6G新频谱：太赫兹无线通信之“思与行”

太赫兹无线通信技术是未来6G潜在关键技术之一,引起了国内外广泛的关注。本文首先介绍了国内外相关研究计划和研究动向,分析了太赫兹通信技术的特点和优势。其次阐述了太赫兹通信技术在未来6G中的可能应用场景以及面临的挑战。最后提出了行动建议。     

室内走廊环境高频段宽带无线信道测量与建模

为了验证在高频段进行宽带无线通信的可行性,介绍了针对室内走廊环境进行的14 GHz宽带无线信道测量和所获取的信道特征。基于频域信道冲激响应测量方法,设计搭建了宽带无线信道测量平台,较好地克服了高频段电波传播能量实时测量采集的难度。基于实测数据提取信道参数化模型,获取了高频段电波传播特性参数统计分析结果,包括路径损耗与阴影衰落、时延扩展、角度扩展。测试与分析结果表明:高频段电波传播时延小、方向性强,适用于宽带互联通信。     

Novel MAC protocol for terahertz ultra-high data-rate wireless networks

Due to having a large bandwidth to support Gbps-level data rate, terahertz communication attracts more and more attention in recent years. However, there are few medium access control （MAC） protocols for terahertz ultra-high data-rate wireless networks, which affects the research and application of terahertz communications. To address this problem and to achieve ultra-high data-rate wireless access with terahertz communication, a novel MAC protocol, called medium access control for terahertz communication （MAC-TC）, is proposed. Through designing a new channel access scheme, a new superframe structure, and related key parameters, MAC-TC can support a maximum data rate up to 10 Gbit/s even higher. Theoretical analysis and simulation results show that our proposed MAC protocol realizes the function of medium access control and attains a maximum data rate of 18.3 Gbit/s, which is 2 times higher than 5.78 Gbit/s, the theoretical maximum data rate of IEEE 802.15.3c standard.     

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。     

大动态范围太赫兹频段雷达散射截面测量

针对目前太赫兹频段雷达散射截面(RCS)测量动态范围较小的问题,提出了一种结构分段定标结合数据分段处理的大动态范围RCS获取方法.基于相对定标理论分析了单一定标测量方式对RCS测量范围与测量精度的限制,并通过对光滑金属球与圆柱的实验测量进行了验证.通过光滑金属平板的RCS测量讨论了衰减元件的引入对系统测量精度与测量范围...     

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.     

一种工作于太赫兹频段的石墨烯天线

为克服金属材料在太赫兹频段的工艺不足,利用石墨烯在该频段的特性,设计了一款工作于1.0 THz的石墨烯贴片天线。根据随机相位近似(RPA)的石墨烯表面电导率模型,研究了面电导率与频率(太赫兹波段)以及化学势的变化关系,确定了石墨烯材料的物理参数。该天线结构由石墨烯贴片,聚酰亚胺衬底和地板组成。利用HFSS软件优化,其尺寸仅为220 μm×140 μm×9 μm。石墨烯贴片天线工作频段为0.98~1.02 THz,-10 dB相对阻抗带宽为4.0 %,最大辐射方向上的增益达7.32 dB。此外,该天线具有尺寸小,轻便,机械性能稳定,结构简单且易集成的特点。     

全电子的300 GHz太赫兹无线通信

太赫兹波作为一种新的高频段资源,有着更高的载波频率,可以承受更大的带宽和传输速率,成为新一代宽带通信中的研究热点。本文基于纯电子学器件成功搭建300 GHz的太赫兹无线通信系统,其发射机结构简单,复杂度相比光子辅助系统更低。进行了无线距离50 m和100 m的信号传输实验,对系统的传输性能进行了实验探究,验证了传输性能和传输速率、发送电压之间的关系。目前,在不使用功率放大器(PA)的情况下,100 m是全电子太赫兹无线传输系统能达到的最远距离。     

导电聚苯胺在太赫兹波段的光电性能研究

导电聚苯胺是一种掺杂高分子半导体,内部含有大量的自由载流子,同时含有大量被束缚的载流子。本文利用太赫兹时域光谱装置测量了不同电导率的聚苯胺在0.3～2.8 THz的光谱特性,得到了其在太赫兹波段的吸收系数、折射率和介电常数等光电参数。研究了电导率对其吸收系数、折射率和介电常数的影响,对半导体材料中载流子与太赫兹波的相互作用的研究具有重要意义。     

太赫兹通信物理层安全技术发展研究

在太赫兹通信技术快速发展的背景下,建筑遮挡、恶劣天气等原因导致的复杂、弥散信道对通信安全性、可靠性提出新的挑战。太赫兹通信的保密属性在通信网络的广域性下隐含泄露、窃听等风险,研究现有的加密和防窃听手段在太赫兹通信中的可行性,推动物理层安全技术的创新与应用,实现信息的稳定安全传输,成为具备研究价值的热点问题。本文从安全通信角度出发,分析部分现有物理层加密与防窃听方法,总结其在太赫兹通信领域中的融合应用与效果,并对其未来发展趋势进行展望。     

真空电子太赫兹器件研究进展

太赫兹波因其具有电子学与光子学的特性,所以在深空探测、无损检测、通信及安检等领域有巨大应用潜力.近些年,太赫兹技术的迅猛发展离不开太赫兹真空电子器件的不断进步.由于尺寸共度效应及电子束发射性能的限制,这类器件在迈向更高频段过程中遇到了不小的困难.针对这些问题,研究人员通过改良高频结构、控制加工精度、制备更优性能的材料、...     

多径信道中MPSK信号的调制识别算法

针对多径信道中MPSK信号的调制分类问题，提出一种新的基于高阶累量的分类算法，算法所用特征对平坦衰落信道具有衰落不变性，对频率选择性衰落信道也具有很强的抗多径能力。与已有方法相比，本文算法极大地降低了对多径信道冲激响应模式的限制，更具适应性。理论分析和计算机仿真试验都证明了新分类算法的稳健性和有效性。     

Anonymous authentication protocol for multi-services in wireless environments

To provide mutual authentication among users, wireless networks, and service providers in roaming wireless environments, this article presents an anonymous authentication and access control protocol. Bases on this protocol, entities of different trusted domains can mutually authenticate each other and preserve the anonymity of users. Hybrid cryptosystem, secret splitting, and hash chains are used in the protocol, which decrease computational loads and establish trusted relations for both entities. The proposed protocol has the least computation complexity compared with other protocols, whereas, the security has been significantly improved.     

5G无线通信系统信道建模的现状和挑战

研究第五代(the 5th Generation, 5G)移动通信场景下的无线信道新特征及其对5G关键使能技术的影响是当前亟待开展的工作.文章从5G应用的主要场景和其中部分关键使能技术出发, 基于国内外相关文献调研结果, 阐述了以高频段通信、大规模天线阵列和终端直接通信技术为背景的无线信道建模的主要需求、当前进展、存在的挑战并指出未来5G信道建模理论发展的五个主要趋势, 可能的研究成果将为相关算法在5G连续广域覆盖场景、热点高容量场景、低功耗大连接场景和低时延高可靠场景下的匹配设计和准确性能评估打下坚实的基础.     

Dual band dielectric resonator antenna for wireless application

The proposed technique is an integration of a slot antenna and a dielectric resonator antenna (DRA). This is designed without compromising miniaturisation and efficiency. It is observed that the integration of slot and dielectric structure itself may be merged to achieve extremely wide bandwidth over which the antenna polarisation and radiation pattern are preserved. Here the effect of slot size on the radiation performance of the DRA is studied. The antenna structure is simulated using the CST software. The simulated results are presented and compared with the measured result. This DRA has a gain of 7.1 and 6.3?dBi at 5.7 and 8.1?GHz, respectively, its 10?dB return impedance bandwidth of nearly 4.5% and 5.5% at two resonating frequencies. A total of 98% efficiency has been achieved from the configuration. It is shown that the size of the slot can significantly affect the radiation properties of the DRA and there are good agreements between simulation and measured results.     

无线激光DH-PIM室内通信系统性能分析

研究了加性高斯白噪声和多径码间串扰下采用双头脉冲间隔调制(DH-PIM)的无线激光室内通信系统的性能,对DH-PIM系统的符号结构、带宽、差错率特性等方面进行了分析,并与OOK,PPM和DPIM调制方式做了比较。     

用于远红外探测的Si:P阻挡杂质带红外探测器研制

提出了全外延技术方案制备阻挡杂质带薄膜,避免了离子注入制备背电极层影响外延薄膜质量的技术难点.基于硅器件工艺设计制作了Si:P阻挡杂质带红外探测器.测量了器件的光电流响应谱和暗电流特性曲线,指认了叠加在光电流响应谱上的尖锐杂质峰对应阻挡层中磷原子的杂质跃迁.研究了器件在低温下小偏压范围内的暗电流起源.通过对计算结果分析,排除了该区域暗电流起源于热激发电导和跳跃式电导的可能,指出暗电流来自器件对冷屏的光电响应.器件工作温度5 K,工作偏压1.6 V时,响应波段覆盖2.5~40μm,峰值波长28.8μm,峰值响应率20.1 A/W,峰值探测率3.7×1013cm·Hz1/2/W(背景光子通量低于1013ph/cm2·s).     

IEEE802.15.3a信道模型改造方法的研究

提出一种基于ARake(All Rake)接收机思想的UWB(Ultra-Wide Band)信道模型改造方法。该方法根据UWB系统脉冲成形方案的具体要求，将IEEE802．15．3a标准信道模型改造为具有特定中心频率和多径分辨率的抽头延时线模型。改造后的信道模型为系统设计提供了指导信息，并简化了系统性能分析和仿真。针对典型UWB成形脉冲给出改造实例，对改造后信道模型的统计特征进行了分析。     

太赫兹频段基于NR迭代法的复介电常数提取

伴随着6G通信的发展,雷达遥感、检测成像等多个领域向太赫兹频段拓展,获取材料在该频段的介电常数显得愈发重要。本文基于NR迭代法提取了太赫兹频率下样品的复介电常数,分析了迭代法的初值选取对提取结果的影响。在325～500 GHz频段(Y频段)搭建了一套由矢量网络分析仪(VNA)、扩频模块和四抛物面镜组成的8f准光系统,实现散射参数S₂₁的自由空间测量。由电磁波传输模型推导出复介电常数与S₂₁之间的关系式,利用迭代法提取出了特氟龙(Teflon)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)样品的复介电常数谱,与其他文献报道的结果一致,验证了系统和方法的有效性。     

Large-signal characterization of DDR silicon IMPATTs operating in millimeter-wave and terahertz regime

The authors have carried out the large-signal characterization of silicon-based double-drift region(DDR) impact avalanche transit time(IMPATT) devices designed to operate up to 0.5 THz using a large-signal simulation method developed by the authors based on non-sinusoidal voltage excitation.The effect of band-to-band tunneling as well as parasitic series resistance on the large-signal properties of DDR Si IMPATTs have also been studied at different mm-wave and THz frequencies.Large-signal simulation results show that DDR Si IMPATT is capable of delivering peak RF power of 633.69mW with 7.95% conversion efficiency at 94GHz for 50% voltage modulation,whereas peak RF power output and efficiency fall to 81.08 mW and 2.01% respectively at 0.5 THz for same voltage modulation.The simulation results are compared with the experimental results and are found to be in close agreement.