◆劉進(jìn)芬 圣文順 莊雨婷
淺談移動(dòng)通信中的太赫茲技術(shù)
◆劉進(jìn)芬1,2圣文順1莊雨婷1
(1.南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院 江蘇 211222;2.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 江蘇 210003)
本文簡單介紹了太赫茲波的特點(diǎn),并對太赫茲技術(shù)在移動(dòng)通信中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單匯總和分析。太赫茲通信能夠?qū)崿F(xiàn)大容量高速率數(shù)據(jù)傳輸,本文以此為基礎(chǔ)闡述了太赫茲技術(shù)在未來移動(dòng)通信領(lǐng)域中要面臨的各項(xiàng)挑戰(zhàn),由此相信太赫茲技術(shù)是未來發(fā)展6G的重要研究方向。
太赫茲;6G;移動(dòng)通信
隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展,人們對數(shù)據(jù)的傳輸速率要求也越來越高。從通信1G(2.4Kbps)到現(xiàn)在的5G(峰值理論傳輸速度可達(dá)每8秒1GB),我們可以看到數(shù)據(jù)的傳輸速率提高了幾千倍。相應(yīng)的,我們使用的無線電磁波的頻率也在不斷提高。因?yàn)轭l率越高,允許分配的帶寬范圍越大,單位時(shí)間內(nèi)所能傳遞的數(shù)據(jù)量就越大。那么數(shù)據(jù)傳輸速率還會(huì)更快嗎?也就是還有可能出現(xiàn)6G嗎?在“2018年世界移動(dòng)通信大會(huì)·北美”上,美國聯(lián)邦通信協(xié)會(huì)(FCC)專員Jessica Rosenworcel女士稱,6G將邁向太赫茲頻率時(shí)代。
太赫茲又稱為太赫,是波動(dòng)頻率單位之一。它的頻率范圍是0.1 THz到10THz,對應(yīng)的波長范圍是0.03毫米到3毫米之間??梢钥闯觯掌澰陂L波段與毫米波相重合,在短波段與紅外光相重合,是一門交叉學(xué)科。在光學(xué)領(lǐng)域,太赫茲被稱為遠(yuǎn)紅外;在電子學(xué)領(lǐng)域,太赫茲被稱為亞毫米波或超微波。眾所周知,紅外技術(shù)和微波技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟,但是太赫茲技術(shù)還在初步研究階段。究其原因,主要是太赫茲技術(shù)既不能完全用光學(xué)理論來研究,也不能完全用微波技術(shù)來處理,因?yàn)樘掌澋念l率比微波高但是卻低于紅外線。也正是由于太赫茲技術(shù)能夠聯(lián)系兩大學(xué)科,使兩個(gè)學(xué)科能夠相互借鑒相互融合,因此研究太赫茲技術(shù)具有重大的科學(xué)意義和實(shí)際意義。
太赫茲波段在電磁波譜中的位置如圖1所示,可以看出其所處的位置是比較特殊的,因此太赫茲有很多優(yōu)越的特點(diǎn)[1]。
圖1 太赫茲波在電磁波譜中所處的位置
(1)太赫茲的波長在微波與紅外光之間,因此與微波、毫米波相比,太赫茲在探測時(shí)可以獲得更好的分辨率;與激光相比,太赫茲的搜索能力更好、搜索范圍更大。
(2)太赫茲的頻率最高可達(dá)10T赫茲,因此它具有較高的穿透能力,可對不透明物體進(jìn)行透視成像。
(3)太赫茲的瞬時(shí)帶寬較寬(0.1~10 THz),因此它的數(shù)據(jù)瞬時(shí)傳輸速率非常大,可達(dá)數(shù)十Gbit/s。
(4)太赫茲單個(gè)脈沖的頻帶比較寬,范圍從幾百GHz 到幾個(gè)THz,因此它可以用于定性鑒別一些分子結(jié)構(gòu)。
(5)太赫茲波的光子能量比較低,只有幾毫電子伏特,是X射線光子能量的百萬分之一,因此它不容易破壞被檢測物質(zhì)。
正是由于太赫茲波有這么多優(yōu)越的特性,因此世界各國都紛紛投入到對太赫茲技術(shù)的研究中。2004年,美國首次提出太赫茲技術(shù),并將太赫茲技術(shù)列為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一。之后美國IBM、Intel等公司開始對太赫茲技術(shù)進(jìn)行研究,目前已經(jīng)在無線通信、雷達(dá)成像等方面取得了很多進(jìn)展。2005年,日本提出了10年科技戰(zhàn)略規(guī)劃,并將太赫茲技術(shù)列為十大關(guān)鍵技術(shù)之首。2006年,日本首先研究出了0.12太赫茲無線通信樣機(jī),實(shí)現(xiàn)了10Gbit/s高速數(shù)據(jù)傳輸。2011年,德國研制了一套0.22太赫茲無線通信演示系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了12.5Gbit/s高速數(shù)據(jù)傳輸,之后在2012年,他們對該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了25Gbit/s高速數(shù)據(jù)傳輸,2013年實(shí)現(xiàn)了40Gbit/s高速數(shù)據(jù)傳輸。然后在2014年,法國研制出了一套太赫茲無線通信系統(tǒng),速率高達(dá)46Gbit/s。2015年都柏林城市大學(xué)和倫敦大學(xué)合作研制出了多載波太赫茲通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了三個(gè)載波10 Gbit/s 的正交相移鍵控(QPSK)。
我國在2005年召開了“香山科技會(huì)議”,制定了太赫茲技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。目前國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)都著手于太赫茲技術(shù)的研究,其中中國工程物理研究院、電子科技大學(xué)等多家單位取得了較為突出的研究成果。2009年,電子科技大學(xué)研制出了0.11太赫茲無線通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了5Gbit/s高速數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)還研制出了0.22太赫茲無線通信系統(tǒng),傳輸速率高達(dá)3.5Gbit/s。2010年,中國工程物理研究院首先研制出了0.14太赫茲無線通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了10Gbit/s高速數(shù)據(jù)傳輸。2012年,中物院又提出了0.34太赫茲實(shí)時(shí)解調(diào)通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了50米、3Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。2016年,電子科技大學(xué)研制出了一種采用直接調(diào)制方式的太赫茲通信系統(tǒng),在0.34太赫茲實(shí)現(xiàn)了Gbit/s的高清視頻傳輸[2]。2017年,中物院又研制出了0.14太赫茲的遠(yuǎn)距離無線通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了21千米、5Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸[3]。
從研究現(xiàn)狀可以看出,世界各個(gè)國家都在投入大量的人力物力研究太赫茲技術(shù),而由于太赫茲波的特點(diǎn),使成為可能,這就為移動(dòng)通信帶來了更多的挑戰(zhàn)。已經(jīng)有研究人員研制出了太赫茲有線傳輸平臺(tái)[4],能夠進(jìn)行大容量高速率數(shù)據(jù)傳輸;也有研究人員研制出了無線近場通信平臺(tái)系統(tǒng),該系統(tǒng)不加裝天線,調(diào)制器速率最高可達(dá)500MHz[5]。
目前日本和德國研制的太赫茲通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率最高能達(dá)到100Gbit/s,但是距離比較近[6]。因此,如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高速率的傳輸正是未來將要面臨的一個(gè)很大挑戰(zhàn)。這其中涉及很多關(guān)鍵技術(shù),例如高碼率調(diào)制解調(diào)技術(shù)、測試校準(zhǔn)技術(shù)、信號放大技術(shù)、抗干擾技術(shù)等,這些都需要研究解決。另外,大容量高速率數(shù)據(jù)傳輸引起的信息安全問題也是研究人員要面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn),因?yàn)楦哳l率的太赫茲波在空氣中傳輸時(shí)信號衰減非常嚴(yán)重。此外要測試太赫茲通信系統(tǒng)的性能,還需要研究人員盡快制定相應(yīng)的性能指標(biāo)和測試參數(shù),該項(xiàng)技術(shù)的缺乏也是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
太赫茲技術(shù)作為一門新興學(xué)科,其在通信領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)出的強(qiáng)大優(yōu)勢是未來發(fā)展6G的重要研究方向,也是推動(dòng)移動(dòng)通信大容量高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾夹g(shù)手段,在未來很有可能取代藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)傳輸?shù)?,因此大力發(fā)展和研究太赫茲技術(shù)就顯得非常重要。相信在不久的將來,太赫茲技術(shù)的應(yīng)用將涉及社會(huì)的方方面面。
[1]劉盛綱,鐘任斌.太赫茲科學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用的新發(fā)展[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,38(05):481-486.
[2]陳智,張雅鑫,李少謙.發(fā)展中國太赫茲高速通信技術(shù)與應(yīng)用的思考[J].中興通訊技術(shù),2018,24(03):43-47.
[3]Wang,Cheng,Lu,Bin,Lin,Changxing,et al.0.34THz wireless link based on high order modulation for future wireless local area network[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology,2014,4(1):75-85.
[4]鄒明芮,周海東,李光彬等.太赫茲無線局域網(wǎng)媒體訪問控制協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2017,39(12):2824-2830.
[5]孫建國.太赫茲通信技術(shù)的研究與展望[J].數(shù)字通信世界,2018,166(10):60+90.
[6]楊鴻儒,李宏光.太赫茲波通信技術(shù)研究進(jìn)展[J].應(yīng)用光學(xué),2018,39(01):12-21.
南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院2019年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(PJ20191390509)。