尺寸的缩小，其有效面积也随之减小，导致传播损耗显著增加。为提高THz天线的有效面积，通常需要增加天线的方向性，使其辐射特性从全向性转变为高度定向，从而实现更好的信号传输性能。

目前，主要有两种定向天线系统。一种是固定定向天线，包含典型方向增益在20-25 dBi的喇叭天线、指向性增益约为40-55 dBi的卡塞格伦蝶形反射天线、增益为30-35 dBi的多反射面天线[12]，还有辐射方向取决于激励频率的漏波天线。另一种是波束成形天线阵列，可采用传统金属或新型纳米材料制造。例如，与电子前端结合使用的金属天线阵列已经在300 GHz以下的频率下进行了演示，最多可控制16个元件[13]。此外，结合等离子体前端的石墨烯等离子体天线阵列也已经被提出，可容纳多达1 024个元件[14]。

2 THz通信信道技术

除了THz通信器件外，实现高效的THz通信还需要深入研究THz信道特征。与低频段通信相比，THz频段具有显著的高路径损耗和分子吸收效应，这对信道测量和建模提出了独特的挑战。因此，研究人员需要开发适用于THz信道的测量技术和建模方法。本节将介绍现有的THz信道测量和建模方法，并讨论其各自的优缺点。

2.1 信道测量方法

（1）基于频域矢量网络分析仪。矢量网络分析仪（VNA, Vector Network Analyzer）通过在频域中测量THz通信系统的传输和反射特性来表征THz通信信道的频率响应。利用射频信号的传输和反射特性测量信道的幅度和相位特性，从而得到THz通信信道的频率响应和散射参数。然而，VNA存在输出功率低、噪声高、测量距离有限以及测量时间长的缺点。低输出功率和高噪声可以通过利用外部电源和低噪声放大器来缓解。测量距离则可以通过光纤和定向传输进行延长。然而，较长的测量时间仍然限制了VNA在动态THz信道中的应用[15]。

（2）时域滑动相关法。该方法是通过发送已知的伪随机序列信号并与接收到的信号进行相关运算，从而获得THz信道的脉冲响应。该方法优点是可以进行实时测量，缺点是功率谱密度分布不均匀，此外还需要ADC/DAC的超高采样速率。这种方法已被用于纽约大学140 GHz实时测量平台的建立，用于研究反射和散射传播特性、室内信道的大规模衰落和多径特性，以及卫星测量中的接收功率和干扰分析[16]。

（3）直接脉冲法，也称为THz时域谱法。该方法使用极窄时域宽度的短脉冲信号作为激励信号。在信道中，激励信号经过传播和多径反射。多径效应会导致脉冲信号在到达接收端时分解为多个延迟版本，每个延迟版本代表信号通过不同传播路径到达接收端。接收信号可以直接看作信道的脉冲响应，其中每个脉冲峰值的位置代表不同的多径时延，而峰值的幅度表示每个路径的信号强度。通过分析脉冲响应，可以确定信道的多径结构、时延扩展、路径衰减等特性。该方法曾被德国马尔堡菲利普斯大学用于测量200—400 GHz范围内粗糙表面的散射系数[17]。该方法适用于超宽带的THz波，但是存在功率低、设备尺寸大、传输距离短等缺点，且应用范围局限于测量窄波束引起的反射、散射和衍射特性。

（4）基于OFDM方法。OFDM方法通过生成多个子载波组成的宽带正交频分复用信号，测量THz信道的频率响应、多径特性以及衰减特性。发射信号覆盖THz波段的宽频范围，通过快速傅里叶变换提取各个子载波的幅度和相位信息，从而获得信道的频率响应和延迟扩展特性。此外，OFDM信号的循环前缀能有效缓解符号间干扰，提高测量精度。该方法能够覆盖宽频带，同时对信道的频域和时域特性进行全面分析。通过并行处理子载波，OFDM能实现较高的频谱分辨率，适合用于复杂多径环境的测量。但快速傅里叶变换和逆傅里叶变换的处理可能带来额外的计算开销，测量过程对同步误差较为敏感[18]。

（5）基于啁啾方法。啁啾方法通过生成频率线性调制的信号，测量THz信道的频率响应、时延特性和多径结构。啁啾信号的频率随时间连续变化，可以在宽频带范围内实现信道的频谱扫描。在测量过程中，发送已知的宽带啁啾信号，并在接收端通过匹配滤波分析接收信号的幅度和相位，计算出信道的传输特性。该方法的优点是覆盖带宽大，信号具有连续频谱，能够高效提取信道的宽带特性。由于其频率变化的线性特性，可以通过傅里叶变换直接计算信道的频率响应，并支持高分辨率的时延测量。与传统的频域扫描方法相比，啁啾方法的测量效率更高，但啁啾信号容易受到多径干扰的影响，可能需要额外的算法来消除噪声和伪影[19]。

2.2 信道建模方法

（1）确定信道建模

射线追踪方法（RT, Ray-Tracing）。该方法可以通过多种方式实现。一种方法是将发射器表示为根节点，递归地寻找路径分支，直到找到接收器分支。通过这种方式，RT开发了一个通过回溯方法推导路径的可见树。另一种方法是射线发射策略，它在预设的方向网格中发射射线并探索其轨迹[20]。RT具有在合理的资源消耗下模拟电磁波传播的能力。在太赫兹波段，由于THz信号相比低频波具有更强的粒子特性，THz波表现为准光学，因此几何光学可以用来精确模拟THz波在反射、衍射和散射过程中的损耗。例如，Sebastian等人在300 GHz的室内场景中使用RT方法，通过信道测量进行校准来提高模型精度[21]。RT建模适用于太赫兹场景下的大多数通道，但需要进一步研究太赫兹波段的材料特性。

时域有限差分或Yee方法，该方法是通过数值求解麦克斯韦方程来建立信道模型。为了加快计算，该方法将整个空间划分为网格进行探索，然后分别在时间和空间域中迭代更新电场和磁场。时域有限差分法的理论基础严谨，能够对小而复杂的散射体和粗糙表面进行高精度建模，但其代价是较高的计算时间和内存占用，限制了它在小范围内的应用[22]。因此，它适用于太赫兹频段的器件内信道，例如超高速片上通信。

（2）统计信道建模

统计信道建模方法基于大量经验信道测量数据，通过对这些数据的拟合来建立THz无线通信信道特性。与确定信道建模相比，统计信道建模具有较低的计算复杂度。统计建模可以根据用于建模的信息分为几何随机信道模型和非几何随机信道模型。

几何随机信道模型依赖建模环境的几何形状。在随机放置散射体之后，通过追踪反射、衍射和散射线来分析波的传播。基本原理与几何确定信道建模相似。两者不同的是，要想获得准确的信道模型，在确定性建模中散射体的位置必须被精确定义，但是在该模型中散射体的位置是根据某些分布随机获得的。Wang等人提出了一种用于太赫兹通信系统的非平稳几何随机信道模型[23]。

非几何随机信道模型则是通过某些概率分布函数定义信道参数，利用测量数据或RT生成的数据来描述信道的统计特性。非几何随机信道建模在捕捉一些复杂现象方面存在不足，例如信道参数在频率、时间和距离上的依赖性，以及由于环境中移动元素引起的信道变化。

（3）混合信道建模

射线追踪-时域有限差分混合信道建模。时域有限差分用于研究靠近复杂不连续的区域，RT用于跟踪时域有限差分区域外的光线。在更高的频率下，物体的表面变得相对粗糙，因此几何光学（如RT），很难反映出物体表面反射和散射的特性。但时域有限差分可以解决太赫兹波段的小而复杂的散射体和粗糙表面。射线追踪-时域有限差分混合建模在散射体的近场应用时域有限差分，而将其余部分留给RT，从而在保持精度的同时提高了计算时间[24]。确定信道建模能实现高精度，但时间和资源消耗较大。统计建模虽然计算开销低，却牺牲了准确性。混合信道建模能够同时实现可接受的精度和低复杂度。

3 THz通信物理层关键技术

随着THz器件、信道测量和建模技术的不断进步，为满足日益增长的网络需求，亟需高效的物理层技术。新型编码调制方案、动态混合波束成形，以及波束估计和跟踪技术有望推动THz频段高效通信的实现。

3.1 调制和编码方案

调制和编码是设计可靠THz无线通信的关键要素。由于THz频段独特的信道特性，传统的调制和编码方案需要重新评估和优化。例如，在THz通信感知领域，对多个正交频分复用波形采用非均匀子载波间隔和叠加技术，不仅显著提高了感知精度，还增加了吞吐量[25]。除了多载波设计，单载波方案的研究也有进展。例如，Wu等人提出了一种感知集成离散傅立叶变换扩展正交频分复用方案，以探索感知和通信信道的不同特性，仿真结果表明，与传统正交频分复用波形相比，该波形实现了10倍以上的估计精度[26]。此外，Wei等人提出了一种新的调制技术——正交时间频率空间，以解决双选择信道中的高多普勒扩频问题[27]。

除了新的调制方案外，THz通信的编码也需要重新设计。例如，在IEEE 802.15.3d标准中[28]，提出使用报头检验序列（HCS, Header Check Sequence）来确保THz信号在物理层和媒体访问控制层报头的正确性。通过扩展的汉明码对HCS和报头进行编码，增强了系统的鲁棒性。针对OOK调制，IEEE 802.15.3d建议除了基于低密度奇偶校验的方法外，还提出使用Reed Solomon码来实现硬判决的简单二进制解码。

3.2 动态混合波束成形

由于THz信号具有亚毫米波长的特性，可以实现超大规模的天线阵列集成。例如在收发器的天线阵列上集成1 024、4 096甚至更多的天线元件，从而构建超大规模天线阵列系统。超大规模天线阵列提供了更多的空间自由度和波束控制能力，使得动态混合波束成形成为应对复杂THz通信环境的有效解决方案。在动态混合波束成形结构中，数字和模拟波束成形技术相结合。在基站处，使用模拟波束成形技术对信号进行初步处理，生成多个定向波束，有效地控制波束的方向性和形状。在接收端，数字波束成形通过对每个接收天线的信号进行数字处理（如FFT、滤波等）来进一步优化信号的接收质量。此外，数字波束成形可以采用复杂的信号处理算法，如干扰消除、信道估计等，在用户之间实现资源分配和干扰管理。动态混合波束成形综合了模拟和数字处理的优势，使系统在更广的覆盖范围内实现高质量的信号接收，特别是在复杂传播环境中。通过实时调整波束的方向和形状，系统能够根据用户的位置、信道状态和环境变化灵活地服务多个用户，最大限度地提高频谱资源的利用率，同时增强通信系统的灵活性和可靠性。

3.3 波束估计和跟踪

作为波束管理的关键环节，波束对准（包括角度估计和跟踪）至关重要。当前的波束估计和跟踪方法主要分为网格内和网格外两种。网格内方法利用预定的空间网格来估计到达角度，其精度依赖于网格分辨率。但是，为了达到理想的分辨率，网格内方法的复杂性和波束成形训练开销较大。网格外方法则采用基于子空间的超分辨率到达角度估计，不依赖固定的角度网格。此外，波束估计面临的一个主要挑战是波束斜视问题，即三重延迟波束多普勒斜视效应。为应对这一挑战，采用一种改进的正交匹配追踪算法来解决压缩感知问题[29]。随着深度学习技术在无线通信中的快速发展，基于深度学习的方法可以帮助挖掘信道的固有特性，如角度信息等。

4 THz通信面临的挑战和发展趋势

随着THz通信技术的不断发展，其面临的挑战也日益显现。这些挑战不仅包括器件设计和制造的复杂性，还涉及极端环境中的适应性要求，以及物理层关键技术的突破。为应对这些问题，需要从硬件层面到信道建模层面进行全面的创新与探索。

4.1 THz通信器件

（1）推动异构体器件的制造和集成。当前，不同的硬件模块依赖于不同的材料和器件技术，从用于高密度集成的硅CMOS，到用于高功率的III-V族半导体，以及具备可调性和宽带特性的石墨烯。异质集成不仅指不同材料构建的模块组合，还包括模块间的协同设计，制定具有成本效益且可扩展的制造工艺。异质集成能在频率、带宽、功率和成本等多个指标之间实现最佳权衡，结合光子学、电子、纳米材料和等离子体等多种材料和制造技术。

（2）研发极端环境的下THz通信设备。THz通信网络的应用范围广泛，从纳米级的可穿戴设备到空间卫星间链路，不同的应用环境对THz通信设备提出了多样化的要求。例如，在体内通信时，设备需要具有生物相容性，以避免引发免疫系统的排斥反应。同样，太空应用的THz通信设备与地面通信设备有显著差异，因此，开发用于极端空间环境的防护技术是实现THz通信广泛应用的关键步骤。

（3）开发高性能的数字信号处理技术。要实现Tbps速率的THz通信链路，不仅需要开发能在更高频率和更大带宽下工作的收发机和天线系统，还需在发送端生成并在接收端处理如此高数据速率的数字信号处理后端，以满足数据传输需求。

4.2 THz通信信道和物理层关键技术

（1）高频THz通信信道测量系统。现有的大多数信道测量系统是针对低频段（如毫米波）设计的，难以应对太赫兹波的特殊特性。因此，需要更先进、更灵活的系统来处理显著的路径损耗、超大带宽以及短相干时间。同时，还需要针对各种场景进行广泛的信道测量。目前的信道测量主要是在传统室内场景中进行的，如办公室、会议室、实验室等。为了充分捕捉高数据速率应用中超宽带信道的频率选择性，需要对室外场景中人体阻挡、反射和散射等现象的适当建模进行研究。

（2）准确灵活的THz通信通道模型。针对目前THz通信中常用的确定性和随机信道模型的不足。未来需要将确定性和统计建模方法的融合，以提高多路径环境下的建模效率和精度，确保在不同建模方案之间实现平滑过渡。

（3）人工智能辅助THz通信信道建模。随着人工智能技术的迅猛发展，基于人工智能的无线通信在解决复杂问题方面展现出巨大潜力。结合THz通信的特殊特性以及对精确多径信道测量与建模的需求，人工智能技术已成为构建复杂THz通信系统的首选方案。

（4）针对太赫兹通信感知一体化波形设计，需要在调制和波形设计中添加感知功能，在未来研究中开发出能够平衡通信和感知的波束成形技术，解决感知需要波束扫描和通信需要稳定的波束指向之间的矛盾。

5 结束语

THz通信技术作为应对6G时代数据流量爆炸性增长的关键技术之一，具有极大潜力，在未来无线通信系统中占据重要地位。然而，其发展仍面临器件、信道和算法等多方面的挑战。精确的信道建模和测量技术对于优化通信系统设计，提高通信性能至关重要。物理层技术的创新，将有助于克服THz频段的高路径损耗问题。未来THz通信技术的发展趋势将侧重于多学科融合，异质集成、纳米材料和人工智能技术。通过器件、信道和算法的协同优化，实现6G时代对超高速无线通信的需求。

参考文献：（上下滑动浏览）

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★原文刊发于《移动通信》2025年第5期★

中图分类号：TN911 文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2025)05-0121-07

引用格式：王战将,李凯乐,张飞翔,等. 面向6G的太赫兹通信技术研究[J]. 移动通信, 2025,49(5): 121-127.

WANG Zhanjiang, LI Kaile, ZHANG Feixiang, et al. A Review of Terahertz Communication Technology for 6G[J]. Mobile Communications, 2025,49(5): 121-127.

作者简介

王战将：北京邮电大学电子工程学院电子科学与技术专业在读博士研究生，研究方向为太赫兹通信技术、光与无线融合及高速无线通信系统。

李凯乐：博士毕业于北京邮电大学电子科学与技术专业，北京邮电大学博士后，主要研究方向为高速光纤通信技术、太赫兹通信技术、光纤无线融合技术。

张飞翔：北京邮电大学电子工程学院电子科学与技术专业在读博士研究生，研究方向为太赫兹通信技术、信道编码、光与无线融合及高速无线通信系统。

黄雨婷：北京邮电大学电子工程学院光电信息工程专业在读硕士研究生，研究方向为光子太赫兹通信技术及OFDM通信系统。

宋秋霏：北京邮电大学电子工程学院新一代电子信息技术（含量子技术等）专业在读硕士研究生，研究方向为太赫兹通信技术、光与无线融合、深度学习。

周纾卉：北京邮电大学电子工程学院电子科学与技术专业在读硕士研究生，研究方向为太赫兹通信技术及相关数字信号处理技术。

祝托：现任国家工业信息安全发展研究中心工程师，硕士毕业于北京邮电大学电子科学与技术专业，主要研究方向为工业互联网、制造业重点产业链等。

余建国：现任北京邮电大学教授，博士/硕士生导师，博士毕业于北京邮电大学，曾任国家863跨光电子、通信、计算机网络主题重大专项专家组副组长、国家重大专项、国家重点实验室、国家863、973、重点专项、国家自然科学基金项目评审专家，工信部无线电频率规划咨询专家。在光纤通信和无线移动通信领域获得了三十多项国家发明专利授权。2003年1月获国家科技进步二等奖，2008年获国务院政府特殊津贴，2016年获中国产学研合作创新奖。2015年获国家自然基金重点项目：无定形扁平化自组织网络理论与关键技术研究，2021年获国家自然基金重大仪器：光子矢量太赫兹信号源与分析仪项目支持。专业从事光载微波/毫米波/太赫兹波的3G/4G/5G/6G光纤拉远基站系统、智能仪器、单行载流子光电探测器（UTC-PD）、太赫兹放大器（PA）等6G系统与核心器件的理论与关键技术研究。