1.1 THz定义与特性

1.1.1 频段定义

近年来，THz频段普遍被定义为100～10000 GHz之间，THz波的波长范围是30μm～3 mm，在整个电磁波谱中位于微波和红外波频段之间。THz波在电磁波谱居于特殊位置，既具有微波频段的穿透性和吸收性，又具有光谱分辨特性。THz范围跨越100～10000 GHz，提供非常大的带宽，并且THz波段不受监管，它具有极高数据速率，可以达到Tbps的数据速率。THz频段可弥合毫米波和光频段之间的差距。

1.1.2 通信特性

与毫米波通信不同，THz通信可以利用可用频谱来实现Tbps的数据速率，而无须额外的频谱效率增强技术。此外，由于波长较短，THz系统可以支持更高的链路方向性，不易受自由空间衍射和天线间干扰的影响，可以在更小的覆盖范围内实现。THz信号不受对准问题、环境光、大气湍流、闪烁、雾和光强的暂时空间变化的严重。THz主要的优势是丰富的带宽。然而，THz向更高频率迁移自然会受到更短的通信范围和间歇性链路行为的限制，如高路径和反射损耗，LoS路径不可用与分子吸收等。

1.超大带宽与超高速率通信能力

与其他频段相比，THz频段通信的主要优势就是拥有丰富的带宽。THz波的频率比微波通信高1～4个数量级，这也使THz频段表现出较大的通信容量。目前国内外已实现的THz通信原型验证系统的工作带宽一般都大于2 GHz，远远大于现阶段5G通信系统的工作带宽。超大带宽资源的利用使得THz通信系统可以支持超高的通信速率，目前工作频段在300 GHz以下THz通信支持的最高速率可达100 Gbps，预计未来6G应用时THz通信速率可能达到Tbps。

2.高传播损耗

THz频段的频率比毫米波更高。依据电磁波的传播特性，这个频段的传播与穿透损耗也比较大。Frris自由空间损耗计算公式为：

其中，LFSdB/km表示路径损耗，fMHz表示电磁波频率，dkm表示传播距离，GFxdBi表示发射增益，GRxdBi表示接收增益。

THz频段的通信系统传播距离会大大缩短，并且穿透和绕射能力较差，所以更适合用于室内短距离高速通信，并且需要利用其他覆盖增强技术，如超大规模阵列天线技术来满足室外远距离覆盖要求。

在THz频率下，路径和反射损耗伴随着另一种对通信有害的物理现象，即所谓的分子吸收。分子吸收是由物理介质的分子在传输时经历的较高和较低能量状态之间的能量差异造成的。分子吸收对无线电波传播的影响表现为衰减、相移和到达角的变化。这种现象不仅会降低接收功率，还会加剧噪声传播。分子吸收效应在所有频率下都可以观察到，但只在THz频率下有显著的影响，对较低频率如毫米波和sub-6 GHz的影响极小。在THz波段，分子吸收的主要是空气中水和氧气。水蒸气对300 GHz以上的某些波段具有非常大的衰减值，氧气主要影响60 GHz频率附近的无线电波传播。分子吸收现象也说明了THz通信更适合室内场景，因为室内条件下的水蒸气百分比低。这些损耗使THz波段具有频率选择性，并且穿透和绕射能力较差，易被建筑物和物体遮挡。

THz频段同样会发生水汽散射。水汽散射仅与室外环境相关，发生在雨、雾和云中。在下雨的情况下，300 GHz以上频率的衰减仅取决于降雨率，最高可达100 dB/km。在雾和云传播的情况下，衰减水平取决于频率和液滴的浓度，并且可能高达几十dB/km。散射主要发生在室外环境，表现为传播信号的快速振幅波动，这将导致信号的衰减。

3.LoS路径与NLoS路径

在存在反射体和散射体的情况下，THz信道会产生NLoS。在THz通信中，LoS和NLoS同时存在，NLoS可以在接收端干扰LoS中的主信号。NLoS分量的优点是当LoS受阻时，接收机仍能解码发射信号。接收器接收信号的幅度取决于一些参数，如表征材料的反射器介电常数、反射器粗糙度系数、入射角和波偏振，最后是其朝向发射器和接收器的位置。NLoS信号的幅度还受到天线特性、源和接收器之间的距离及包含反射器的平面的影响。

LoS和NLoS传播场景都适用于室内环境，NLoS的存在主要是由于散射和反射引起的。信道衰减和延迟可以用信道脉冲响应h（f，t）的NLoS和LoS分量来估计，方法是：

其中，NNLoS是NLoS路径的数量，d是距离，f是频率，δ是狄拉克函数，l是总衰减。

为了保证THz的LoS路径的稳定性，需要了解用户移动和活动范围的相关信息。这对于全息技术和XR此类需要稳定的THz链路的未来应用尤为重要。为了减轻由不可避免的分子吸收效应和高路径损耗引起的THz通信链路的短程特性，可以密集地部署THz。考虑到波束对准的敏感性，密集部署最终可能会增加LoS干扰。密集的网络中，用户可以靠近服务基站，可以选择通信情况最佳的基站进行连接。但是在这种情况下，小小区可能导致移动用户和各自的基站之间关联不稳定，不利于小区边缘用户的性能。

4.噪声

在THz波段，介质中的分子被特定频率的电磁波激发。这些被激发的分子在内部振动，其中原子以周期性的方式振动，分子以恒定的平移和旋转的方式振动。由于内部振动，传播波的能量部分转化为动能。从通信角度看，这可以被称为信号丢失。这种给定频率的分子振动可以通过求解特定分子结构的薛定谔方程获得。

分子吸收会将电磁能部分转化为内能而导致信号损耗。由于大气温度或无线电信道中的传输，THz波段的转化会引入噪声。由大气温度而产生的噪声被称为天空噪声，在无线电信道中传输而引入的噪声被称为分子吸收噪声。Hadeel等人提出了一种THz无线纳米传感器网络的噪声模型，该网络具有影响系统的单个噪声源，并具有约翰逊-奈奎斯特噪声、黑体噪声和多普勒频移诱发的噪声，该模型为：

其中，Ga（f）为负载电阻处的可用频谱密度，H（f）为功率谱密度，Ssim（f）为各个噪声源的谱密度和。

5.信道堵塞

THz系统中主要有3种堵塞：由建筑物、树木等引起的静态堵塞，由相邻用户引起的动态堵塞，以及由自身引起的堵塞。静态堵塞是确定性的，可以进行合理建模，在室内THz网络中静态堵塞可以忽略不计。动态堵塞和自身堵塞取决于用户自身的行为，这种行为因环境类型而异，例如，行人在道路上的行为不同于处于室内区域的用户行为。为了正确表示场景的阻塞模型，需要真实地将环境的独特特征进行表征，不能局限于单一的环境模型。堵塞建模面临的一个主要挑战是对大范围环境的概化。信道阻塞影响THz波束形成和通信质量，因此需要对THz信道阻塞进行合理建模评估。

6.THz散射和反射

散射和反射是表征电磁波的两个物理性质，发射器和接收器之间的区域可以包含大量不同大小的随机分布的散射体。散射分为弹性散射与非弹性弹射。其中，弹性散射中只有波的方向改变，非弹性散射将会引入能量的变化。散射还包括瑞利散射和米氏散射。瑞利散射发生在粒子尺度远小于入射光波长时；当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时会发生米氏散射。虽然产生条件不同，但是米氏散射和瑞利散射都会影响接收到的THz信号。对于100 GHz以上的频率，散射可以被视为简单的反射。无线电波反射通常发生在室内场景。反射信号取决于反射器的电磁特性、表面粗糙度及反射器相对于发射器和接收器的位置。接收端的接收信号是直射信号和所有反射信号的总和。

表1.1给出了500 GHz时不同材料上的散射功率与反射功率。

7.THz传输窗

在THz波通信中发生的路径损耗使这些频带具有频率选择性，不同距离与频率的环境下会有不同的路径损耗表现。分子吸收定义了多个传输窗口，带宽范围从几十GHz到几百GHz，具体取决于传输距离和介质的分子组成。

目前，THz在1～10米的通信范围内研究的重点主要集中在4个THz窗口，分别是120～140 GHz、240 GHz、300 GHz和650 GHz的传输窗口。在这些透射窗口内，分子吸收损耗远低于扩散损耗。其中，300 GHz为中线的窗口具有低衰减与高带宽的优点，可用带宽为69.12 GHz，可以细分为独立的信道或子带。用于通信的THz窗口取决于许多参数，例如，通信范围和技术要求。当由于较长距离的分子吸收导致通道脉冲响应衰减较高时，可以基于节点之间的距离选择传输窗口。