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6G太赫兹通信信道建模研究

一、太赫兹频段的物理特性及其通信潜力

（一）太赫兹频段的频谱特性

太赫兹频段通常定义为0.1THz至10THz，介于毫米波与红外光之间。根据国际电信联盟（ITU）2022年发布的《无线电规则》，该频段具有超宽连续频谱资源（如275GHz-450GHz已被划归为6G候选频段），单信道带宽可达数十GHz，远超5G毫米波频段的800MHz上限。这种特性使其理论峰值速率可达1Tbps，是5G的100倍以上。

（二）传播特性与信道建模挑战

太赫兹波在自由空间的路径损耗遵循Friis定律，但其分子吸收效应显著。例如，在350GHz频段，氧气吸收损耗可达10dB/km（数据来源：IEEETransactionsonTerahertzScienceandTechnology,2021）。同时，粗糙表面散射导致的扩散反射损耗比毫米波频段高2-3个数量级，这对信道建模的精确性提出了更高要求。

二、太赫兹信道建模的关键技术路径

（一）确定性建模方法

基于射线追踪（RayTracing）的确定性模型在室内场景中表现优异。2023年NTTDocomo的实验表明，在28m2的办公室环境建模中，结合几何绕射理论（GTD）的改进算法可将均方误差降低至3.2dB。但该方法对场景数据库的精度要求极高，1cm级别的三维地图误差会导致0.8dB的预测偏差。

（二）统计建模方法

3GPPTR38.901扩展模型已被应用于太赫兹频段。研究表明，在城区微蜂窝场景下，路径损耗指数n值从毫米波的2.1上升至2.8，莱斯K因子下降约5dB。美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的混合模型整合了大气衰减、表面粗糙度等28个参数，实现了95%的实测数据拟合度。

三、典型应用场景的信道特性分析

（一）室内高密度场景

在数据中心等场景中，金属机柜引起的镜面反射占比达63%（数据来源：中国移动研究院2023白皮书）。多径时延扩展典型值为2-5ns，但受设备密集排列影响，空间相关性系数高达0.92，较传统办公室场景提升40%。

（二）空地一体化通信

无人机基站与地面终端间的信道呈现显著的高度依赖性。实验表明，当无人机高度从50m升至200m时，路径损耗标准差从8.7dB降至4.2dB，但大气湍流引起的信号起伏方差增加1.7倍。

四、信道建模中的关键科学问题

（一）分子共振效应建模

水蒸气在557GHz、752GHz等频点存在强烈吸收峰。德国弗劳恩霍夫研究所开发的ML-Atmosphere模型，通过量子力学计算结合机器学习，将吸收损耗预测误差控制在±0.3dB/km以内。

（二）超大规模天线阵列影响

当天线孔径超过100λ时，传统平面波假设失效。清华大学提出的波前曲率修正模型，在1m间距的256单元阵列测试中，将波达方向估计误差从3.5°降至0.8°。

五、未来研究方向与技术突破点

（一）智能反射面增强技术

可重构智能表面（RIS）在太赫兹频段的单元尺寸需缩小至亚毫米级。东南大学研制的石墨烯基超材料单元，可在0.3-0.45THz范围内实现120°相位调控，反射效率达78%。

（二）人工智能辅助建模

深度神经网络在信道预测中展现优势。华为2023年发布的HiChannel6G系统，采用图神经网络处理三维场景数据，将建模时间从传统方法的15分钟缩短至0.8秒。

结语

6G太赫兹通信信道建模研究需要突破传统电磁理论的局限，建立融合量子效应、超材料特性、智能算法的多维建模体系。随着全球6G标准化进程加速，精确的信道模型将成为实现Tbps级通信的基石，推动全息通信、数字孪生等新型应用落地。