科普：6G是什么？(2)香农定理，为何太赫兹波是6G的必然选择？

在上一篇“6G是什么”文章中，大家已经了解了6G通信技术的基本知识。本篇文章，我们将为您深入介绍“太赫兹波”以及“香农定理”。

【文/江湖事务所 浆糊狼中】

为什么6G通信要选择太赫兹波频段呢？

要回答这个问题，我们要从目前5G通信技术中，为了增加网络带宽所采用的主要技术说起，其中包括：1024QAM，OFDMA，5G信道编码技术，高频率的大带宽，以及MU-MIMO。我们分别来看一下他们是什么？

1024QAM

1024QAM技术，又叫做“1024正交幅度调制模式”。与传统256QAM相比，1024QAM可以在一个点上表达10个二进制位数据（2的10次方=1024）。传统256QAM只能在一个点上表达8个二进制位数据（2的8次方=256）。因此1024QAM可以比传统256QAM快1.25倍（10/8=1.25）。虽然更高的调制水平可以提高传输速度，但是更高的调制水平也需要更高的信噪比，在系统设计方面挑战极大，因此提升空间有限。

OFDMA

OFDMA技术，又叫做“正交频分多址技术”。该技术可以将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址传输，以此提高数据传输速度。打个简单的比方，就好比是在一条公路上，划分出多个不同的车道，车辆根据车型、车速、行驶方向在不同的车道里同时行驶，互不干扰，以此提高通行效率。

5G信道编码

5G信道编码技术，事实上定义了5G移动通信的标准。信道编码可以实现模拟信号的数字化传输，提高数据传输效率，降低数据传输的误码率。目前5G时代主要的信道编码技术，有美国的LDPC码、欧洲的Turbo码，中国的Polar码。3GPP组织最终通过投票，分别将其中2个编码技术确定为数据信道和控制信道的编码标准。虽然在6G时代编码技术还将进一步发展，但是据说目前的编码技术已经达到了香农定理的极限，未来可以提升的空间也不是很大。关于香农定理，我们后面会进行说明。

MU-MIMO

MU-MIMO，翻译为“多用户并行多收多发技术”。MU-MIMO系统的特点是，将信号在时域、频域、空域三个维度上分成多个部分进行传输，互不干扰。同时利用更多的天线，来扩大系统的数据吞吐量，提高系统性能，不同天线的方向性增益还可以用来区分用户、消除干扰。

以上讲到的1024QAM、OFDMA、信道编码技术、MU-MIMO技术，虽然可以提高信号传输速率，但是对于下一代移动通信的总体速率提升影响没那么大。所以要想在5G基础上进一步提高信号传输速率，剩下最可行的办法就是继续提高信号频率，从而扩大传输带宽。为什么使用高频率的太赫兹波能获得更大的带宽，这就需要从香农定理说起。

香农定理，是通信界最著名的定理，甚至可与勾股定理、欧拉公式以及爱因斯坦质能公式相媲美。

香农定理的公式并不复杂。C代表信道容量，也就是信道可传输的最大数据速率；B代表无线电频带宽度；S/N代表接收信号的信噪比；log2代表以2为底的对数关系。

根据香农定理，信道最大传输容量，与信道带宽和信噪比程正相关。信道带宽越大，信噪比越高，数据传输速率越高。

这里有个理解重点是，并不是信号频率越高，信道的传输速率就越高，而是信号传输的信道宽度越高，信道的传输速率才越高。

5G时代，我们在毫米波频段，以28GHz频段为例，其可用信道带宽为1GHz。而太赫兹波工作在1000GHz频率附近，频率比毫米波高数十倍，越高的频率，潜在的可用带宽越大。太赫兹波的潜在工作带宽，要比毫米波高至少一个数量级。

而太赫兹波的另外一个特性，就是时域频谱的信噪比非常高。因此，根据香农定理，由于具有更高的信道带宽，更高的信噪比，使用太赫兹波进行数据传输，可以获得比毫米波高得多得多的数据传输速率。这就是6G移动通信会选择太赫兹波的主要原因。

另外，太赫兹波还具有其他一些适合通信的特点。比如：

第一、由于太赫兹波处于电子学向光子学过渡的阶段，因此它同时具备了微波通信和光通信的优点。除了具有比微波更快的传输速度，还具有波束窄、方向性好的特点，可以实现更好的传输安全性和抗干扰能力。

第二、太赫兹波具有很强的穿透能力。相对于光通信而言，太赫兹波不易受到烟雾、沙尘等不利环境因素影响。

第三、由于太赫兹波的波长只有0.03mm到3mm，因此终端设备的天线可以做得非常小，节省设备设计空间，天线的数量也可以进一步增加。

第四、太赫兹波特别适合卫星通信，在真空环境下，太赫兹波通信比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。我国也已经于2020年11月6日发射了全球首颗6G试验卫星“电子科技大学号”，该卫星重量70公斤，搭载了太赫兹卫星通信设备，可以在卫星上建立数据收发链路，并开展太赫兹通信试验。

第五、太赫兹波段由于尚未开发，因此具有丰富的频率资源，易于将来开展利用。

正是由于以上的特性，太赫兹波可能会成为6G通信系统的关键组成部分。虽然目前太赫兹波通信还有一些技术问题需要突破，但相信很快我们就能看到太赫兹波在通信领域的应用。

关于太赫兹波我们就先聊到这里。我还会在后面的文章和视频里为大家介绍更多关于6G的知识，欢迎小伙伴们关注江湖事务所。

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