1.1 THz定義與特性

1.1.1 頻段定義

近年來(lái)，THz頻段普遍被定義為100～10000 GHz之間，THz波的波長(zhǎng)范圍是30μm～3 mm，在整個(gè)電磁波譜中位于微波和紅外波頻段之間。THz波在電磁波譜居于特殊位置，既具有微波頻段的穿透性和吸收性，又具有光譜分辨特性。THz范圍跨越100～10000 GHz，提供非常大的帶寬，并且THz波段不受監(jiān)管，它具有極高數(shù)據(jù)速率，可以達(dá)到Tbps的數(shù)據(jù)速率。THz頻段可彌合毫米波和光頻段之間的差距。

1.1.2 通信特性

與毫米波通信不同，THz通信可以利用可用頻譜來(lái)實(shí)現(xiàn)Tbps的數(shù)據(jù)速率，而無(wú)須額外的頻譜效率增強(qiáng)技術(shù)。此外，由于波長(zhǎng)較短，THz系統(tǒng)可以支持更高的鏈路方向性，不易受自由空間衍射和天線間干擾的影響，可以在更小的覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。THz信號(hào)不受對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題、環(huán)境光、大氣湍流、閃爍、霧和光強(qiáng)的暫時(shí)空間變化的嚴(yán)重。THz主要的優(yōu)勢(shì)是豐富的帶寬。然而，THz向更高頻率遷移自然會(huì)受到更短的通信范圍和間歇性鏈路行為的限制，如高路徑和反射損耗，LoS路徑不可用與分子吸收等。

1.超大帶寬與超高速率通信能力

與其他頻段相比，THz頻段通信的主要優(yōu)勢(shì)就是擁有豐富的帶寬。THz波的頻率比微波通信高1～4個(gè)數(shù)量級(jí)，這也使THz頻段表現(xiàn)出較大的通信容量。目前國(guó)內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)的THz通信原型驗(yàn)證系統(tǒng)的工作帶寬一般都大于2 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)階段5G通信系統(tǒng)的工作帶寬。超大帶寬資源的利用使得THz通信系統(tǒng)可以支持超高的通信速率，目前工作頻段在300 GHz以下THz通信支持的最高速率可達(dá)100 Gbps，預(yù)計(jì)未來(lái)6G應(yīng)用時(shí)THz通信速率可能達(dá)到Tbps。

2.高傳播損耗

THz頻段的頻率比毫米波更高。依據(jù)電磁波的傳播特性，這個(gè)頻段的傳播與穿透損耗也比較大。Frris自由空間損耗計(jì)算公式為：

其中，LFSdB/km表示路徑損耗，fMHz表示電磁波頻率，dkm表示傳播距離，GFxdBi表示發(fā)射增益，GRxdBi表示接收增益。

THz頻段的通信系統(tǒng)傳播距離會(huì)大大縮短，并且穿透和繞射能力較差，所以更適合用于室內(nèi)短距離高速通信，并且需要利用其他覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，如超大規(guī)模陣列天線技術(shù)來(lái)滿足室外遠(yuǎn)距離覆蓋要求。

在THz頻率下，路徑和反射損耗伴隨著另一種對(duì)通信有害的物理現(xiàn)象，即所謂的分子吸收。分子吸收是由物理介質(zhì)的分子在傳輸時(shí)經(jīng)歷的較高和較低能量狀態(tài)之間的能量差異造成的。分子吸收對(duì)無(wú)線電波傳播的影響表現(xiàn)為衰減、相移和到達(dá)角的變化。這種現(xiàn)象不僅會(huì)降低接收功率，還會(huì)加劇噪聲傳播。分子吸收效應(yīng)在所有頻率下都可以觀察到，但只在THz頻率下有顯著的影響，對(duì)較低頻率如毫米波和sub-6 GHz的影響極小。在THz波段，分子吸收的主要是空氣中水和氧氣。水蒸氣對(duì)300 GHz以上的某些波段具有非常大的衰減值，氧氣主要影響60 GHz頻率附近的無(wú)線電波傳播。分子吸收現(xiàn)象也說(shuō)明了THz通信更適合室內(nèi)場(chǎng)景，因?yàn)槭覂?nèi)條件下的水蒸氣百分比低。這些損耗使THz波段具有頻率選擇性，并且穿透和繞射能力較差，易被建筑物和物體遮擋。

THz頻段同樣會(huì)發(fā)生水汽散射。水汽散射僅與室外環(huán)境相關(guān)，發(fā)生在雨、霧和云中。在下雨的情況下，300 GHz以上頻率的衰減僅取決于降雨率，最高可達(dá)100 dB/km。在霧和云傳播的情況下，衰減水平取決于頻率和液滴的濃度，并且可能高達(dá)幾十dB/km。散射主要發(fā)生在室外環(huán)境，表現(xiàn)為傳播信號(hào)的快速振幅波動(dòng)，這將導(dǎo)致信號(hào)的衰減。

3.LoS路徑與NLoS路徑

在存在反射體和散射體的情況下，THz信道會(huì)產(chǎn)生NLoS。在THz通信中，LoS和NLoS同時(shí)存在，NLoS可以在接收端干擾LoS中的主信號(hào)。NLoS分量的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)LoS受阻時(shí)，接收機(jī)仍能解碼發(fā)射信號(hào)。接收器接收信號(hào)的幅度取決于一些參數(shù)，如表征材料的反射器介電常數(shù)、反射器粗糙度系數(shù)、入射角和波偏振，最后是其朝向發(fā)射器和接收器的位置。NLoS信號(hào)的幅度還受到天線特性、源和接收器之間的距離及包含反射器的平面的影響。

LoS和NLoS傳播場(chǎng)景都適用于室內(nèi)環(huán)境，NLoS的存在主要是由于散射和反射引起的。信道衰減和延遲可以用信道脈沖響應(yīng)h（f，t）的NLoS和LoS分量來(lái)估計(jì)，方法是：

其中，NNLoS是NLoS路徑的數(shù)量，d是距離，f是頻率，δ是狄拉克函數(shù)，l是總衰減。

為了保證THz的LoS路徑的穩(wěn)定性，需要了解用戶移動(dòng)和活動(dòng)范圍的相關(guān)信息。這對(duì)于全息技術(shù)和XR此類需要穩(wěn)定的THz鏈路的未來(lái)應(yīng)用尤為重要。為了減輕由不可避免的分子吸收效應(yīng)和高路徑損耗引起的THz通信鏈路的短程特性，可以密集地部署THz。考慮到波束對(duì)準(zhǔn)的敏感性，密集部署最終可能會(huì)增加LoS干擾。密集的網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以靠近服務(wù)基站，可以選擇通信情況最佳的基站進(jìn)行連接。但是在這種情況下，小小區(qū)可能導(dǎo)致移動(dòng)用戶和各自的基站之間關(guān)聯(lián)不穩(wěn)定，不利于小區(qū)邊緣用戶的性能。

4.噪聲

在THz波段，介質(zhì)中的分子被特定頻率的電磁波激發(fā)。這些被激發(fā)的分子在內(nèi)部振動(dòng)，其中原子以周期性的方式振動(dòng)，分子以恒定的平移和旋轉(zhuǎn)的方式振動(dòng)。由于內(nèi)部振動(dòng)，傳播波的能量部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。從通信角度看，這可以被稱為信號(hào)丟失。這種給定頻率的分子振動(dòng)可以通過(guò)求解特定分子結(jié)構(gòu)的薛定諤方程獲得。

分子吸收會(huì)將電磁能部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而導(dǎo)致信號(hào)損耗。由于大氣溫度或無(wú)線電信道中的傳輸，THz波段的轉(zhuǎn)化會(huì)引入噪聲。由大氣溫度而產(chǎn)生的噪聲被稱為天空噪聲，在無(wú)線電信道中傳輸而引入的噪聲被稱為分子吸收噪聲。Hadeel等人提出了一種THz無(wú)線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)的噪聲模型，該網(wǎng)絡(luò)具有影響系統(tǒng)的單個(gè)噪聲源，并具有約翰遜-奈奎斯特噪聲、黑體噪聲和多普勒頻移誘發(fā)的噪聲，該模型為：

其中，Ga（f）為負(fù)載電阻處的可用頻譜密度，H（f）為功率譜密度，Ssim（f）為各個(gè)噪聲源的譜密度和。

5.信道堵塞

THz系統(tǒng)中主要有3種堵塞：由建筑物、樹(shù)木等引起的靜態(tài)堵塞，由相鄰用戶引起的動(dòng)態(tài)堵塞，以及由自身引起的堵塞。靜態(tài)堵塞是確定性的，可以進(jìn)行合理建模，在室內(nèi)THz網(wǎng)絡(luò)中靜態(tài)堵塞可以忽略不計(jì)。動(dòng)態(tài)堵塞和自身堵塞取決于用戶自身的行為，這種行為因環(huán)境類型而異，例如，行人在道路上的行為不同于處于室內(nèi)區(qū)域的用戶行為。為了正確表示場(chǎng)景的阻塞模型，需要真實(shí)地將環(huán)境的獨(dú)特特征進(jìn)行表征，不能局限于單一的環(huán)境模型。堵塞建模面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是對(duì)大范圍環(huán)境的概化。信道阻塞影響THz波束形成和通信質(zhì)量，因此需要對(duì)THz信道阻塞進(jìn)行合理建模評(píng)估。

6.THz散射和反射

散射和反射是表征電磁波的兩個(gè)物理性質(zhì)，發(fā)射器和接收器之間的區(qū)域可以包含大量不同大小的隨機(jī)分布的散射體。散射分為彈性散射與非彈性彈射。其中，彈性散射中只有波的方向改變，非彈性散射將會(huì)引入能量的變化。散射還包括瑞利散射和米氏散射。瑞利散射發(fā)生在粒子尺度遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)時(shí)；當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)會(huì)發(fā)生米氏散射。雖然產(chǎn)生條件不同，但是米氏散射和瑞利散射都會(huì)影響接收到的THz信號(hào)。對(duì)于100 GHz以上的頻率，散射可以被視為簡(jiǎn)單的反射。無(wú)線電波反射通常發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景。反射信號(hào)取決于反射器的電磁特性、表面粗糙度及反射器相對(duì)于發(fā)射器和接收器的位置。接收端的接收信號(hào)是直射信號(hào)和所有反射信號(hào)的總和。

表1.1給出了500 GHz時(shí)不同材料上的散射功率與反射功率。

7.THz傳輸窗

在THz波通信中發(fā)生的路徑損耗使這些頻帶具有頻率選擇性，不同距離與頻率的環(huán)境下會(huì)有不同的路徑損耗表現(xiàn)。分子吸收定義了多個(gè)傳輸窗口，帶寬范圍從幾十GHz到幾百GHz，具體取決于傳輸距離和介質(zhì)的分子組成。

目前，THz在1～10米的通信范圍內(nèi)研究的重點(diǎn)主要集中在4個(gè)THz窗口，分別是120～140 GHz、240 GHz、300 GHz和650 GHz的傳輸窗口。在這些透射窗口內(nèi)，分子吸收損耗遠(yuǎn)低于擴(kuò)散損耗。其中，300 GHz為中線的窗口具有低衰減與高帶寬的優(yōu)點(diǎn)，可用帶寬為69.12 GHz，可以細(xì)分為獨(dú)立的信道或子帶。用于通信的THz窗口取決于許多參數(shù)，例如，通信范圍和技術(shù)要求。當(dāng)由于較長(zhǎng)距離的分子吸收導(dǎo)致通道脈沖響應(yīng)衰減較高時(shí)，可以基于節(jié)點(diǎn)之間的距離選擇傳輸窗口。