德国人工智能研究中心（DFKI）智能网络组Wei Jiang、德国凯泽斯劳滕大学无线通信与导航研究所Hans D. Schotten撰文，提出“全频谱无线通信”概念，并探讨了光波段6G的挑战。利用整个电磁（EW）频谱上的所有通信友好频段，提出了一个新概念——全频谱无线通信（FSWC）。整个EW频谱如图1所示，不同频段的主要特征如表1所示。需要注意的是，一般情况下EW频谱的定义与移动通信的频段命名不同。EW频谱从低频到高频分为无线电、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。所谓的毫米波和太赫兹波段是这些EW波段的一部分。
与6G的需求相比，分配给IMT业务的频谱资源仍然非常有限。假设总带宽为10GHz，仅以接近100bps/Hz的极高频谱效率就可以进行Tbps的数据传输，这在目前已知的技术和硬件下是不可行的。在香农定理即C=Blog(1+SNR)的指导下，6G必须获得更多带宽才能实现Tbps等严格性能。唯一的解决方案是利用100GHz以上海量丰富的频谱，包括覆盖0.1~10THz的太赫兹波段和光波段。2019年，ITU-R WRC-19认可了275GHz~450GHz对IMT业务的开放，从监管的角度为部署6G THz铺平了道路。另一方面，更高的频率，即包括红外线、可见光和紫外线在内的光波段，也适用于无线通信，无需监管机构的许可。最近，光无线通信（OWC）引起了很多关注，这也将成为6G的潜在推动者。由于紫外线高端、X射线和伽马射线的粒子具有足够高的能量来驱逐电子并产生导致癌症的自由基，因此极高频段会带来电离辐射。如果小心使用，电离辐射对健康的不利影响可以忽略不计，但它对蜂窝通信仍然是危险的。与电离辐射不同，毫米波、太赫兹和光波是非电离的，因为光子能量不足以从原子或分子中释放电子，而电离通常需要12 eV。由于未确定电离辐射是毫米波、太赫兹和光波段的一个问题，因此加热可能是唯一的主要癌症风险。国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）标准的制定旨在防止热危害，尤其是眼睛和皮肤，由于血液流动不足，它们对辐射热最为敏感。检视所有的EW频段，可以将全频谱无线通信定义为一种无线通信系统，它可以灵活地工作在所有通信可行的频段，包括无线电波、微波、毫米波、太赫兹、红外线、可见光和紫外线，并针对特定目标利用不同EW频段的特性。它不仅为实现6G性能提供了足够的带宽，而且还支持诸如通信感知一体化、建筑物内光回传和星间链路等新型组网范式。FSWC中不同频段的协同作用，以及太赫兹和光频段带来的机遇如下。①无线电频段传播距离远、穿透能力强，是远距离覆盖的黄金频谱。例如，IEEE 802.22，一种使用54~862 MHz电视白频谱的无线区域网络（WRAN）标准，实现了100公里的最大小区半径。该频段有助于6G的泛在业务，如广覆盖的物联网、低功耗广域网（LPWAN）、公共安全和应急通信、农村和偏远地区的普遍服务。②可以回收作为前几代移动通信锚点的微波频段，用于部署6G宏基站和微基站，提供增强的移动宽带服务。③应用毫米波缓解6G在城市小基站、室内热点、大容量回传、回传接入一体化等方面的频谱紧张问题。④超宽太赫兹带宽助力6G超高速率应用，如全息临场感、全沉浸式体验、超低时延无压缩视频传输、空中AI计算、信息淋浴、触觉互联网等。它为设计灵活的移动网络提供了另一个自由度。例如，太赫兹无线回传可以加快系统部署并降低维护成本。太赫兹波长微小，为开发纳米级网络、片上通信、纳米物联网和体内网络等革命性应用铺平了道路。它还可以与具有生物相容性和高能效的纳米器件相结合，利用化学信号实现分子通讯。太赫兹也有望有效地实现通信感知一体化，因为微小的波长有助于对周围物理环境进行高精度感知、成像和定位。⑤光波段几乎无限制，免牌照带宽。鉴于现成的光发射器和检测器（即发光二极管、激光二极管和光电二极管），它为6G提供了一种低成本的解决方案。由于光波不受射频干扰，不会给人体带来无线电辐射，因此有利于一些部署场景，如家庭网络、车载通信、飞机客舱、医院对干扰敏感的医疗设备等。由于光束具有高度的指向性且不易被阻挡，因此它是用于安全用途的极佳介质。自由空间光通信依靠高功率、高集中的激光束，可实现长达数千公里的长距离高数据速率。它为太空、空中和地面平台之间的交联提供了一种具有成本效益的工具，并促进了新兴LEO卫星星座的卫星间链接。此外，水下光通信提供比声波通信更高的传输速率，同时具有显著的低功耗和低复杂性。简而言之，光波段对于构建无处不在的陆地-空气-太空-海洋6G覆盖至关重要。恶劣的天气条件会导致每公里数十或数百分贝的光波功率损失，并使传输信号失真。与太赫兹波段不同，雨滴和雪花比光波段的波长大得多。最有害的大气条件是雾和霾，因为它们的半径与光波长处于同一数量级。与太赫兹波一样，氧气和水蒸气等大气分子吸收光能，造成光功率衰减。这种吸收取决于波长，因此给定的大气情况可能对某些类型的光是透明的，而完全阻挡其他类型的光。例如，红外线主要被大气中的水蒸气和二氧化碳吸收，而氧气和臭氧的吸收会强烈衰减紫外线。由于传播介质内的不同温度、大气压力和湿度水平，不同的大气条件会导致湍流。它导致光的闪烁和光束漂移。换句话说，接收器获取的光功率随时间波动，入射光的位置在空间中移动。这种现象源于收发器附近的空调通风口、屋顶的辐射热或大气中的污染物流。温度和湿度梯度会引起大气折射率的变化，这是光学畸变的根源。风和云层覆盖也会影响湍流的程度，甚至一天中的时间也会改变温度梯度。室外光无线通信严重依赖视距传输。因此，必须持续保持发射器和接收器之间的对准。然而，在发射器的光束发散角较窄和接收器的视场较窄的情况下，精确对准尤其具有挑战性。室外OWC设备一般安装在高层建筑的顶部。由于建筑框架部件的热膨胀、强风或弱地震导致的建筑物摇摆可能会导致错位。建筑摇摆会导致波束控制的指向错误，从而降低系统性能。因此，室外OWC需要一个跟踪系统来保持精确的光束对准。暴露在光线下可能会对皮肤和眼睛造成伤害，且对眼睛的伤害要大得多，因为眼睛可以将光的能量集中在视网膜上，覆盖波长在0.4~1.4um左右。其他波长的光在能量集中之前被眼睛的前部（即角膜）过滤掉。此外，如果操作不当，近红外波段的不可见光也会对人眼造成安全隐患。因此，光通信系统的设计、部署和操作必须确保光辐射是安全的，以避免对可能接触它的人造成任何伤害。
