基于皮肤-脂肪模型的太赫兹体内多输入多输出信道特性分析与建模

为探究太赫兹(THz)频段体内多输入多输出(MIMO)通信系统的传输特性,该文在0.8～1.2 THz下构建了精确的皮肤-脂肪模型,对皮肤-脂肪模型中垂直方向和水平方向的链路进行全波电磁仿真,分析太赫兹体内信道特性,建立路径损耗模型。首先,结合太赫兹频段人体组织的介电特性和人体皮肤的解剖学结构构建皮肤-脂肪模型。其次,对比分析了3条链路的路径损耗和阴影衰落,提出带有等效吸收因子的太赫兹体内路径损耗模型。最后,对3条链路的莱斯K因子、均方根时延扩展、MIMO容量进行分析。仿真分析表明,带有等效吸收因子的太赫兹体内路径损耗模型可以更准确地描述加长距离垂直链路2的路径损耗,发射端在体表可以增强MIMO容量。该文的工作可以为太赫兹体内通信系统的设计和优化提供参考。     

太赫兹波沿大气层倾斜路径的传输衰减

太赫兹大气传输是太赫兹科学技术及其应用的重要组成部分,它几乎渗透于所有的太赫兹应用技术领域.现有文献中所说的太赫兹大气传输基本都是水平路径的传输,而文章基于辐射传输、色散理论和Van-Vleck Weisskopf线型,结合喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)数据库,建立了太赫兹波沿大气层倾斜路径的传输衰减模型,对0.1～1 THz频段太赫兹波沿倾斜路径传输的吸收衰减特征进行了数值模拟研究.分析了低端太赫兹大气传输的窗口结构,为太赫兹地空通信提供了理论参考.     

近地空间通信中的降雨衰减影响分析

近地空间通信中链路损耗随着传输仰角的降低而增加。在低仰角传输中,大气传输损耗由于信道复杂度的增加而衰减严重。文中基于ITU-R的降雨衰减模型,结合低仰角远距离传输,分析了近地空间通信链路中冰/雨层与纬度位置的关系,并在不同频段,不同轨道高度对降雨衰减及雨衰导致天线尺寸的变化进行数值计算和仿真。仿真结果表明：在低仰角的传输环境中,降雨对近地空间通信链路的影响较大,不可忽视。其中S频段比X和Ku波段衰减小近20dB。最后总结了传输电波的工作频率、覆盖半径以及平台高度给降雨衰减带来的影响,以此来正确估计大气传输损耗对通信链路性能的影响,为近地空间在低仰角下远距离传输的链路预算提供了一个理论参考值。     

基于电磁理论和热力学方法的太赫兹波空-天-地-海衰减模型

太赫兹(Terahertz, THz)频段(0.1～10 THz)可以提供数十GHz的连续带宽,以实现6G通信系统中的天地一体化网络(Space-Air-Ground Integrated Network, SAGIN)。然而,太赫兹波与SAGIN中信道介质的相互作用仍然是一个谜。太赫兹波在太空-大气-地表-海面(空-天-地-海)信道中所遭受到的吸收和散射效应可被建模为太赫兹光子与介质粒子的碰撞过程,在此基础上结合电磁理论和热力学方法提出了通用的太赫兹波空-天-地-海衰减模型。相比已有模型,该模型考虑了各类粒子(包括凝聚态粒子、单个分子和自由电子)所导致的衰减效应,涵盖了太赫兹波在传播过程中所能遇到的衰减效应。基于该模型对太赫兹波在大气和外层空间的传播损耗进行数值计算,计算结果表明,除自由空间损耗(Free-Space Path Loss, FSPL)外,其他衰减效应在50 km以上的大气都可以忽略不计,而在50 km以下的大气中则需要考虑这些衰减效应。     

卫星链路降雨衰减的测量及频率换算

利用雨量计、频谱仪、计算机等设备,对武汉地区某时段降雨率和Ku频段卫星下行链路(12GHz)的降雨衰减进行了测量.通过数据处理,得到降雨率与降雨衰减的关系.经频率换算得到了相同条件下Ka频段卫星下行链路(20GHz)的降雨率与降雨衰减的关系.针对ITU - R预测模型的不精确性,根据频率换算值对预测模型进行修正.该换算值可为该链路Ka频段卫星通信抗雨衰方案的设计提供理论依据.     

太赫兹频段星地通信信道建模与仿真

太赫兹频段作为至今尚未被完全开发的超高通信频段,具有超大带宽等优点,将其应用于第五代（the 5th Generation,5G）、后五代（Beyond 5G,B5G）移动通信系统,除实现更高速率传输外,还可实现地面移动网络与卫星网络频谱资源的共享,有利于推动新一代空天地一体化通信网络建设.文章提出了一种适用于星地通信系统的太赫兹信道建模与仿真方法,分析了自由空间损耗、分子吸收损耗、云雾衰减、雨衰减及多普勒频移等太赫兹信道的影响因素,构建了星地太赫兹通信信道建模流程,并给出了分步骤信道参数的生成方法.通过数值仿真,对不同天气状况下传输距离和频率对传输信号的影响进行了分析,并基于所生成的信道响应对误码率进行评估,从而验证了所提出模型和方法的可用性.所提建模方法能够提供不同传输条件下的动态太赫兹信道响应数据,从而为今后太赫兹频段无线通信系统的设计与开发提供评估与测试依据.     

基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

石墨烯太赫兹调制器及330 GHz无线通信系统

现有太赫兹无线通信系统通常采用微波倍频或直接调源的方式。本文从太赫兹波空间调制技术出发,研究了一种基于直接调制技术的太赫兹无线通信系统。重点探索了一种基于石墨烯/半导体硅的复合结构(GOS),研究出调制速率达到1 MHz,调制深度50%以上,工作频带覆盖0.2 THz~2 THz频段的新型全光学太赫兹调制器。在此基础上,构建了330 GHz载波频率的太赫兹无线通信系统,实现了1 Mbps的通信速率。     

空间太赫兹信息技术展望

太赫兹技术的飞速进步已经展现出对空间信息领域的积极影响.介绍了太赫兹波的特性及其现有的应用,展望了太赫兹技术在空间信息领域的应用前景,具体分析了太赫兹频段在空间信息获取和空间信息传输两个领域的技术优势.目前,空间科学观测已扩展至太赫兹频段,太赫兹频段雷达可提供高分辨率的着陆场图像及优秀的探测预警性能,太赫兹频段链路可用于航天器集群间通信、航天器内部高速无线通信,并有望成为有效突破等离子体黑障的测控通信手段.     

310 GHz太赫兹通信系统设计

太赫兹波具有传输速率高、容量大、方向性好、抗干扰能力强等特点,由于大气损耗大和大功率源的缺乏,较适用于短距离无线通信。基于300 GHz频段的优良特性,设计了一种310 GHz太赫兹无线通信系统。通信链路基于美国亚毫米波与太赫兹产品制造公司(VDI)的谐波混频和超外差收发,系统主要由倍频器、功率放大器、滤波器和VDI次谐波混频器构成。根据链路预算搭建实际通信系统,仿真和实验结果证明：随着通信速率的升高,解调信号的失真逐渐增加。通信距离1 m条件下,系统能实现10 Gbps无误码传输,当速率达到11 Gbps时,误码率为5×10-6。     

Attenuation of terahertz transmission through rain

Based on the Marshall-Palmer,Weibull raindrop size distribution and Mie electromagnetic scattering model,the relationships of attenuation coefficient of terahertz(THz) atmospheric window waves with precipitation rate and temperature are studied.Furthermore,combined with the loss of electromagnetic wave transmission in free space,the attenuation of THz communication and the transmission of current mobile communication signals through rain are compared and analyzed.The results show that the attenuation coefficient of THz transmission is increased with increasing precipitation rate,the difference of attenuation coefficient at different THz window waves is small,and the maximum difference is about 3 dB.The rain attenuation of THz wave is first decreased and then increased with increasing temperature,but the temperature has little effect on it.The attenuation of THz wave through rain is much larger than that of mobile communication signal.     

一种基于WRF模式的雨衰减短期预报方法初探

将气象中应用广泛的数值天气预报模式应用到雨衰减区域短期预报中,基于数值天气预报模式WRF获得未来一段时间降雨强度和雨顶高度的空间分布,结合系统参数如频率、极化角和仰角等,利用电波传播算法获得雨衰减的空间分布.利用实测降雨数据对预报结果进行验证,结果显示:预报雨衰减和实测雨衰减基本符合,特别是二者随时间的变化趋势非常一致.     

不同行程下水蒸汽太赫兹传输特性

太赫兹波具有独特的性质和应用,却存在大气衰减等物理上的限制.由于太赫兹波在大气传输中主要衰减来自水蒸汽,文中采用太赫兹时域光谱技术,通过构建不同行程的太赫兹时域光谱系统(0.5m、1m、2m、3 m),在0.1~2.0 THz 频率范围内,分别对不同湿度的空气进行太赫兹时域光谱测量,获得了25 个水吸收峰和10 个太赫兹窗口.结果表明:随着传输行程或湿度的增加,吸收谱带被展宽、太赫兹窗口被压缩,为超宽谱太赫兹波的潜在应用提供依据.     

无线通信应用太赫兹技术研究进展

在过去的几年里,由于不同频段电磁频谱的传播特性差异、对带宽需求以及技术利用能力提升,无线通信应用的电磁频谱不断提高。在通信领域,为满足无线数据传输需求的爆炸性增长,特别是5G通信的发展,毫米波中低频段应用已经成功实现工程化并开始商业化。而对于以光波为载体的更高频率电磁波的光通信,也已经发展了几十年。在常规无线电波(毫米波)与常规光学(远红外)之间,存在着一段长期未能有效利用的空闲频谱资源,目前被统称为太赫兹频段(0.1~10 THz)。太赫兹频段在高速无线通信领域具备明显优势,成为有潜力的6G通信核心技术。可以预见,对这项技术的使用将助力6G通信实现网络全覆盖、高度智能化及网络安全性全面提升的愿景。文章主要关注通信领域,重点介绍了太赫兹频段的特点、构建太赫兹系统功能的器件类型与工艺集成实现技术。最后,预测了太赫兹通信技术的一些应用场景,进而显示出该技术对通信领域和人们日常生活的促进作用。     

Study of atmospheric attenuation characteristics of terahertz wave based on line‐by‐line integration

Terahertz band communication promises new solution for satisfying the increasing demand for ultrahigh‐speed wireless communication. Channel models capturing the unique peculiarities of the terahertz (THz) band are required for communication systems designing. Extreme high molecular absorption is a distinctive phenomenon that has to be involved in terahertz communication models. Research in this field has mainly focused on the characteristics along the horizontal propagation path. In this paper, we developed a unified molecular absorption model along the slant propagation path of the THz wave, based on the line‐by‐line integration method developed by Van‐Vleck and Weisskopf and combining the molecular spectral line in the HITRAN database. Then, an in‐depth analysis on the THz channel characteristics is carried out by the developed propagation models. The attenuation characteristics of terahertz waves with frequencies in the range of 0.1 to 1 THz are analyzed by theoretical and mathematical modeling. The results show that the terahertz communication channel has a strong dependence on both the molecular composition of the medium and the transmission distance. The experimental results also indicate the strong absorption frequency points, weak absorption frequency points, and spectral windows.     

基于太赫兹片上系统微带线的设计与仿真

太赫兹片上系统是一种将太赫兹产生和探测装置以及波导传输装置集成在同一基片上的设计,应用于晶体材料的共振吸收以实现对太赫兹时域光谱的探测。太赫兹产生与探测装置都由光电导天线构成,波导传输装置由微带线构成。微带线是一种能够传输高频电磁波的波导结构,但相比于自由空间波导具有高损耗和散射特性。为了研究微带线的结构参数对太赫兹波传输损耗的影响,采用模拟仿真的方法,得出了传输损耗随着传输长度和频率的增加而增加,随着微带线金属层厚度与介质层厚度的增加而减少的规律,从而证明了传输损耗的减少能够通过合理设计微带线结构来实现。     

Terabit-per-Second Satellite Links: a Path Toward Ubiquitous Terahertz Communication

Due to the demand for high-speed wireless communications, carrier frequencies have increased in the search for both available and wider bands. The millimeter-wave and terahertz bands (0.1–3 THz) are commonly believed to be impractical for all but short-range links due to severe attenuation by atmospheric water vapor. However, the field of submillimeter radio astronomy has demonstrated that this can be effectively mitigated by the construction of large aperture telescopes in very dry high-altitude locations, such as the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in the Chilean Andes. Modeling has shown that Earth-satellite links in excess of 1 Tb per second can be achieved with a system patterned off observatories, since the loss of a satellite link from a dry location equals a sea-level path of only several kilometers. Despite advantages over optical satellite links, THz links have not been an area of active study. We review the technology and science necessary to develop a terabit-per-second THz satellite link and argue that a satellite link offers a good first step toward the development of ubiquitous THz communications.     

降水对Ku/Ka频段星地链路衰减特性的影响研究

近年来,Ku和Ka卫星在广播、通信和军事等领域应用数量越来越多,传统的Ku和Ka波段星地链路降水衰减预报模型基于经验关系和理想假设,考虑降水微物理特性不足,针对此问题,在实测降水粒子微物理特征的基础上定量分析了降水垂直分布、粒子形状、粒子取向、粒子相态等对Ku和Ka频段信号衰减的影响特性.结果表明,与考虑降水非均匀垂直分布的计算结果相比,ITU和SAM模型是基于降水分布均匀的假设,无法代表降水垂直分布不均匀时的衰减情况;降水粒子形状和取向对衰减的影响较小,在13GHz和32GHz频段,球形和非球形粒子衰减值的平均绝对偏差均在0.01dB以下,不同粒子取向时衰减系数的平均绝对偏差最大值为0.00098dB/km和0.0207dB/km;不同相态的降水引起的衰减差异较大,衰减值从大到小依次是湿雪、水和冰.研究结果可以为Ku和Ka波段星地链路传播特性评估及降雨反演新方法提供基本的理论支撑和数据参考.     

A Journey from Traditional to Machine Learnig of Radio Wave Attenuation Caused by Rain: A State of Art

Given the massive rapid growth for capacity in wireless data telecommunications every year, wireless carriers must be planned for a thousand-fold increase in mobile traffic in 2020. It compels scientists to explore for new wireless airwaves that can accommodate large data rates. Next-generation technologies must address issues such as increased spectrum allocation in millimetre wave frequency bands, the installation of directional antennas beam forming antennas, better battery life, high data transmission rates with reduced outage probability, lower capital costs, and increased capacity for multiple simultaneous users. There are two types of telecommunication links: terrestrial and satellite. Terrestrial links are also known as radio relay links. This connects the troposphere, which is located between the earth’s surface and the high atmosphere, to the propagation of radio waves. Gases, water vapour, and other weather phenomena such as rain, storms, snow, and hail all interfere with higher frequency radio signals in this region. Due to these difficulties, energy is absorbed and diffused, resulting in signal attenuation. Another form of obstruction generated by radio waves on terrestrial paths is buildings, trees, lampposts, grill, and other urban features. Under these conditions, reflection, diffraction, refraction, scattering, depolarization, and other phenomena are studied. This study discusses the effects of rain on satellite and terrestrial communications.