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6G太赫兹通信信道建模进展

一、6G太赫兹通信的技术背景与需求

（一）太赫兹频段的定义与特性

太赫兹（THz）频段通常指0.1-10THz的电磁波谱，介于微波与红外光之间。其独特优势包括超大带宽（可达100GHz以上）和超高传输速率（理论峰值速率超过1Tbps）。根据国际电信联盟（ITU）的频谱规划，6G将部分依赖太赫兹频段实现超高速率与超低时延通信。例如，日本NTTDocomo在2021年的实验中已实现100GHz频段下100Gbps的传输速率（IEEETransactionsonTerahertzScienceandTechnology,2021）。

（二）6G应用场景对太赫兹通信的需求

6G的核心应用场景如全息通信、触觉互联网、数字孪生等，均要求通信系统支持微秒级时延和TB级数据吞吐量。以工业自动化为例，工厂内设备间通信需在1ms内完成10TB数据的交互（IMT-2030愿景报告，2023）。传统Sub-6GHz和毫米波频段难以满足此类需求，而太赫兹频段的宽频谱资源成为关键技术突破口。

二、太赫兹信道建模的关键技术挑战

（一）路径损耗与大气衰减效应

太赫兹信号在自由空间传播时，路径损耗与频率平方成正比。研究表明，300GHz频段的自由空间路径损耗在1米距离内可达70dB以上（Wangetal.,2022）。此外，水蒸气（H2O）和氧气（O2）分子共振吸收导致大气衰减显著，例如在350GHz频段，湿度为50%时衰减可达10dB/km（ITU-RP.676建议书）。

（二）多径效应与散射特性

与低频段不同，太赫兹波因波长极短（0.1THz对应3mm波长），易受表面粗糙度影响。实验表明，混凝土墙面在1THz频段的散射损耗比毫米波高15-20dB（Rappaportetal.,2023）。此外，太赫兹信号的非视距（NLOS）传播能力较弱，需依赖智能反射面（IRS）等辅助技术增强覆盖。

（三）动态环境下的信道时变性

移动场景中，收发端微小位移（如毫米级抖动）会导致信道参数快速变化。根据欧洲5GPPP项目的实测数据，车速为30km/h时，1THz信道的相干时间仅为0.1ms，比毫米波低两个数量级（WhitePaperonTHzChannelModeling,2022）。

三、太赫兹信道建模方法的最新进展

（一）确定性建模方法

基于射线追踪（Ray-Tracing）的确定性模型在室内场景中取得突破。例如，华为2023年提出的“THz-RTPro”算法，通过引入表面波动参数和分子吸收修正项，将仿真误差从15%降低至5%以下（HuaweiTechnicalReport,2023）。此外，数字孪生技术被用于构建高精度三维环境数据库，提升建模效率。

（二）随机性建模方法

随机模型通过统计分布描述信道参数。2022年，Fraunhofer研究所提出基于马尔可夫链的时变信道模型，可模拟移动场景下的突发性衰减（IEEETransactionsonWirelessCommunications,2022）。该模型在动态用户密度场景下的均方误差（MSE）优于传统高斯混合模型30%。

（三）混合建模与机器学习辅助

混合模型结合确定性与随机性方法的优势。例如，MIT团队开发的“Hybrid-THz”框架，利用深度学习预测遮挡物的散射系数，在NLOS场景下的路径损耗预测误差小于3dB（NatureCommunications,2023）。此外，生成对抗网络（GAN）被用于快速生成信道冲激响应数据集。

四、太赫兹信道测量与验证技术

（一）信道测量系统的发展

太赫兹信道测量需依赖矢量网络分析仪（VNA）与谐波混频器的组合。2023年，罗德与施瓦茨公司推出1.1THz频段的便携式测量系统，动态范围达110dB，支持10ns时间分辨率（RSTechnicalBrief,2023）。同时，基于光电子学的太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术被用于材料特性分析。

（二）标准化测量场景

国际组织3GPP在Release19中新增了太赫兹信道模型标准，定义室内热点（InH）、城市微蜂窝（UMi）等6类场景。例如，UMi场景下基站高度为6米，用户密度为500设备/km2，信道带宽为50GHz（3GPPTR38.901,2023）。

（三）实测数据与模型校准

全球已建立多个太赫兹信道测量数据库。纽约大学无线研究中心（NYUWIRELESS）发布的THz-CD数据库包含140GHz-1THz频段的10万组实测数据，涵盖金属、玻璃、木材等12类材料反射特性（IEEEDataPort,2023）。

五、太赫兹信道建模的未来研究方向

（一）超大规模MIMO