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在通往太赫兹频谱的路上，5G 率先使用每个组件载波高达 400MHz 的大带宽毫米波频率，以实现无线工厂自动化等要求苛刻的实时应用所需的传输速率，而新兴的 6G 技术旨在实现更高的传输速率和更低的延迟。 然而，带宽为几 GHz 的超高数据速率的大连续频率范围只能在亚太赫兹和太赫兹范围内使用，即100GHz 以上。香农-哈特利定理给出了最大可实现信道容量（在噪声影响下）的边界为 C = B·log2 (1 + S/N)，其中 C 为容量（bit/s），B 为带宽（Hz），S/N 为信噪比，该定理指出最大可实现数据速率与带宽 B 成正比。因为低于 6GHz 的频率已经大量使用，所以 5G 将频率范围扩展到毫米波范围。为了进一步提高未来的无线标准（如 6G）的数据速率，将挖掘太赫兹频率范围几个 GHz 的大连续带宽。下图显示了为未来无线通信分配或考虑的不同频率范围。在毫米波和太赫兹频率范围内有充足的频谱资源，其中包含了可用于无线通信的频带。FR1 和 FR2中的 5G 频段分布在 71GHz 以下的范围内。6G 的研究主要集中在 D 频段 和 H 频段。
在 4G（LTE）之前，只有 6GHz 以下的频率范围被用于无线通信。由于其有利的传播条件和可以实现的区域面积，该频率范围至今仍发挥着关键作用。 在 3GPP 5G NR 命名中，该频率范围称为 5G FR1（410MHz ~ 7.125GHz）。该范围还包括 LTE和 Wi-Fi，如 Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）和 Wi-Fi 7（IEEE 802.11be）。 在 3GPP R17 中，5G FR2（深蓝色部分）被分配到最高 71GHz（24.25GHz ~ 71GHz）。 对于5G的演进（图中 “Beyond 5G”），正在考虑 71GHz ~ 100GHz 的更高频率：浅蓝色频率范围是国际电信联盟（ITU）2019 年世界无线电大会考虑的未来无线通信的频率范围（例如81GHz ~ 86GHz）。虽然最初考虑了 80GHz 频段，但没有批准用于 IMT-Advanced（5G）。该频率范围还包含 60GHz 未授权频段（E 频段从 60GHz 延伸到 90GHz）。 亚太赫兹波段 为了实现 6G 的 TB 级数据速率甚至更高的带宽，我们只能使用超过 100GHz 的频率范围。已经确定的新频段：D 频段（110GHz ~ 170GHz）、G 频段（140GHz ~ 220GHz）和 H/J 频段（220GHz~ 330GHz）。 ITU 无线电规则文件总结了 1995 年世界无线电通信大会（WRC-95），通过并由随后的世界无线电通信大会（WRC-97、WRC-2000、 WRC-03、 WRC-07、 WRC-12、 WRC-15、WRC-19）审议的无线电规则，275GHz ~ 3THz 的区域目前尚未正式分配。 275GHz ~ 450GHz 频率范围固定和地面无线服务的操作：确定 275GHz ~ 296GHz、306GHz ~313GHz、318GHz ~ 333GHz、356GHz ~ 450GHz 归管理部门使用，用于实施各种地面无线和固定服务应用，其中地球探测卫星应用无需采用特定条件进行保护。 IEEE 的标准化活动目前正在进行中，其中一个小组正在讨论这些频率范围下 100Gbps 的标准。该标准专门针对 252GHz ~ 325GHz 的频率范围，信号带宽高达 69.12GHz。在 95GHz 左右的W频段（75GHz ~ 110GHz）中，已经开始开发用于无线回程/接入太赫兹频率范围。下一个极高的候选频段，即 110GHz ~ 170GHz 的 D 频段，正被基站基础设施供应商所关注。6G 的研究工作目前集中在 300GHz 左右的 D 频段 和 H/J 频段。由于 WRC27 的议程将在 WRC23 上确定，因此在 2023 年 WRC23 之前，通过可行性研究和信道传播测量来展示太赫兹通信的全部潜在价值。 超过7GHz 频段（7GHz ~ 24GHz） 尽管人们对亚太赫兹频率范围有着浓厚的兴趣，但位于 FR1 和 FR2 之间的 7GHz ~ 24GHz 频率范围仍然提供了潜在的大量可用频谱，它可以提供一个 “最佳点” ，与 FR1 的频率范围相比，在更小的封装中提供更高阶 MIMO，与 FR2 频率范围相比，它具备更好的传播特性。因此，该频率范围可能是 6G 的候选区域。 通信太赫兹波用途 利用吸收窗、电源和天线阵列获取指向性。 毫米波所涉及的技术挑战在太赫兹范围内尤为明显。这包括更高的路径损耗和更短的距离。然而，与5G中的毫米波类似，这类问题可以通过波束赋形聚焦波束得以缓解。较短的波长还具有一个优势，即能够以更小的体积封装更多天线，从而形成极为精确的波束。 太赫兹频率下超高速通信的一个主要用例涉及大容量前传和回传中的点对点 (准静态) 通信链路，也适用于偏远地区的基础设施 (使用高增益天线或天线阵列) 或“最后一公里”连接。预期高达100 Gbps的容量可在几公里的距离内得以支持。此外，窄波束还可以实现十分密集的通信设备部署。其它用途还包括短程通信，如自助服务终端超高速下载 (例如自动售货机)，或芯片对芯片通信。 如今，数据中心是企业计算基础设施中不可或缺的一部分。目前的数据中心网络主要依赖铜缆或光纤进行机架内或机架间网络连接。这其中涉及到布线的复杂性。太赫兹无线链路可以大幅提高设计灵活性，降低成本。 虽然室外和室内太赫兹用例均可实行，但室内部署很可能成为太赫兹应用的主要场景。在室内环境中，太赫兹频谱的短距离和弱穿透能力成为优势。例如，由于仅限于应用在特定的室内空间中，太赫兹通信将变得十分安全。
无线通信链路的毫米波和太赫兹波 图1所示24 GHz至30 GHz以及37 GHz至40 GHz的频段为5G蜂窝网络建立了毫米波频段。此外，43 GHz至50 GHz 频段以及大约60 GHz的频率用于卫星通信链路。由于氧分子的共振，60 GHz 频率下的传播损耗增加，这使得建立具有高数据吞吐量的室内应用 (WLAN系统) 的本质安全无线链接成为可能。 太赫兹挑战：100 GHz以上频率的路径损耗 下一代6G通信标准预计也将在很大程度上依赖工作在100 GHz以上频率范围内的组件，如D频段 (110 GHz至170 GHz) 或H/J频段 (220 GHz至330 GHz)。 自由空间路径损耗与信号频率ν 的平方成正比。例如，与28 GHz的链路相比，280 GHz的链路会产生额外20 dB的路径损耗。 然而，这也导致人们普遍产生了一个误解，即增加无线链路的载波频率必定会导致更高的信道损耗。实际上这种情况只有在发射机 (TX) 和接收机 ( RX) 天线均为全向天线的前提下才会发生。太赫兹频段路径损耗的问题可以通过在基站使用非常大的天线阵列 (即超大规模 MIMO，图1) 解决。 无线链路的自由空间路径损耗 (FSPL) 通过如下Friis方程描述：
其中，d为TX天线与RX天线间的距离，λ为工作波长，
天线增益
在35 GHz、70 GHz和140 GHz的工作频率下，具有1 结合最后两个方程可以得出结论，为收发机或接收机使用具有固定有效孔径的定向天线，载波频率对FSPL没有影响。 因此，与载波频率较低的系统相比，使用高度定向天线和可转向天线能使无线通信链路在更高频率 (拥有更高带宽和吞吐量) 上工作，且不会因大气衰减而引起低信噪比显著降低。 |
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