科技行业：2023 6G太赫兹技术基础研究报告

6G太赫兹技术基础研究报告 白皮书|版本01.00|TaroEichler博士、RobertZiegler Makeideasreal 目录 1引言3 2下一代无线通信标准6G4 研究领域 2.1从5G到6G――愿景与关键技术4 2.26G5 毫米波和太赫兹频率的新频谱 3太赫兹波的特性和应用10 太赫兹的应用 3.16G10 大量应用场景尚待探索 3.2..............................................................................................................................12 太赫兹波在大气遥感和天体物理学领域的应用 3.2.1.............................................................................................................12 通信太赫兹波：有哪些潜在用途？ 3.2.2................................................................13 电磁频谱及应用 3.3......................................................................................15 太赫兹波与物质的相互作用 3.4..........................................................................................................................16 3.5....................................................................................................16 从电子学到光子学 4太赫兹的产生及电子和光子技术分析19 消除“太赫兹空隙” 4.1.....................................................................................................................19 电子和光子边界线上的太赫兹辐射源 4.2.................................................................................................................19 上变频：电子太赫兹波的产生与分析 4.3..................................................................................20 具有计量级精度的基于矢量网络分析仪的太赫兹测量 4.4..................................................................................21 频段宽带信号的产生与分析 4.4.1...................................................22 频段天线辐射性能测量 4.4.2D23 直接产生太赫兹光子：量子级联激光器 4.4.3D24 带间二极管激光器 4.5(QCL)27 太赫兹量子级联激光器：异质结构设计的子带间激光跃迁 4.5.1.....................................................................................................................27 下变频光子方法：通过光混合从光频率转换为太赫兹频率 4.5.2(QCL)28 时域产生太赫兹：基于飞秒激光器的光谱学和成像 4.6..........................................29 4.7.......................................................32 高频应用半导体的材料特性 5毫米波和太赫兹电子器件半导体技术33 最先进毫米波功率放大器概述 5.1....................................................................................................33 5.2...............................................................................................37 从信道探测到信道模型 6100GHZ以上的信道传播测量38 时域信道探测 6.1.............................................................................................................38 罗德与施瓦茨公司慕尼黑总部的太赫兹信道测量 6.2300GHz40 测量场景和结果 6.3............................................................41 室外街道峡谷场景城市微蜂窝 6.4..........................................................................................................................43 研发大楼中庭室内购物中心机场场景 6.4.1((UMI))44 6.4.2/.................................................................................47 7结语50 8参考文献51 1引言 太赫兹(THz)的频率为0.1THz至10THz，波长为3mm到30μm，属于微波与光波之间的频谱区间。目前为了满足Tbit/s量级的极高数据传输速率的需要，我们必须提供大量连续的频谱资源，因此，太赫兹频段成为下一代无线通信(6G)的重点研究领域。预计在2030年左右就会实现商业部署。 我们需要采用跨学科的方法将射频电子与高频半导体技术紧密结合，同时还需要利用光子技术的替代方法，努力探索和“解锁”这一频率范围的潜能。从成像到光谱和感知的许多应用领域，太赫兹技术都显现出巨大的前景。 本白皮书旨在简述太赫兹技术及其在各种应用中的特性，尤其是在6G通信应用中的特性。 第2章介绍了6G的关键性能要求和研究领域。 第3章讨论了基于太赫兹的通信和感知等应用前景。这些应用需要将频谱扩大到100GHz以上的频率。在这其中，太赫兹波与物质的相互作用对应用场景有重大影响。 第4章重点介绍了产生太赫兹辐射的各种方法。未来，除了使用电子MMIC(单片微波集成电路)外，基于光子技术的方法也会发挥关键性作用。特别是当今实验室装置逐渐小型化至光子集成电路(PIC)，这些方法可能会成为主流。 但是目前主流技术仍然是基于已确定的生产流程，通过高水平集成，利用电子学实现太赫兹技术。频率的限制也在进一步的加剧。第5章概述了高频半导体技术现状。 在2023年国际电信联盟(ITU)世界无线电通信大会(WRC23)上，100GHz以上的额外频带将成为讨论内容。在未来WRC27大会上，还会讨论这些频带的分配问题。目前的各种可行性研究是力争证明太赫兹通信的充分潜力。 为了充分发挥太赫兹的潜力以发展未来通信，如6G等通信标准的制定，通过信道测量以理解各种传播特性变得至关重要。后续针对新通信频带的新信道模型开发意味着标准化进程的开始。 第6章描述了信道传播测量的概念，并介绍了罗德与施瓦茨慕尼黑总部针对158GHz和300GHz信道探测活动的初步成果。 2下一代无线通信标准6G 2.1从5G到6G—愿景与关键技术 行业需要花费数年时间才能建立覆盖全国的5G网络，陆续实现新的通信能力和服务。5G为工业4.0等新应用场景打开了大门，其中具有代表性的服务类别有：增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低时延通信(URLLC)和海量机器类通信(mMTC)。虽然5G服务将继续朝着3GPPR18演进 发展，但学术界和行业内已经开始研究下一代无线通信(6G)的基础理论。预计到2030年左右 会实现商业部署，在此之前一年可能就会推出试商用版。[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10]等文献在6G愿景和技术概述方面给出了不同观点。本书重点介绍其中几个关键方面。 国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R)5D工作组(WP5D)于2021年开始制定新的建议书草案《IMT愿景――2030年及之后》，以确定IMT2030+未来发展的框架和总体目标，最终命名为“6G”。首个3GPP标准化工作预计将于2023/24年以确定技术性能要求为始。标准定义则将从2026/2027年开始。 目前我们很难预测业内构想的哪些应用和用例最终会成为下一代无线标准的主要驱动力，进而影响6G的系统要求(KPI)和技术。其中具有潜力的应用场景包括全息应用、扩展现实XR(AR、VR、混合现实(MR))或数字孪生，这些场景对数据传输速率和时延都有着极其严苛的要求。6G愿景是：在6G时代，数字世界、物理世界和人类世界将无缝融合(信息物理融合)，形成一个互联社会。在这个互联社会中，通信将人、机器和虚拟服务与我们日常生活的所有必要组成部分联系起来。部署的传感器和执行器需要以极高的速度，安全地传输和处理数据，实现“沉浸式通信”。 表1总结了预估的KPI要求。6G的目标值大约是5G的10至100倍，这也给无线通信和传输网络带来新的挑战。 在某些对时间敏感的同步控制应用中(例如，工厂自动化等工业应用环境中)，具有一致性、确定性且波动小(低抖动)的端到端时延相比净时延更受关注。这些被[11][12]定义为新的 K作PI 。通过无线技术的时空同步，可以实现远程设备的时间同步和相互定位，从而完成协同工 [9]。 表1：从5G到6G关键性能指标(KPI)的增强预期 抖动是一个新的KPI，它定义了时延敏感类操作的时延波动门限值[11][12]。 关键性能指标(KPI) 5G 6G 改善因子 峰值数据速率(单位：Gbps)用户体验数据速率单位： 10 100至1000 至 10至100 至 用户面时延(单位：ms) 1 0.1 10 可靠性 99.999% 99.99999% 100% (Gbps)0.11 1010 100 连接密度(单位：设备/km2) 106 107至108 10至100 能效 1× 5×至100× 5×至100× 定位(单位：cm) 二维：20至100 三维：1 20至100 抖动，即时延变化(μs) – 0.1至1000 – 频谱效率 1× 2× 2 新的6G通信标准应该是以人为本的、可持续性的、包容的社会的重要基础[9]。人们的生活空间会扩大，通信也需要覆盖到这些地区。例如，联合国可持续发展目标(SDG)就发布了一套指导方针，采用能源和资源足迹的形式，其中还涉及向偏远地区提供平等、负担得起和可扩展的服务。当前网络节能技术已经受到关注，这不仅是由于环境影响，还因为它对网络运营商的运营效率(OPEX)有重大影响。为了应对指数级增长的数据通信需求，单个传输比特(所消耗)的能量必须降低。 2图.26G 研究领域