一、引言

2015年10月1日，ITU-R（Radiocommunications sector for International Telecommunication Union，國際電信聯(lián)盟無線電通信局）發(fā)布了編號為“Report ITU-R SM.2352-0”的研究報告——“Technology trends of active services in the frequency range 275-3000 GHz（《在275~3000 GHz頻段內(nèi)提供有源業(yè)務(wù)的技術(shù)趨勢》）”。

二、國際電信聯(lián)盟無線電通信局進行相關(guān)研究的背景及目的

該報告的“Introduction（引言）”部分指出：目前，國際電信聯(lián)盟并未將275 GHz頻點以上的物理頻段劃分給具體的無線電業(yè)務(wù)使用，但RR（Radio Regulation，《國際無線電規(guī)則》）已經(jīng)確定將其用于無源業(yè)務(wù)服務(wù)的提供，其中包括射電天文業(yè)務(wù)、衛(wèi)星地球探測業(yè)務(wù)（無源）和空間研究業(yè)務(wù)（無源）等。但是另一方面，并不排除相關(guān)的有源業(yè)務(wù)對于275~3000 GHz頻段的使用。

另外，目前，IEEE（國際電子與電氣工程師協(xié)會）已經(jīng)確定由IEEE 802.15.3d任務(wù)組來制定IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)——包括于275 GHz頻點以上物理頻段運行的PHY（物理）層，但是尚未確定將275 GHz頻點以上物理頻段用于有源業(yè)務(wù)服務(wù)的提供，《國際無線電規(guī)則》也并未針對275~3000 GHz頻段進行劃分。

國際電信聯(lián)盟無線電通信局認(rèn)為，迅速地了解全球于275 GHz頻點以上物理頻段內(nèi)提供有源業(yè)務(wù)服務(wù)在當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展趨勢是很有必要的，可以及時地掌握THz（Terahertz，太赫茲）物理頻段技術(shù)在無線電通信領(lǐng)域之中的應(yīng)用情況。

而進一步地，從政府相關(guān)部門監(jiān)管的角度，為了避免在275~3000 GHz頻段內(nèi)運行的既有無源業(yè)務(wù)與正在研發(fā)、即將得到部署的有源業(yè)務(wù)之間出現(xiàn)潛在干擾，需要及時研究有源業(yè)務(wù)在275~3000 GHz頻段內(nèi)的技術(shù)及運行特性。該報告的第3部分“Regulatory information（規(guī)制/監(jiān)管信息）”還著重指出，對于那些希望將275~1000 GHz物理頻段內(nèi)的部分無線頻譜資源應(yīng)用于提供有源業(yè)務(wù)服務(wù)的國家，國際電信聯(lián)盟無線電通信局敦促其采取一切切實可行措施，在相關(guān)的頻率劃分表確定好之前，保護既有無源業(yè)務(wù)免受潛在的有害干擾。

為此，國際電信聯(lián)盟無線電通信局開展了相關(guān)研究，并發(fā)布了此份技術(shù)報告，介紹了于275~3000 GHz頻段內(nèi)部署有源業(yè)務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)趨勢（主要討論了太赫茲頻段內(nèi)的無線通信技術(shù)、感應(yīng)技術(shù)以及成像技術(shù)），并為后續(xù)的共用性研究及兼容性研究提供技術(shù)信息。

三、太赫茲物理頻段與相關(guān)典型應(yīng)用發(fā)展趨勢

（1）物理特性

該報告的“THz features， characteristics and typical applications”部分對于太赫茲物理頻段的特性、特點與目前的典型應(yīng)用趨勢進行了介紹。

其中指出，275 GHz頻點以上物理頻段是太赫茲頻段THz的主要組成部分——太赫茲波段（也被業(yè)界稱為“亞毫米波輻射”）通常是指0.1 THz~10 THz物理頻段和0.03 mm~3 mm波長所對應(yīng)的物理頻段。具體如圖1所示。

圖1、太赫茲頻段于整個無線電頻譜之內(nèi)所處的位置

（2）獨特優(yōu)勢

以傳統(tǒng)無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，全球業(yè)界對于太赫茲物理頻段無線通信的研發(fā)工作經(jīng)歷了微波、毫米波到太赫茲波的過程，其中還部分地考慮到了激光無線通信。

該報告緊接著指出，現(xiàn)行的微波通信與激光通信最終不會被太赫茲波通信所取代，而太赫茲波通信系統(tǒng)卻具有多數(shù)微波通信系統(tǒng)與激光通信系統(tǒng)所不具備的獨特優(yōu)勢——主要體現(xiàn)在介電常數(shù)（對許多介電材料和非極性液體具有良好的滲透性）、水中快速衰減（可為醫(yī)療界所用）、安全（此頻段內(nèi)的無線電信號無法穿透人體）、頻譜分辨率（很多分子（尤其是有機分子）在此頻段具有強大的擴散與吸收特性）、高空間分辨率（此頻段的空間分辨率與成像分辨率均高于微波頻段）、短波長和良好的指向性（于單位時間內(nèi)可承載更多的通訊信息）這六大方面。

原報告對上述六大方面進行了詳細描述，有興趣的讀者朋友可以進一步地查閱和研究。

（3）潛在的典型應(yīng)用領(lǐng)域

該報告指出，目前，275~3000 GHz頻段主要被應(yīng)用于天文觀測，而隨著高功率太赫茲輻射源的出現(xiàn)，該頻段將會有著廣泛的潛在用途——于其中，典型的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ㄌ煳膽?yīng)用、分子檢測應(yīng)用、安檢應(yīng)用、生物藥品應(yīng)用、雷達應(yīng)用以及于無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

原報告對上述六大潛在的典型應(yīng)用領(lǐng)域進行了詳細描述，有興趣的讀者朋友可以進一步地查閱和研究。下面僅介紹與本文主題相關(guān)的太赫茲無線通信領(lǐng)域應(yīng)用。

從上文中的圖1看來，275~3000 GHz頻段處于整個無線電頻譜內(nèi)的光區(qū)/電區(qū)轉(zhuǎn)換部分，從而，太赫茲頻段就同時具有微波通信的特性以及光波通信的特性：

首先，太赫茲波通信可有效地彌補微波通信的不足：隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的微波通信系統(tǒng)就越來越難以滿足無線通信對于高速、寬帶的發(fā)展需求。而275~3000 GHz頻段具有潛在可用的大的物理帶寬、相關(guān)系統(tǒng)潛在具備高無線數(shù)據(jù)傳輸速率能力，從而就可以被應(yīng)用到未來的無線通信系統(tǒng)之中；

其次，太赫茲波通信可有效地彌補光波通信的不足：在灰塵、墻體、塑料、布匹和其它非金屬或者非極化物質(zhì)中，光波傳輸?shù)?a target="_blank">信號衰減嚴(yán)重。而275~3000 GHz頻段內(nèi)的無線電信號可以以極低的電平損耗來穿透這些物質(zhì)，從而就具背了對于惡劣無線電信號傳播環(huán)境中的良好穿透能力。

最后，將太赫茲波物理頻段應(yīng)用于無線電通信領(lǐng)域也有一定的劣勢：其中最大的劣勢在于，太赫茲波無線電信號容易被大氣中的極性分子吸收，從而會形成較為嚴(yán)重的大氣衰減（下雨天的信號衰減將會更為嚴(yán)重）。

該報告緊接著指出，上述特性決定了在未來，太赫茲波物理頻段將會主要被應(yīng)用于星際通信、地面短距離寬帶移動通信，并主要將適用于干燥霧霾天氣或者戰(zhàn)場等惡劣外部環(huán)境。

四、太赫茲頻段無線通信的五大潛在典型應(yīng)用方向

為了切合本文的主題，下文著重對該報告的第4部分“THz wireless communication（太赫茲無線通信）”進行詳細介紹。

1）四大具體問題

該報告指出，在研究太赫茲波段無線通信的潛在典型應(yīng)用方向時，應(yīng)考慮到以下的具體問題：

（1）對于具有超寬頻段的物理帶寬的使用；

（2）對于通信天線及設(shè)備進行小型化處理的可能性；

（3）高指向性以及大的自由空間傳播損耗（相關(guān)波長小于60 GHz頻段的五分之一。雖然自由空間的傳播損耗達到了25倍甚至更高，但是可以通過通信天線的高增益特性進行補償）；

（4）研發(fā)位于該工作頻段內(nèi)的振蕩器、功率放大器和波束控制天線等的制造技術(shù)。

2）潛在典型應(yīng)用方向之一：芯片之間以及電路板之間的超近距離無線通信

如圖2所示，相互連接的芯片部件與電路板可以采取無線通信方式來消除線纜布設(shè)，并最終達到使底層與裝置小型化的效應(yīng)。

圖2、芯片之間以及電路版之間的超近距離太赫茲頻段無線通信場景

這一潛在應(yīng)用場景的典型要求為：

（1）無線通信的物理距離

根據(jù)相關(guān)的總結(jié)，在同一物理空間內(nèi)部署芯片以及/或者部署芯片襯底時，通信距離在數(shù)毫米（屬于超近距離）到數(shù)厘米（屬于臨近距離）之間。

（2）無線數(shù)據(jù)傳輸速率

芯片之間以及電路板之間的超近距離無線通信，典型的無線數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到數(shù)十Gbit/s。

在數(shù)據(jù)傳輸速率方面：①國際上已確定符合USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)的接口采取10 Gbit/s的速率；②而對于PCI Express 4.0接口，國際上已將數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)化（4 GB/s ×8 bit/B= 32 Gbit/s雙向）；③如進行64信道PCI Express 4.0接口綁定，相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸速率還將可被提升至4 GB/s ×64 = 256 GB/s=2048 Gbit/s）。

該報告緊接著指出，雖然并不總是需要為超過Tbps級別數(shù)據(jù)傳輸速率的通信提供相關(guān)的支撐，但是在利用太赫茲物理頻段進行超近距離無線通信的芯片之間和電路板之間，將需要具備至少數(shù)十Gbit/s的超高速數(shù)據(jù)傳輸能力。

（3）無線信號的傳播環(huán)境

此方面，宜采取外罩內(nèi)的超近距離和臨近模型（注：此處的“罩”所指的是一種伴有強大反射波的金屬外罩），而且必須研究采取LoS（視距）通信與NLoS（非視距）通信的實現(xiàn)方式，還必須要考慮到超近距離排列的設(shè)備之間的多路徑無線傳輸以及通過太赫茲頻段無線電波穿透芯片襯底而實現(xiàn)的設(shè)備外罩內(nèi)壁多路徑效應(yīng)。

3）潛在典型應(yīng)用方向之二：通過近場通信實現(xiàn)內(nèi)容與“云”的同步

最近，采用云計算/云存儲技術(shù)的服務(wù)以及智能手機終端與云數(shù)據(jù)中心之間的協(xié)作型服務(wù)均在迅速地發(fā)展。相關(guān)應(yīng)用場景如圖3所示。

圖3、通過太赫茲頻段近場通信實現(xiàn)內(nèi)容與“云”的同步

云存儲服務(wù)是云服務(wù)的典型類型之一，其可在用戶主觀上感知不到相關(guān)同步過程的情況下，通過網(wǎng)絡(luò)對用戶移動智能終端上的圖片與視頻內(nèi)容進行云存儲。但是，3G（第三代移動通信）系統(tǒng)與LTE（長期演進）移動通信系統(tǒng)采取分組通信技術(shù)，在用戶不知情的情況下，移動智能終端進行內(nèi)容的云同步化，會導(dǎo)致蓄電池能耗的增大，縮短每次充電后的使用時長。

為此，這一使用場景所提出的相關(guān)解決方案為：比如，除了火車站自動檢票口的IC計費功能之外，用戶在外出途中，還可隨身攜帶具有太赫茲物理頻段通信功能的智能手機，經(jīng)過火車站檢票口時，通過太赫茲通信同時實現(xiàn)內(nèi)容的云同步化，減小智能手機的耗電量。

上述應(yīng)用場景的典型需求為：（1）無線通信的物理距離——數(shù)厘米（屬于臨近距離）；（2）無線數(shù)據(jù)傳輸速率——4 Gbit/s~數(shù)十Gbit/s；（3）無線信號的傳播環(huán)境——設(shè)備之間的臨近傳輸模型（視距無線通信）；（4）所需的BER（誤碼率）：最高為10-12。

可見，雖然無線通信距離僅為幾厘米的量級，而為了使數(shù)據(jù)或內(nèi)容在大約1秒鐘的極短時間內(nèi)進行與云端的同步化，無線數(shù)據(jù)的傳輸速率應(yīng)盡可能的快。于是，除了通信速率外，還有必要研發(fā)相關(guān)的認(rèn)證系統(tǒng)以及關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，以期縮短建立無線通信鏈路的時間。

另外，即使超過100 Gbit/s無線數(shù)據(jù)傳輸速率的NFC（近場通信）具備技術(shù)上的可行性，仍有必要研究這些應(yīng)用場景之中配備了相關(guān)功能的移動智能終端，能否以其內(nèi)部存儲器件的讀/寫速度來匹配如此高速的無線數(shù)據(jù)傳輸——比如說，目前，全球最快的SSD（固態(tài)硬盤）的讀/寫速率約為500 Mbytes/s（即4 Gbit/s）。

此外，由于該應(yīng)用場景的無線信號傳播環(huán)境將是僅適用于視距通信的設(shè)備間臨近模型，從而就需要進一步地研究臨近設(shè)備間的多路徑反射是否會對如此高速的無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生一定的影響。

4）潛在典型應(yīng)用方向之三：數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的無線通信

最近，利用了“云”端資源的各項服務(wù)得到了快速的發(fā)展，從而使得全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心/云數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提速。數(shù)據(jù)中心/云數(shù)據(jù)中心擁有部署了存儲模塊和多交換機的不同服務(wù)器的物理機架，業(yè)界越來越意識到，服務(wù)器之間最好采取采用無線方式進行連接與相互通信。相關(guān)應(yīng)用場景如圖4所示。

圖4、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的太赫茲頻段無線通信

這一應(yīng)用場景的典型需求為：（1）無線通信的物理距離——數(shù)厘米到數(shù)米（屬于臨近距離）。具體地，相關(guān)的場景假設(shè)為“服務(wù)器機架內(nèi)，縱向排列的服務(wù)器之間通信距離為數(shù)厘米，而機架的連接間距為數(shù)米”；（2）無線數(shù)據(jù)傳輸速率——數(shù)十Gbit/s~數(shù)百Gbit/s；（3）無線信號的傳播環(huán)境——辦公室模型（視距無線通信）與兩徑模型（非視距無線通信）。具體地，可以假設(shè)辦公室模型中采用了較低滲透性/較高反射性的建筑材料，而服務(wù)器機架被部署于靠近墻面的位置并用太赫茲物理頻段無線通信鏈路取代背板電纜連接，則據(jù)可在背板之間采取兩徑模型；（4）所需的BER（誤碼率）：最高為10-12。

5）潛在典型應(yīng)用方向之四：無線移動回程與無線移動前傳

移動回程鏈路是移動通信基站與更集中化網(wǎng)元之間的線路連接，而移動前傳鏈路則是移動基站無線設(shè)備控制器與遠程無線頭端（無線單元）之間的線路連接。可以預(yù)見的是，在未來，隨著小基站的大規(guī)模部署、CoMP（協(xié)作式多點傳輸）以及/或者C-RAN（“云”無線接入網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的進一步發(fā)展與現(xiàn)網(wǎng)部署，蜂窩移動通信系統(tǒng)對于移動回程鏈路以及移動前傳鏈路所需的數(shù)據(jù)傳輸速率就將會隨之提高。在無法部署光纖電纜網(wǎng)絡(luò)的情況下，利用無線網(wǎng)絡(luò)來組建這類鏈路的相關(guān)解決方案具有實際部署應(yīng)用的價值。

上述應(yīng)用場景的典型需求為：（1）無線通信的物理距離——500米~1000米；（2）無線數(shù)據(jù)傳輸速率——最高可達100 Gbit/s；（3）無線信號的傳播環(huán)境——室外環(huán)境；（4）所需的BER（誤碼率）：目前尚未得到最終確定。

該報告緊接著指出，在需要數(shù)十Gbit/s無線數(shù)據(jù)傳輸速率的情況下，可以把太赫物理頻段移動回程/移動前傳做為具有吸引力的解決方案。2014年元月，J. Antes博士等人在IEEE 802.15-14-0017-00-0thz工作組的洛杉磯會議上，作了題為“High Data Rate Wireless Communication using a 240 GHz Carrier（基于240 GHz頻段載波實現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率的無線通信）”的報告，其中介紹了其于1公里的無線鏈路中實現(xiàn)24 Gbit/s的無線數(shù)據(jù)傳輸速率的相關(guān)演示系統(tǒng)。

6）潛在典型應(yīng)用方向之五：太赫茲頻段WLAN（無線局域網(wǎng)絡(luò)）

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線局域網(wǎng)絡(luò)在人類生活、生產(chǎn)與工作當(dāng)中所發(fā)揮的作用越來越重要，極大程度地免除了由線纜連接所帶來的束縛。如今，同因特網(wǎng)和移動通信網(wǎng)絡(luò)一樣，無線局域網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了人們進行信息傳輸?shù)闹匾侄危V泛地被用于機場、辦公室、餐館和家庭環(huán)境之中。

如圖5所示，太赫茲物理頻段的頻率要高出微波頻段1~4個數(shù)量級，且其無線數(shù)據(jù)傳輸速率將有望達到10 Gbit/s。考慮到太赫茲頻段無線局域網(wǎng)絡(luò)具備高速、大寬帶、結(jié)構(gòu)緊湊/小巧、低輻射損耗以及強大抗干擾能力等特性優(yōu)勢，未來，可將其應(yīng)用于高質(zhì)量視頻通話、視頻會議、真實三維立體游戲等商業(yè)及軍事用途。

圖5、太赫茲頻段無線局域網(wǎng)絡(luò)

上述應(yīng)用場景的典型需求為：（1）無線通信的物理距離——數(shù)十米（不超過100米）；（2）無線數(shù)據(jù)傳輸速率——數(shù)Mbit/s~數(shù)十Mbit/s；（3）無線信號的傳播環(huán)境——辦公室、機場與賓館等；（4）所需的BER（誤碼率）：最高為1×10-6。

5、總結(jié)

該報告的第6部分“THz related activities within the international standard organization（國際標(biāo)準(zhǔn)組織的太赫茲相關(guān)研發(fā)活動）”指出：IEEE 802.15于2008年成立了太赫茲IG（興趣組），重點關(guān)注將可在275~3 000GHz頻段運行的太赫茲通信與相關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，其中包括：

組件到組件、控制板到控制板、機器到機器、人到機器和人到人（室內(nèi)與室外）之間的無線通信。根據(jù)相關(guān)設(shè)想，總體上，太赫茲頻段無線通信將采取有限復(fù)雜度的無線調(diào)制方法、全向天線以及/或者定向天線系統(tǒng)，并以10 Gbit/s的倍數(shù)在高至100 Gbit/s的范圍內(nèi)提供極高的無線數(shù)據(jù)傳輸速率，以適應(yīng)未來光纖電纜數(shù)據(jù)容量的增長。太赫茲頻段無線通信系統(tǒng)可支持極短距離（數(shù)厘米甚至更短）至較長距離（數(shù)百米）的高速數(shù)據(jù)傳輸。