[论文解读] TeraHertz Band Communication: An Old Problem Revisited and Research Directions for the Next Decade

Ian F. Akyildiz, Chong Han+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 23

一句话总结

本文重新审视太赫兹（THz）频段通信作为6G及未来无线系统的核心，综合了过去十年的研究进展，并识别出尚未解决的挑战。它提出了一项全面的路线图，涵盖器件、传播建模、信号处理、网络架构、测试平台和标准化，其核心贡献在于为太赫兹通信提供统一愿景，使其成为未来高容量、低时延以及集成感知与通信网络的支柱。

ABSTRACT

Terahertz (THz) band communications are envisioned as a key technology for 6G and Beyond. As a fundamental wireless infrastructure, THz communication can boost abundant promising applications. In 2014, our team published two comprehensive roadmaps for the development and progress of THz communication networks [1], [2], which helped the research community to start research on this subject afterwards. The topic of THz communications became very important and appealing to the research community due to 6G wireless systems design and development in recent years. Many papers are getting published covering different aspects of wireless systems using the THz band. With this paper, our aim is looking back to the last decade and revisiting the old problems and pointing out what has been achieved in the research community so far. Furthermore, in this paper, open challenges and new research directions still to be investigated for the THz band communication systems are presented, by covering diverse topics ranging from devices, channel behavior, communication and networking, to physical testbeds and demonstration systems. The key aspects presented in this paper will enable THz communications as a pillar of 6G and Beyond wireless systems in the next decade.

研究动机与目标

• 评估过去十年太赫兹（THz）频段通信的技术现状，并识别剩余的研究空白。
• 重新评估太赫兹系统中距离限制、传播损伤和硬件约束等基本挑战。
• 为6G及未来系统提出太赫兹器件设计、信道建模、信号处理和网络架构的新研究方向。
• 突出太赫兹通信在新兴应用中的作用，包括太赫兹WiFi、太赫兹物联网（Tera-IoT）、集成感知与通信（ISAC）以及纳米级网络。
• 倡导协调一致的标准化和频谱管理举措，以实现太赫兹系统的可扩展部署。

提出的方法

• 对2014年至2023年期间太赫兹通信研究进行全面调查，综合器件开发、信道测量和系统级仿真的研究成果。
• 分析30多个太赫兹测试平台及在140 GHz、220 GHz和300 GHz频段的实地测量结果，以支持传播和信道建模。
• 提出混合确定性-统计信道建模方法，以捕捉太赫兹波在不同环境（包括室内、室外和体内）中的独特行为。
• 将可重构智能表面（RIS）和超大规模MIMO（UM-MIMO）集成到太赫兹网络架构中，以增强波束成形和覆盖范围。
• 评估基于太赫兹的ISAC（集成感知与通信）在毫米级定位和AR/VR等应用中的可行性。
• 梳理当前的标准化格局，包括IEEE 802.15.3d、ITU-R IMT 100 GHz以上频段，以及未来太赫兹频段分配的3GPP/ITU新兴工作。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管过去十年取得了显著进展，太赫兹器件与电路设计仍面临哪些关键技术障碍？
• RQ2 太赫兹波在不同环境中的传播特性如何变化？何种模型最能准确捕捉其在100 GHz以上频段的行为？
• RQ3 为克服太赫兹频段严重的路径损耗和短通信距离，需要哪些新型信号处理与多址接入技术？
• RQ4 太赫兹网络如何在波束成形、窄波束系统中高效支持移动性、多跳路由和干扰管理？
• RQ5 除了移动宽带之外，太赫兹通信最具前景的应用场景有哪些，例如纳米网络、感知和空间通信？

主要发现

• 由于太赫兹器件的重大进展，特别是过去十年间，太赫兹技术差距已基本弥合，实用化收发器和天线成为可能。
• 在140 GHz、220 GHz和300 GHz频段的传播研究已提供宝贵的信道测量数据，但在更高频段以及非传统环境（如体内和空间）中仍需大量研究。
• 超大规模MIMO和可重构智能表面（RIS）的使用对缓解路径损耗、扩展波束成形太赫兹网络的覆盖范围至关重要。
• 尽管已在300 GHz频段制定了点对点标准（IEEE 802.15.3d），但6G太赫兹系统的全面标准化预计将在2023至2025年间启动，涵盖扩展的频段和新的应用场景。
• 基于太赫兹的集成感知与通信（ISAC）可实现新应用，如亚毫米级室内定位、车载雷达以及太赫兹VR/AR，潜在感知分辨率可达1–3 mm。
• 协调一致的频谱管理与政策框架——如美国FCC与NTIA的联合倡议——对于确保太赫兹频段的高效共存与长期规划至关重要。