科普：6G是什么？(2)香農(nóng)定理，為何太赫茲波是6G的必然選擇？
在上一篇“6G是什么”文章中，大家已經(jīng)了解了6G通信技術(shù)的基本知識。本篇文章，我們將為您深入介紹“太赫茲波”以及“香農(nóng)定理”。
【文/江湖事務(wù)所 漿糊狼中】
為什么6G通信要選擇太赫茲波頻段呢？
要回答這個問題，我們要從目前5G通信技術(shù)中，為了增加網(wǎng)絡(luò)帶寬所采用的主要技術(shù)說起，其中包括：1024QAM，OFDMA，5G信道編碼技術(shù)，高頻率的大帶寬，以及MU-MIMO。我們分別來看一下他們是什么？
1024QAM
1024QAM技術(shù)，又叫做“1024正交幅度調(diào)制模式”。與傳統(tǒng)256QAM相比，1024QAM可以在一個點上表達10個二進制位數(shù)據(jù)（2的10次方=1024）。傳統(tǒng)256QAM只能在一個點上表達8個二進制位數(shù)據(jù)（2的8次方=256）。因此1024QAM可以比傳統(tǒng)256QAM快1.25倍（10/8=1.25）。雖然更高的調(diào)制水平可以提高傳輸速度，但是更高的調(diào)制水平也需要更高的信噪比，在系統(tǒng)設(shè)計方面挑戰(zhàn)極大，因此提升空間有限。
OFDMA
OFDMA技術(shù)，又叫做“正交頻分多址技術(shù)”。該技術(shù)可以將傳輸帶寬劃分成正交的互不重疊的一系列子載波集，將不同的子載波集分配給不同的用戶實現(xiàn)多址傳輸，以此提高數(shù)據(jù)傳輸速度。打個簡單的比方，就好比是在一條公路上，劃分出多個不同的車道，車輛根據(jù)車型、車速、行駛方向在不同的車道里同時行駛，互不干擾，以此提高通行效率。
5G信道編碼
5G信道編碼技術(shù)，事實上定義了5G移動通信的標準。信道編碼可以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。目前5G時代主要的信道編碼技術(shù)，有美國的LDPC碼、歐洲的Turbo碼，中國的Polar碼。3GPP組織最終通過投票，分別將其中2個編碼技術(shù)確定為數(shù)據(jù)信道和控制信道的編碼標準。雖然在6G時代編碼技術(shù)還將進一步發(fā)展，但是據(jù)說目前的編碼技術(shù)已經(jīng)達到了香農(nóng)定理的極限，未來可以提升的空間也不是很大。關(guān)于香農(nóng)定理，我們后面會進行說明。
MU-MIMO
MU-MIMO，翻譯為“多用戶并行多收多發(fā)技術(shù)”。MU-MIMO系統(tǒng)的特點是，將信號在時域、頻域、空域三個維度上分成多個部分進行傳輸，互不干擾。同時利用更多的天線，來擴大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，提高系統(tǒng)性能，不同天線的方向性增益還可以用來區(qū)分用戶、消除干擾。
以上講到的1024QAM、OFDMA、信道編碼技術(shù)、MU-MIMO技術(shù)，雖然可以提高信號傳輸速率，但是對于下一代移動通信的總體速率提升影響沒那么大。所以要想在5G基礎(chǔ)上進一步提高信號傳輸速率，剩下最可行的辦法就是繼續(xù)提高信號頻率，從而擴大傳輸帶寬。為什么使用高頻率的太赫茲波能獲得更大的帶寬，這就需要從香農(nóng)定理說起。
香農(nóng)定理，是通信界最著名的定理，甚至可與勾股定理、歐拉公式以及愛因斯坦質(zhì)能公式相媲美。
香農(nóng)定理的公式并不復(fù)雜。C代表信道容量，也就是信道可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率；B代表無線電頻帶寬度；S/N代表接收信號的信噪比；log2代表以2為底的對數(shù)關(guān)系。
根據(jù)香農(nóng)定理，信道最大傳輸容量，與信道帶寬和信噪比程正相關(guān)。信道帶寬越大，信噪比越高，數(shù)據(jù)傳輸速率越高。
這里有個理解重點是，并不是信號頻率越高，信道的傳輸速率就越高，而是信號傳輸?shù)男诺缹挾仍礁?，信道的傳輸速率才越高?/b>
5G時代，我們在毫米波頻段，以28GHz頻段為例，其可用信道帶寬為1GHz。而太赫茲波工作在1000GHz頻率附近，頻率比毫米波高數(shù)十倍，越高的頻率，潛在的可用帶寬越大。太赫茲波的潛在工作帶寬，要比毫米波高至少一個數(shù)量級。
而太赫茲波的另外一個特性，就是時域頻譜的信噪比非常高。因此，根據(jù)香農(nóng)定理，由于具有更高的信道帶寬，更高的信噪比，使用太赫茲波進行數(shù)據(jù)傳輸，可以獲得比毫米波高得多得多的數(shù)據(jù)傳輸速率。這就是6G移動通信會選擇太赫茲波的主要原因。
另外，太赫茲波還具有其他一些適合通信的特點。比如：
第一、由于太赫茲波處于電子學(xué)向光子學(xué)過渡的階段，因此它同時具備了微波通信和光通信的優(yōu)點。除了具有比微波更快的傳輸速度，還具有波束窄、方向性好的特點，可以實現(xiàn)更好的傳輸安全性和抗干擾能力。
第二、太赫茲波具有很強的穿透能力。相對于光通信而言，太赫茲波不易受到煙霧、沙塵等不利環(huán)境因素影響。
第三、由于太赫茲波的波長只有0.03mm到3mm，因此終端設(shè)備的天線可以做得非常小，節(jié)省設(shè)備設(shè)計空間，天線的數(shù)量也可以進一步增加。
第四、太赫茲波特別適合衛(wèi)星通信，在真空環(huán)境下，太赫茲波通信比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍。我國也已經(jīng)于2020年11月6日發(fā)射了全球首顆6G試驗衛(wèi)星“電子科技大學(xué)號”，該衛(wèi)星重量70公斤，搭載了太赫茲衛(wèi)星通信設(shè)備，可以在衛(wèi)星上建立數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路，并開展太赫茲通信試驗。
第五、太赫茲波段由于尚未開發(fā)，因此具有豐富的頻率資源，易于將來開展利用。
正是由于以上的特性，太赫茲波可能會成為6G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。雖然目前太赫茲波通信還有一些技術(shù)問題需要突破，但相信很快我們就能看到太赫茲波在通信領(lǐng)域的應(yīng)用。
關(guān)于太赫茲波我們就先聊到這里。我還會在后面的文章和視頻里為大家介紹更多關(guān)于6G的知識，歡迎小伙伴們關(guān)注江湖事務(wù)所。
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