无线通信与传感技术历经各自独立的演进历程，分别致力于信息的高效传输和环境的精准感知。然而，随着下一代移动通信对超高数据速率、超低延迟、以及厘米级乃至毫米级高精度定位与成像需求的日益迫切，将通信与感知功能集成在同一硬件平台和统一波形架构下的通信感知一体化（ISAC），已成为突破传统系统性能瓶颈的关键技术范式。在所有探索中的潜在频段中，太赫兹（THz）频段，即频率范围大致在0.1 THz到10 THz之间的电磁波，以其独特的物理特性和巨大的带宽潜力，被公认为实现真正意义上的超高精度通感一体化的理想载体。
太赫兹频段位于微波与红外光波之间，长期以来因缺乏高效的发射和接收器件而被视为“太赫兹间隙”。但随着半导体和超材料技术的进步，这一挑战正逐步被克服，使得太赫兹波的商业应用成为可能。太赫兹波用于通感一体化，其核心优势在于频谱资源极其丰富和波长极短。频谱资源的丰富性为实现超高带宽提供了前提，理论上可支持每秒兆比特级别的传输速率，满足未来巨容量通信的需求。更关键的是，太赫兹波长处于亚毫米到毫米级别，这与高精度传感所要求的空间分辨率直接相关。
在传感维度，传感系统的性能，尤其是空间分辨率和定位精度，与工作波长和系统带宽息息相关。经典的雷达和感知理论表明，距离分辨率与信号的带宽成反比，而太赫兹频段可利用的连续带宽高达数吉赫兹甚至数十吉赫兹，远超当前主流的微波和毫米波系统，从而能够实现厘米级甚至毫米级的超精细距离分辨能力。同时，角度分辨率与天线阵列的孔径大小和工作波长成正比。由于太赫兹波长极短，即使是物理尺寸很小的天线阵列，也能集成大规模阵元，构建超大规模天线阵列（UM-MIMO）。这使得太赫兹通感一体化系统能够实现极窄波束赋形，从而在目标检测、跟踪和成像方面达到前所未有的高角度精度和高空间分辨率。这种超高精度的感知能力，不仅能用于环境的精细化建模、目标识别和运动状态估计，甚至可以支持高分辨率的合成孔径雷达成像，为自动驾驶、智能制造、医疗诊断等领域带来革命性的应用。
在通信维度，太赫兹系统同样受益于大规模天线阵列和极窄波束。尽管太赫兹波的路径损耗和分子吸收衰减显著高于低频段，导致有效传输距离受限，但通过集成大规模天线阵列所实现的极高阵列增益和超定向波束赋形，可以有效地补偿传播损耗，保障远距离传输的链路预算。这种超定向波束，本质上是一种高精度的空间复用技术，它将能量高度集中于目标接收机方向，极大地提高了频谱效率和能量效率。更重要的是，由于太赫兹波束极窄，不同空间方向上的用户或设备之间能够实现天然的低干扰，增强了系统的物理层安全和抗干扰能力。
通感一体化设计的核心挑战在于如何实现波形、硬件与信号处理的统一。传统的通信波形追求高频谱效率和高保密性，通常采用复杂调制和编码；而传感波形，尤其是用于雷达成像的波形，往往需要高脉冲带宽、高峰均功率比以及优异的自相关特性以获得良好的距离和多普勒分辨力。在太赫兹频段实现通感一体化，要求设计一种统一的波形，该波形既要满足通信系统对数据传输的速率和可靠性要求，同时也要保留足够的特征信息以支持高精度的目标感知。例如，可以考虑在通信符号中嵌入感知信息，或者采用双功能波形，在时域或频域上对通信和感知进行资源划分，实现性能的灵活折中。此外，太赫兹硬件的局限性对通感一体化提出了更高的要求。虽然太赫兹器件技术正在成熟，但高功率发射、低噪声接收以及高效率的频率合成仍然是挑战。由于太赫兹波长短，电路制造的精度要求极高，任何微小的误差都可能严重影响系统的性能。因此，通感一体化系统需要高度集成的射频前端，将大规模天线、收发芯片和信号处理单元集成在紧凑的空间内，以最小化馈线损耗并解决器件之间的电磁兼容性问题。这推动了基于CMOS、SiGe或InP等技术的太赫兹单片微波集成电路（MMIC）的发展，以实现低成本、高集成度的系统。
在信号处理层面，太赫兹通感一体化系统需要进行联合信号处理。感知信息，例如目标的精确位置、速度和散射特性，可以作为先验知识反哺通信系统，优化波束赋形、预编码和调度策略。例如，通过感知功能精确获知用户设备相对于基站和环境散射体的几何关系，可以实时调整太赫兹的极窄通信波束，确保链路的稳定性和可靠性，有效应对太赫兹链路易受遮挡和失准的问题。反之，通信系统的大量上行和下行数据流本身可以被视为丰富的环境探测信号，用于更精细地提取散射点、重构环境的数字孪生模型。这种信息共享和闭环反馈机制是太赫兹通感一体化系统实现性能最大化的关键。另一个必须考虑的关键技术是太赫兹信道建模。太赫兹波的传播特性与微波和毫米波存在显著差异。除了路径损耗和分子吸收，太赫兹波在与环境物体相互作用时，其散射特性更为复杂，表现出更强的频率选择性和更细腻的散射细节，甚至可能涉及电磁波的量子行为。传统的基于几何的统计信道模型需要进行大幅度修正，以纳入这些新的物理效应，尤其是在近场区域，由于太赫兹天线孔径可能大于用户到天线的距离，传统的平面波假设不再成立，必须采用球形波模型进行精确建模，这对大规模天线阵列下的信道估计和波束跟踪带来了新的挑战。
太赫兹通感一体化技术正在为众多应用场景提供颠覆性的解决方案。在智慧交通领域，车载太赫兹通感设备可以同时实现超高速车联网通信和毫米级精度的环境感知、测距和成像，支持高等级自动驾驶的实时决策和路径规划。在工业自动化和机器人领域，它可以提供高吞吐量、低延迟的控制通信，并利用高分辨率成像对生产线上的微小缺陷进行无损检测或对机器人进行超精确的定位和姿态控制。在室内定位与虚拟现实领域，太赫兹系统可以实现室内亚毫米级的定位精度，配合环境重建技术，为沉浸式体验提供高带宽、高保真度的实时交互能力。太赫兹通感一体化的优势在于，它在同一平台和频谱资源上同时解决了大带宽通信和超高精度感知这两个关键问题，实现了资源的最高效利用和功能的高度融合。
