B5G毫米波和太赫兹技术的背景、 应用和挑战

彭琳 段亚娟 别业楠

摘要：认为在后5G（B5G）和6G时代，毫米波和太赫兹通信在地面无线移动通信及空间通信中都将发挥重要作用。从发展的预期来看，B5G将扩展到毫米波高端频谱，而6G将扩展到太赫兹频段。要将高频毫米波和太赫兹通信推向实际部署，还需要解决射频器件、天线、信号处理复杂度、空间信道建模、组网的一系列关键问题。

关键词：毫米波通信;太赫兹通信;未来移动通;B5G

Abstract： In Beyond 5G （B5G） and 6G era， the millimeter wave and terahertz communication will play an important role in wireless mobile communication and space communication. B5G will extend to the high-end millimeter wave spectrum and 6G will extend to terahertz frequencies. To push the millimeter wave and terahertz communication to actual deployment， it still need to face many key challenges in radio frequency （RF） devices， antenna， signal processing complexity， space channel modeling and networking.

Key words： millimeter wave communication; terahertz communication; future mobile communication; B5G

1 技術背景

随着无线通信的快速发展，频率在30 GHz以下的无线电波已经得到了广泛应用;但是各种信息终端的大量涌现，使得无线数据速率每18个月就翻一番[1]，无线通信系统呈现出超高数据速率的爆炸性增长趋势。虽然5G接入的峰值速率为1～20 Gbit/s，但仍不能满足未来无线通信中日益增长的数据流量要求。例如，虚拟现实（VR）设备的最小数据速率将达到10 Gbit/s。此外，无压缩的超高清视频和3D视频的数据速率将分别达到24 Gbit/s和100 Gbit/s[2]。要达到更高的信息传输的数据速率，根据香农定理，在当前常规频段带宽受限条件，可以通过努力进行改进。但如果要实现数据传输速率达到100 Gbit/s甚至1 Tbit/s，改进仍然是不切实际或者代价巨大的。为了更好地解决这一问题，需要探索新的频段。

毫米波和太赫兹波，是一种介于无线电与光之间的电磁波。从30 GHz到3 THz的频率仍然没有得到充分利用。毫米波和亚太赫兹频段的大气衰减特性如图1所示[4]，存在一些宽频带的“大气窗口”，具有较低的大气衰减。如果能保证这个范围内的宽频带，就有可能使用高阶调制以超过100 Gbit/s的速度进行高速无线通信[3]。……