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。     

6G技术愿景与太赫兹通信电路研究进展

6G具有低延迟、低功耗、高容量、大规模等特点,太赫兹波凭借大带宽、高速率和低延时等优点,成为6G通信系统的候选技术之一,太赫兹电路是实现太赫兹通信系统的关键组件。介绍了6G技术的发展现状和未来有望实现的应用场景,以及利用二极管、晶体管等半导体技术的太赫兹电路的研究进展。目前,对于太赫兹电路的研究正朝着更高频段、更低损耗和更高效率的方向发展。     

6G太赫兹传输链路特性分析

6G时代,太赫兹技术将实现Tbit/s的超高容量,而更高频点电磁波将面临更为复杂的链路传播环境。分别介绍了太赫兹在晴朗空气、雨天、雾天等场景的链路损耗,给出太赫兹可用频谱建议以及太赫兹适合室外短距离覆盖以及室内覆盖的结论,最后提出相应的6G太赫兹的应用场景建议。     

面向6G的毫米波和太赫兹通信技术研究

为解决传统毫米波和太赫兹通信技术通讯速率低的问题,面向6G设计毫米波和太赫兹通信技术。面向6G提取太赫兹频段,构建毫米波和太赫兹通讯质量认知图模型,优化毫米波和太赫兹通信质量转换函数,通过设备注册、密钥预分配,实现毫米波和太赫兹通信。设计实例分析,结果表明,设计技术通讯速率明显高于对照组,能够解决传统技术通讯速率低的问题。     

太赫兹高速无线通信：体制、技术与验证系统

对太赫兹高速无线通信的国内外现状和发展趋势进行了全面的综述与分析。首先介绍了太赫兹通信的特点、频段和调制体制。在此基础上详细讨论了太赫兹无线通信的关键技术,包括太赫兹产生和功率放大技术、太赫兹接收检测技术、太赫兹调制解调技术、太赫兹传输技术、太赫兹高速通信数据流和网络协议技术、太赫兹集成微系统技术;然后重点介绍了日本、德国、美国和中国的几个典型的太赫兹通信验证系统;最后对太赫兹高速无线通信的应用和发展进行了展望。     

6G无线通信物理层关键技术

业界预计在2030年前后商用6G技术。与5G技术相比,6G将在流量密度、连接数密度和能量效率等多个性能指标方面大幅度提升。为满足2030年及以后的垂直行业的个性化、多样化需求,6G将采用诸多新技术,如新型网络架构、新物理层无线传输技术以及新的安全可持续性技术。从6G物理层潜在关键技术入手,重点介绍了太赫兹（THz）、超大规模多输入多输出（MIMO）、智能反射面（IRS）及物理层安全等技术。此外,还概括地介绍了6G潜在关键技术挑战,希望为未来6G物理层相关研究提供一定的参考。     

面向6G的高速太赫兹无线通信系统与关键技术验证

太赫兹通信以其可提供更高速、更大容量和更安全的数据传输的独特优势,在未来6G中成为重要的关键技术之一。基于固态电子的太赫兹通信系统存在带宽受限、频谱响应不平坦等问题,需要先进的信号形式结合灵活高效的处理方法来提升系统性能。搭建了基于固态电子的G波段太赫兹无线通信系统,通过采用比特-功率加载的离散多音(Bit and Power Loading-Discrete Multitone, BPL-DM)调制技术,实现了对系统频谱资源的有效利用;通过对通信速率的灵活调整、自适应削波和基于三阶多项式的后均衡技术,解决了峰值功率约束带来的挑战,提升了整体传输性能,实现了在195 GHz中心频率下,单通道130 Gbit/s的通信线路速率。基于以上技术,为进一步提升系统容量,搭建了4×4的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)太赫兹通信系统,总线路速率超过399 Gbit/s。     

面向6G的太赫兹信道反射特性研究

太赫兹信道反射特性对于认知、掌握太赫兹信道传播机理,以及建立面向6G的高精度太赫兹信道模型至关重要。为此,首先,综述了太赫兹信道反射特性在理论建模和实测分析两方面的研究现状。接着,针对5种常见建筑材料,利用基于时域相关原理的太赫兹信道测量平台开展了240～310GHz频率范围的反射系数测量,并发现了反射系数依赖于电磁波的入射角。然后,参考Rayleigh反射系数理论模型,提出了入射角依赖的反射系数统计性模型,该模型能准确刻画反射系数随角度的变化规律。最后,展望了太赫兹信道反射特性的研究方向。     

太赫兹信道测量研究与实测结果分析

太赫兹通信技术是下一代无线通信的关键技术之一。相较于5G的毫米波频段,太赫兹频段的电磁波波长更短、波束更窄、抗捕获能力和抗干扰能力更强。但另一方面,更高的频率意味着更大的衰减。在太赫兹频段,传播距离相较于毫米波进一步缩短,需要对太赫兹频段的无线传播环境进行测量与建模,作为评估太赫兹通信技术的基础。罗德与施瓦茨公司在信道测量方面有着丰富的研究经验,为推动太赫兹频段信道测量的研究工作,介绍了太赫兹频段时域信道测量和频域信道测量的两种方法,并基于罗德与施瓦茨公司的信号源和频谱仪,分别在158、300 GHz频段对常见通信场景如城市街道峡谷、室内购物中心等进行了信道测量,并分析了信道冲激响应(Channel Impulse Response, CIR)。太赫兹技术已经在业内具有了一定研究基础,但仍有许多技术挑战亟待解决。通过对信道测量方法的介绍和对实测结果的分析,对太赫兹频段下的信道特征进行了研究与总结,为后续太赫兹相关领域的研究工作打下了基础。     

非相干光子辅助太赫兹通信系统综述

太赫兹通信技术以其丰富的频谱资源已成为未来6G移动通信实现“通信全频谱”的关键候选技术。由于结构简单、易集成、低成本和低功耗等独有优势，基于包络检波方式的非相干光子辅助太赫兹通信系统受到研究者们的广泛关注与青睐。本文在总结非相干光子辅助太赫兹通信系统的结构、特点及其涉及的关键技术的基础上，介绍了近几年来国内外有关太赫兹包络检波器和基于包络检波器的非相干光子辅助太赫兹通信系统的研究现状和突出成果。此外，还对基于幅度调制和基于同相正交(IQ)调制的非相干光子辅助太赫兹通信系统分别进行了详细的论述，并比较了各自的优缺点。最后，展望了未来面向6G的非相干光子辅助太赫兹通信系统及其关键器件的发展方向。     

Survey of terahertz communication technology

There are some challenges that need to be overcome before terahertz communication technology is widely applied,such as large propagation attenuation in the air and short transmission distance.Research progresses of terahertz channel,such as terahertz channel model,terahertz channel measurement and terahertz channel estimation,were first reviewed.Based on these characteristics of terahertz channel,the underlying problems in basic single-user communication scenarios and more complicated multi-user communication scenarios were respectively analyzed.For each scenario possible solutions were concluded.Last but not least,some prospect future research directions on terahertz communications were discussed.     

太赫兹无线和有线融合通信技术的研究与展望

随着5G的移动互联及物联网相交织等新型业务的蓬勃发展,对未来通信系统传输容量、传输速度以及误码率等要求愈来愈高。介于毫米波与远红外光之间的太赫兹频段兼有微波和光波的特性,具有低量子能量、大带宽、良好的穿透性。近年来太赫兹通信系统成为研究热点之一,但太赫兹无线通信存在视距传播以及较大路径损耗缺点,太赫兹无线和有线融合传输则兼具两者优点。本文分析了光子太赫兹信号产生、光子太赫兹无线链路传输和光子太赫兹光纤链路传输过程中涉及的器件和技术,重点介绍了太赫兹有线传输的研究现状,并通过基于强度调制直接检测实现1.485 GBaud 350 GHz的1 m太赫兹光纤有线实时传输视频实验,展现了太赫兹有线传输巨大的发展潜力。     

太赫兹无线局域网MAC协议优化设计

针对现有太赫兹无线网络MAC(Medium Access Control)协议中存在的无线局域网场景下原有波束赋形方案不适用、关联请求时段在新入网节点数量受限情况下时隙利用率低,以及网络流量较大时扇区号靠后的节点一直无法获得时隙导致时延陡增的情况,提出了一种适用于无线局域网的高效低时延太赫兹MAC协议(High Efficiency and Low Latency Terahertz MAC,HELL-MAC)。该协议利用中心控制节点与普通节点间的信息交互减少了不必要的波束赋形过程,采用机会性复用关联S-CAP(Sub-channel Access Period)机制提高了时隙利用率,采用公平时隙分配机制提高了时隙分配的公平性,从而减少了波束赋形时间,降低了平均端到端时延,提高了信道利用率。     

5G无线通信技术概念及其应用研究

科技水平的快速发展极大地促进了互联网企业的发展.新技术的运用使通信方式的传输速度大幅度提升,为人们的生活带来极大的便利,也为网络使用者提供更优质的上网体验.5G无线通信技术在广播电视传播等领域的广泛应用,进一步体现了我国数据传输速度的先进的水平.文章就5G无线通信技术概述及其在广播电视传播平台建设中的应用进行分析和探讨...     

面向6G的通感空口融合无线电接入网方案

通信感知一体化技术已经成为6G的重要研究方向之一。针对6G通信与感知在空口层面进行融合的必要性分析,指出通感空口融合不仅可以提升6G系统服务能力,还可以有效提升无线频谱的利用率。提出一种面向6G的通感空口融合无线电接入网方案,包括无线电接入网整体框架、无线感知与通信信号复用方式、一体化信道/信号设计等,为进一步开展研究提供参考。对通感空口融合所面临的挑战进行分析,并指出通感空口融合将对6G空口协议栈设计造成重要影响,需重点研究。     

0.14 THz 10 Gbps无线通信系统

太赫兹通信由于其固有的宽带特性,在Gbps以上的高速无线通信领域受到广泛关注。本文描述了一种工作在0.14 THz频段的无线通信系统,传输速率达10 Gbps。该系统基于超外差结构,中频采用数字信号处理技术进行16QAM高阶数字信号调制解调,依靠肖特基二极管次谐波混频技术实现从中频到太赫兹信号的频谱搬移。目前该系统已经通过了500 m 10 Gbps距离无线传输实验验证,通信频段为133.8 GHz～137.4 GHz,带宽3.6 GHz,发射功率0 dBm,传输误码率低于10-6。     

基于光混频的太赫兹双频通信天线的设计和仿真

比较了宽带天线和窄带天线的优缺点,设计了一种用于太赫兹无线通信的双频天线.其是由两个分层且垂直分布的偶极天线组成,两天线处于高度不同的介质层上以避免互相干扰和短路,并具有各自的THz扼流圈以提高性能.上层天线通过介质层开孔处的金属探针连接到低温砷化镓衬底,实现了和下层天线共用一个光照区.上层和下层天线尺寸不同,具有不同的工作频率,在各自的偏置电压回路控制下,不需要调整泵浦光就能实现垂直偏振的双频工作.通过调整尺寸,还可使工作频率落在不同的大气窗口内.在0. 21 THz、0. 35 THz、0. 41 THz、0. 68 THz、0. 85THz和0. 93 THz等大气窗口内,其保持了偶极天线在单频点具有较高性能的优点:最佳总效率分别为14. 9%、28.4%、33. 9%、28. 4%、21. 6%和19. 8%,最大实际增益分别为2. 99 d B、10. 6 d B、11. 8 d B、18. 4 d B、18. 2 d B和18. 3d B.     

Satellite constellation design for 5G wireless networks of mobile communications

Satellite constellation design plays an important role in satellite networks. Network constellation system design can affect the effectiveness of current improvements of the communications link and the management of the entire network. The power requirement of the mobile stations and ground stations is very high in a geostationary Earth orbit communication system, which means the terrestrial terminal is hard to be made handheld for fifth generation mobile communications. The emergence of nongeostationary orbit satellites such as low Earth orbit satellites greatly compensates for the disadvantage of geostationary Earth orbit satellites. Based on the classical constellation design method, the orthogonal circular orbit constellation is proposed. The design objectives considered here are the following: global Earth coverage by low Earth orbit satellites, the duration of continuously covering one mobile station by one satellite is more than 9.57 min, the access satellite link duration time of the mobile station is more than 4.79 min, and the number of satellites and orbits is to be minimum.     

高速无线通信技术研究综述

随着多个领域对无线通信的速率要求越来越高,从几百Mbps到几十Gbps,高速无线通信成为通信技术的一个前沿研究热点,并取得了重要的研究进展。详细介绍了微波毫米波通信系统、光通信系统和太赫兹通信系统3类主要的高速无线通信系统各自的研究现状及取得的成果,分析了它们采用的技术路线,并比较了各系统的优缺点,其中重点关注了它们各自采用的调制解调方式,最后展望了高速无线通信技术进一步的研究方向。