本文聚焦于气象条件对太赫兹通信的影响综述。太赫兹通信被视为未来6G网络的关键技术，能够支持超高速数据传输和低时延需求。然而，气象环境变化，会显著影响太赫兹信号的传播性能。该研究系统分析了这些因素的影响，并探讨了测量技术、信道建模方法及安全性挑战，同时整合了最新研究成果和实验数据。结果表明，降低气象干扰是实现稳定室外太赫兹通信的关键。文章还展望了未来研究方向，包括精准信道建模、新型测量方法、天气自适用通信系统及安全协议，为下一代无线通信领域的研究人员和工程师提供重要参考。
中文标题：气象如何影响下一代无线通信?
英文原题：Terahertz channels in atmospheric conditions: propagation characteristics and security performance
通讯作者：
马建军，北京理工大学
John F. Federici，美国新泽西理工学院
Daniel M. Mittleman，美国布朗大学
关键词：太赫兹通信；气象条件；信道建模；物理层安全；下一代无线通信
背景介绍
本文聚焦于气象条件对太赫兹通信的影响综述。太赫兹通信被视为未来6G网络的关键技术，能够支持超高速数据传输和低时延需求。然而，气象环境变化，会显著影响太赫兹信号的传播性能。该研究系统分析了这些因素的影响，并探讨了测量技术、信道建模方法及安全性挑战，同时整合了最新研究成果和实验数据。结果表明，降低气象干扰是实现稳定室外太赫兹通信的关键。文章还展望了未来研究方向，包括精准信道建模、新型测量方法、天气自适应通信系统及安全协议，为下一代无线通信领域的研究人员和工程师提供重要参考。
研究成果
迈向更快无线通信的未来
我们生活在一个日益互联的世界，无线通信已经变得如同电力一般不可或缺。从流媒体播放4K视频到控制自动驾驶汽车，人们对更快数据速率的需求似乎永无止境。当前的5G网络已经推动无线通信技术达到了新的高度，但研究人员已经在探索下一代无线技术——6G，它有望实现高达1太比特每秒的惊人速率，相当于在一秒钟内下载142小时的Netflix视频内容（图1）。
为了实现这一突破性的速率，研究人员正在探索太赫兹（THz）频段——这一电磁波谱中介于微波与红外光之间、此前未被充分利用的部分。可以将其比喻为开辟了一条数据传输的“超级高速公路”，使信息流动速度远超当前的无线通信技术。然而，就像天气状况会影响公路交通一样，气象条件也会显著影响太赫兹通信的性能。
当无线通信遇上气象变化
我们的综合研究揭示了不同气象条件如何以有趣且有时出人意料的方式影响太赫兹通信（图2）。
1）雨的涟漪效应
每一滴雨水都像一个微型透镜，会将太赫兹信号向多个方向散射。我们的测量结果表明，在625 GHz频率下，大雨（100 mm/h）可能导致高达170 dB/km的信号损耗，相当于将信号强度降低至原始功率的万亿分之一！
2）雪的微妙影响
有趣的是，雪对太赫兹信号的影响取决于它是湿雪还是干雪。湿雪含有大量水分，因此会像降雨一样引起显著的信号吸收。而干雪由于其复杂的晶体结构，会产生独特的散射模式，在某些情况下甚至有助于维持信号强度，但这同时也带来了潜在的安全风险。
3）湍流的困扰
即使在晴朗的天气里，大气湍流——由空气温度、压强变化引起的密度波动——也可能影响太赫兹通信。这种效应类似于炎热的夏天，柏油路面上升腾的热气导致远处景物出现“抖动”现象。我们的研究表明，尽管太赫兹信号比红外光受湍流影响较小，但在长距离传输时，这种效应仍不可忽视。
4）安全性考量
或许最令人惊讶的是，气象不仅影响信号强度，还影响通信安全性。我们的研究发现，雨滴和雪花的散射效应可能使窃听者在主波束路径之外截获通信信号，这挑战了此前关于太赫兹通信安全性的假设。
如何应对气象挑战？
智能自适应系统：未来的太赫兹通信系统可能会根据天气条件自动调整参数，比如切换频率和调整功率，甚至利用人工智能预测和补偿气象影响。
新型安全协议：研究人员正致力于将气象的影响转化为安全优势。不同天气条件下的散射模式可以用于生成复杂且难以预测的加密密钥，提升通信安全。
先进材料与技术：研发新型材料和“智能”表面，以优化太赫兹信号在恶劣天气中的传播，减少气象干扰（图3）。
未来方向
随着我们迈向6G通信时代，理解并克服气象对太赫兹通信的影响变得越来越关键。这项研究不仅加深了我们对气象如何影响无线通信的认识，也为未来更可靠、更安全的高速无线网络铺平了道路。
主要作者简介
马建军 北京理工大学教授，中国通信学会第一届太赫兹通信委员会委员。研究方向包括太赫兹信道测量与建模、无线物理层安全、信道参数校准等。研究成果发表于一作Nature、Nature Communications、IEEE TAP、IEEE TST、Optics Express等，获中国通信学会科学技术奖一等奖。
John F. Federici 美国新泽西理工学院（New Jersey Institute of Technology）教授。研究方向包括太赫兹光谱成像、太赫兹通信。在Applied Physics Letters 、Optics Letters、Semiconductor science and technology、Journal of Applied Physics等顶级期刊上发表200余篇论文。
Daniel M. Mittleman 美国布朗大学（Brown University）教授，IEEE、Optica、APS会士。担任国际IRMMW-THz学会主席。研究方向包括太赫兹成像、传感和通信。在Nature、Science等顶级期刊发表500余篇论文，获得美国国家科学基金会“职业成就奖”、世界科技联席组织2017年度通信领域“科学技术奖”。
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