6G太赫兹通信感知一体化，开启无线新可能

华为无线CTO童文博士在2021年9月16日举行的中国第一届6G研讨会的大会演讲中曾说到：“6G不再只是一个万物连接的平台，而是一个通感一体、通算一体的智能平台。千行万业，通过这个平台提供的智能服务和智能应用，来产生更大的社会价值。在6G网络中，传输信息比特不是唯一的功能。我们将利用电波的各种传播特性，如反射、散射、折射、多径等等来重构和描绘物理世界。这样6G网络同时也是一个感知网络。6G的终端也是一个感知终端。当网络感知与终端感知一起运作时，我们就可以基于6G网络对整网覆盖的物理世界进行建模。这将提供两个新功能，第一是感知辅助通信，第二是全网众筹AI大数据。”

6G网络提取的感知数据，不仅只用于对整网物理世界的建模，而且也是AI学习的大数据源泉和入口。网络感知创造了一种通信之外的新型应用场景，涵盖一系列用例，如基于设备甚至无设备的目标定位、成像、环境重构和监控、手势和活动识别等，这类感知可以有非常广泛的应用。比如用于人与机器协调、智慧城市环境重构、气候感知、健康医疗、安全检测等千行百业。更多应用举例可参见我们的前序文章^[1]：《6G：无线通信新征程》。

太赫兹通感一体化技术原型验证

太赫兹（THz）频段介于毫米波和红外光之间，由于其超大的通信带宽，被认为是实现Tbps级通信速率的重要技术备选方案。同时，THz的高频点使其具有毫米甚至亚毫米级波长，可以在较小体积的手持或可穿戴设备中应用，实现包括高精度定位、高分辨率3D成像，以及物质材料的质谱分析等功能，与光学摄像头相比，THz可穿透部分遮挡物，实现非可视场景下的高精度成像和全天候感知，并且更易于隐私保护。因此，太赫兹频段可应用于未来日常无创健康、食品安全检测、高精制造缺陷检测、环境污染监测，以及机器视觉辅助等众多生活、生产场景^[2]。这使得太赫兹成为未来通感一体的重要技术手段之一。

华为6G研究团队搭建了适用于100G~300GHz频段范围内的THz通感一体（Integrated Sensing and Communication at THz band, ISAC-THz）通用原型平台，并分别针对终端侧高精度感知成像，以及室外中距离超高速传输这两大挑战场景的技术可行性进行了探索与样机验证，让通感一体化逐步从概念走向实现。

太赫兹毫米级高精度感知成像

图1 华为ISAC-THz样机，对密闭纸盒中物体实现毫米级精度成像

如图1所示，待测物体被放置在封闭的纸盒中，机械手臂则模拟人手持握太赫兹终端，对纸盒内的物体进行扫描和成像。原型样机采用140GHz载波频率，8GHz带宽，4发16收MIMO阵列。太赫兹波由终端天线发射后，穿透纸盒，经待测物体反射后被终端天线接收，经采样和实时算法处理后，形成图像并显示出来。

为了得到毫米级成像分辨率，研究团队提出虚拟孔径MIMO阵列技术。如图2所示，利用终端上有限个实体天线阵元形成的小规模阵列，通过手持移动扫描方式形成一个具有更大自由度的虚拟孔径大规模天线阵列，在不增加终端体积的情况下，逼近数千个天线阵元的实孔径天线成像效果。由于用户对目标物体进行手持扫描的轨迹通常是稀疏且不完全规则的，样机采用了压缩感知、层析、稀疏孔径等算法对稀疏采样后的信号波形进行处理，得到毫米级高分辨率图像。如对更多细节感兴趣，可参考论文^[3].

https://ieeexplore.ieee.org/document/9482537

图2 稀疏采样实现虚拟孔径高精度成像

太赫兹室外中距离超高速通信

如图3所示，太赫兹通信样机室外实测验证选取在城市场景，发射机模拟典型基站架设在楼宇顶层，接收机设置在城市街道地面处，楼顶至地面之间距离约500米，存在视距链路。样机工作在220GHz中心频点，带宽13.5GHz，系统采用2X2极化MIMO架构，以及超宽带和低比特量化数字基带处理技术，对基带信号进行信道估计及均衡、非线性补偿、解调和解码，首次实现室外中远距离240Gbps高速视距空口传输，论证了太赫兹频段用于室外超高速率通信的技术可行性。

图 3华为ISAC-THz室外通信样机，实现500米240Gbps业界最高通信速率

展望

在未来，华为6G研究团队将持续推进对太赫兹通感一体化技术的研究和验证，持续积累不同频段和场景下信道测量和建模^[4][5]的数据和经验，并在小型化、3D立体成像、太赫兹质谱检测、太赫兹组网、移动性等方面展开更加深入的研究和探索。

通信感知一体化应用并不局限于THz波段，根据不同的感知距离和精度需求，在全频谱都将获得广泛的应用。华为真诚地希望未来能与更多的业界伙伴在此领域进行合作，共同迈向“万物智联”的世界。

参考文献：