小小知识点（五十一）——6G扬帆起航：拍赫兹通信与健康泛在网络助推6G新应用
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6G扬帆起航：拍赫兹通信与健康泛在网络助推6G新应用
5G已至，6G启程。国内外对于6G核心技术、关键指标和应用场景的探索已在积极推进，其中如何选择合适的通信频段以便服务未来新型业务成为焦点之一。拍赫兹通信可以将多种形式或形态迥异的无线光通信纳入统一框架，根据典型6G应用场景和需求协同整合不同光波段，从材料、芯片、器件、系统、网络层面打通不同波长并形成连续波段，实现系统整体设计与优化。
在移动通信发展史上，即将过去的2019年是不平凡的一年，2019年6月6日，工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放了5G商用牌照；同年10月31日，三大电信运营商共同宣布开启5G商用服务，标志着增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低时延通信（URLLC）和大规模机器通信（mMTC）等5G技术逐渐进入实质性应用阶段，让千家万户享受便捷快速的宽带移动通信、车联网、万物互联等业务服务。
同样是在2019年，就在很多人正惊叹于5G商用带来的便利和令人眼花缭乱的新应用之时，领先于时代的研发人员们已经开始了看似“很遥远”的6G预研。科技部于2019年11月3日宣布正式启动6G研发，6G技术研发推进工作组和总体专家组已紧锣密鼓，制订研发方案，凝练和解决移动通信与信息安全领域的理论和核心技术问题，形成6G标准规范，为移动通信产业发展奠定基础。
作为5G商用元年和6G预研启动之年，2019年已被载入史册。在此之后，移动通信的演进将逐步经历后5G时代（2020—2024年）和准6G时代（2024—2028年），迈向6G时代（2028—2030年）。移动通信从1G发展到5G，随着大带宽业务的需求，载波已从低中频、高频、微波发展到毫米波（mmW）频段，并伴以多天线传输技术，涵盖空、天、地、海等多维度场景。除了智能手机和电脑等传统终端外，还将搭载卫星、飞机、飞艇、无人机等空中平台，水面舰船、水下潜水器、地面车辆、服务/仓储/工业机器人等移动平台，并结合增强现实（AR）/虚拟现实（VR）/混合现实（MR）的头盔和智能眼镜，支撑一系列新型应用与业务形态。
那么未来的6G将会是什么样子？它将具有哪些特征？人们进行了无尽的畅想，例如，很多人认为，从前只有在科幻电影中才能看到的全息投影技术将有可能走进现实，人们足不出户即可看到三维立体的另一个对象。这样的场景值得期待，但也需要各种各样的技术作为基础。
不断涌现的有关6G的技术报告、学术报道与出版文献为我们揭开了6G相关技术的冰山一角，比如2019年9月，芬兰奥卢大学6G旗舰研究计划发布了全球首个6G白皮书，解读6G技术趋势；同月《IEEE车辆技术》（VTM）杂志出版了6G专刊。这些公开文献讲述了6G关键驱动因素、核心需求、系统架构、人工智能和其他使能技术，将用户服务分为泛在移动超宽带（uMUB）、超高速低时延通信（uHSLLC）和超高数据密度（uHDD）三大类，预见了从全息信息到远程呈现、数字孪生、智能泛在等新型业务形态，并特别讨论了支撑新型应用的网络将具有按需服务、至简、柔性、智慧内生、安全内生等功能特征。
在衡量6G技术的关键指标方面，虽然不同文献的预估值略有差异，但总体来说基本一致，比如单用户最高传输速率1太比特/秒（Tbps，1Tbps=10^12bps），定位精度达到厘米级，综合使用光电子技术（如μLED发射器件和光感接收器件阵列技术）、轨道角动量、可见光通信（VLC）技术、太赫兹（THz）技术、智能网络等，大幅提升网络容量，支持新媒体应用，实现人、机、物互通互联。以全息通信为例，一张全息照片大小为8吉字节（GByte），即64吉比特（Gbit）。如果视频帧率为30帧/秒，则数据传输速率将达到1.92Tbps；如果帧率提高到120帧/秒，则数据传输速率达到7.68Tbps。考虑到各种可穿戴设备和物联网传感器，连接设备的平面密度也将达到10个/平方米，立体空间密度达到100个/立方米。
为了实现超大带宽和超高速数据流传输，6G使用的频段拟扩展到太赫兹与可见光通信频段（波长在0.38～0.78μm），充分利用空闲频谱、授权与非授权频谱，实现全频谱融合协同。事实上，可见光频段只是拍赫兹（PHz，1PHz=10^15Hz）频段的一小部分，拍赫兹频段是太赫兹向更高频率延伸的频段，带宽至少提升3个数量级（1PHz=1 000THz=10^15Hz）。拍赫兹频段定义在频率范围0.01～33PHz，或者波长范围10纳米（nm）～30微米（μm），涵盖通常意义上的红外光、可见光、紫外光，其左侧与太赫兹衔接，右侧与X射线毗邻。由于太赫兹本身已经属于远红外波段，紫外光与X射线之间也没有截然分界点，所以两侧没有严格意义上的明确边界。考虑到通信需求，拍赫兹通信频段可以限制在0.1～2PHz（或者波长范围0.15～3μm）频率范围之内，当然两侧延伸到更宽频率范围也未尝不可。有趣的是，地球大气上界太阳辐射光谱99%以上的能量集中在波长0.15～4μm之间，这一频段的光谱与拍赫兹通信频谱基本重叠。
用光作为载体的通信技术种类繁多，除了基于发光二极管（LED）照明光源的可见光通信（VLC）外，还有紫外光通信（UVC）、红外光通信（IRC）、光保真（LiFi）、基于激光的自由空间光通信（FSO）等。传统依据颜色进行分类的方法主要受限于人眼对光的敏感程度。人眼对于可见光敏感，而无法感知红外光和紫外光等不可见光。依赖人眼进行直接通信的一个古老的例子就是古代烽火通信，这是一种以火源作为信号源、以肉眼作为探测器的视觉光通信方式，通过延绵起伏的烽火台快速接力传递信息。在使用终端和设备进行载波通信时，需突破先前分类的局限和光波段的天然隔阂。事实上，可调谐半导体光源激发出的光已经可以横跨可见光与近红外频段以及近紫外与可见光频段；接收光的成像器件和感光材料也可以实现超宽光谱响应，比如手机上的相机可以感知可见光和部分近红外光谱，而包括光谱仪在内的光学测量仪器，其积分球涂层材料具有波长从0.2～2μm的超宽感应范围，跨越了近红外、可见光和紫外光谱。
鉴于此，拍赫兹通信可以将多种形式或形态迥异的无线光通信纳入统一框架，根据典型6G应用场景和需求协同整合不同光波段，从材料、芯片、器件、系统、网络层面打通不同波长并形成连续波段，实现系统整体设计与优化。
另外，使用拍赫兹通信也将会带来诸多系统描述方面的便捷之处。拍赫兹通信系统无须以发端和收端光器件分门别类，它可使用形形色色的非相干/半相干/相干光源，如外调制固体/气体激光器、直接调制半导体激光器、半导体LED、有机LED、μLED、量子点LED、显示屏、交通灯，甚至是手电筒。系统也可采用多种光电探测器，如光电倍增管（PMT）、微通道板（MCP）、单光子计数器（SPCM）、单光子雪崩二极管（SPAD）、雪崩光电二极管（APD）、光电二极管（PD）、PIN光电二极管、互补金属氧化物半导体（CMOS）成像传感器。同时，不必冠以通信以外附加的功能建立多种概念，如照明通信、显示通信、相机通信。在此背景下，只需明确所采用的光源和接收器件即能清晰地描述拍赫兹通信系统。
相比于传统电磁波频段的无线通信方式，拍赫兹通信具有许多得天独厚的突出优势。
首先，健康低辐射。由于长期进化，人类对于类似太阳光谱的拍赫兹频段具有天然的免疫力，在暴露的环境中使用拍赫兹进行通信，可以免除微波辐射困扰，确保健康的网络环境和生物体的安全性。近年来，使用毫米波和太赫兹进行无线通信的电磁辐射问题一直受到业界的普遍关注，而目前国际上也只能在远离人群的深空环境下使用X射线进行通信尝试。因此，拍赫兹频段成为拥挤通信频谱内天然且唯一的终极选择。
第二，场景强适应。人类使用的大量电子设备易受电磁波干扰，如飞机驾驶舱仪表、医院手术室监控设备、核电站运行设备等等，而这些设备对于拍赫兹频段一般不敏感，从而保证设备使用安全。
第三，泛在低成本。拍赫兹通信可以利用泛在光源和探测器，比如可见光照明光源、可见光和红外摄像头，构建泛在宽带通信网和低成本物联网，成熟的商用光纤通信系统使用的部分近红外波段器件亦可以复用到拍赫兹通信系统中，便于与无线拍赫兹通信方式在光域无缝对接，能降低单位比特的成本开销，并提高系统性价比。
第四，信息超高速。相比于太赫兹通信，拍赫兹通信载波频率在1 000THz范围，其几百THz的大带宽优势可以轻松助力实现Tbps级的数据速率，满足全息通信等需求，且超高可达速率已从光纤系统Tbps级的成功实现得到佐证。
第五，安全有保障。拍赫兹通信使用的电磁波波长很短，不会穿透隔离物体，保证信息不易被泄露与窃听。结合光量子保密措施，无线通信系统的安全性可进一步加强。
第六，定位高精度。利用极窄波束，拍赫兹信号用于定位和感知时可以获得三维空间几何位置和偏转角的超高分辨率，从而实现位置精度毫米级和角向分辨率0.1度的高精度定位与姿态估计。激光雷达的目标探测和测距性能已充分验证了拍赫兹系统在这方面的优势。
第七，使用更健康。拍赫兹通信能支持多种新型终端，如增强现实头盔和智能眼镜，可以改变用户观赏媒体的姿态与模式，提升用户的沉浸式体验。用户由传统的智能手机和电脑电视的平面反射显示与坐式观赏模式转变为立体显示与立式观赏模式，从而减少对颈椎腰椎和视力的损伤，消除健康隐患。
基于拍赫兹通信的全息通信与立体观赏示意图
目前，国内外拍赫兹通信研究初步取得了可喜的成果。短距离内可见光通信数据速率达到100Gbps量级，在低数据速率下的星地间红外激光通信距离达到几千公里，视距链路受阻时的紫外光通信达到公里级水平，水下蓝绿激光通信距离达到百米量级，可见光定位精度达到厘米级。但是，这些成果依赖于拍赫兹波段内特定的子波段和器件，应用场景相对单一，器件调控和通信信息的加载手段也十分有限，大多以宏观调控为主，因而速率远低于全息通信等要求，网络层面的功能也需要不断完善和丰富。另外，现有系统功能相对分散，还未能无缝融合环境感知、光源识别、位置辨识等功能，无法满足6G智联网的需求。
鉴于此，学术界和工业界可以立足于支撑用户服务质量的拍赫兹通信系统与新形态立体网络设计优化，形成以用户为中心的密集网络体系架构，建立兼容新型终端形态的泛在连接立体网络模型，发展海量终端高速互联技术以便承载高密度终端，设计复杂异质融合网络协议，实现多种网络的安全共生共存。同时，亟需研究健康信息网络的智能化途径，通过拍赫兹超能力六维感知（三维坐标和三维姿态角）达到环境智能，结合感知大数据的驱动能力，使得终端智能高效可靠接入到拍赫兹网络，实现情景沉浸式和网络化的用户体验。
与此同时，可以进一步探究拍赫兹连续波段器件矢量张量态的跨变、跳变及其相互作用的多重调控机理，挖掘利用拍赫兹量子态价值，提出适应环境的高密度信息有效加载与传输方法。借助于拍赫兹波的波粒二象性，深刻理解并利用拍赫兹立体空间量子信道与经典信道过渡交替特性，揭示微弱信号与干扰形成机制，通过信号-空间信道-检测抑制的协同设计和网络状态反馈，实现诸如全息影像等新媒体的普适应用。
基于多终端形态的拍赫兹立体网络示意图
总之，6G看起来似乎离我们很遥远，但它终将一步一步地走向现实。而拍赫兹频段在低辐射、用户友好性、超大容量互联、超密集物联、低时延控制、高精度智能位置感知、电磁严控场景强适应性、高性价比等方面具有显著的优势。届时，拍赫兹通信与健康泛在网络能最大限度地适应6G丰富的应用场景。作为终极而天然健康的商用频段，拍赫兹频段以及拍赫兹通信技术预计将成为未来6G移动通信的研究热点。