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--> --> -->| 性能 | 5G | 6G |
| 峰值数据速率 | 20 Gbit/s | 1—10 Tbit/s |
| 用户体验数据速率 | 0.1 Gbit/s | 1 Gbit/s |
| 时延 | >1 ms | <0.3 ms |
| 移动速度 | <500 km/h | 1000 km/h |
| 全球覆盖率 | 大约70% | >99.9% |
| 移动速度 | 500 km/h | >800 km/h |
| 区域流量密度 | 0.01 Gbit/(s·m2) | 1 Gbit/(s·m2) |
| 网络能源效率 | 比4G高10—100倍 | 比5G高10—100倍 |
| 频谱效率 | 比4G高3—5倍 | 比5G高3—5倍 |
表15G与6G的性能对比[4,5]
Table1.Performance comparison between 5G and 6G[4,5]
为实现6G无线通信技术, 世界各国提出了各种技术方案, 关键技术主要包括太赫兹(THz)技术、新型波束技术、多址接入技术、信道编码技术、大规模多输入多输出(MIMO)技术及频谱管理等. THz波(0.1—10 THz)作为6G技术候选频段之一, 桥接了红外波段和微波波段, 在通信过程中有着很重要的应用前景. 与红外通信相比, THz波能穿透烟雾和浮尘, 对不同环境适应能力强, 不易受到天气因素的影响, 因此THz通信更容易对光束进行跟踪和校准. THz波还能穿透像木料、陶瓷、塑料、脂肪等非金属和非极性器件, 因此THz通信不易受阻挡物干扰而中断, 适应情境更广. 与X射线相比, THz波的能量较小, 对人体不易造成伤害, 故其安全性能更高. 与毫米波段相比, THz的方向性能比较好, 未经授权的用户很难从较窄的THz波束中进行窃听, 这保证了消息的机密性. 另外, THz通信还可以很好地利用扩频、跳频技术来对抗干扰攻击, 提升攻击者窃取信息的难度. THz地面通信多适用于局域通信, 具有高数据率和低延迟的特点, 可应用于近距离场景的高效信息传输. THz通信可以实现几百Gbit/s到几十个Tbit/s的高数据传输速率, 可满足人们对数据流量指数级增长的需求. 采用100 Gbit/s的无线连接, 一秒钟内就能下载大约25 GB的蓝光电影[6]. 而THz远距离空间通信在未来发展中非常重要, 各国都在发展空-天融合信息网络, 如卫星集群网络、卫星间骨干网络和星对地网络.
图 1 (a) 420颗卫星的空间分布; (b)第一阶段实现了1584颗卫星星座, SpaceX的“星链”计划在全球范围内实现低成本互联网连接服务[7]Figure1. (a) Spatial segment distribution of 420 satellites; (b) 1584 satellite constellations have been achieved in the first step, SpaceX’s “Starlink” plans to realize low-cost Internet connectivity services worldwide[7].
2019年, 英国电信集团首席网络架构师在行业论坛中表示“5G+卫星网络(通信、遥测、导航)= 6G”, 并希望在2025年实现6G商用, 其中包括“纳米天线”的广泛部署, “无线光纤”技术实现超快宽带等.
2020年4月8日日本总务省发布目标: 到2025年, 完成6G主要技术的研发; 到2027年, 开始6G技术试验; 到2030年, 正式启用6G技术. 随着大数据时代的到来, 生成的数据量持续增加, 信息设备耗电量惊人, 日本在着眼于6G的同时还提出高节能的理念. 日本电报电话公司(NTT)和索尼、英特尔在 6G 网络研发上进行合作研发光驱动半导体芯片, 如果研发成功并投入商用, 那么充电一次可待机一年的智能手机也将进入人们的视野.
2019年1月韩国LG电子公司联合韩国先进技术研究所(KAIST)组建6G研究中心, 同年6月文在寅在出访欧洲各国时提出与各国首脑商讨6G领域的相关合作, 并与芬兰总统签订联合开发 6G 的协议. 2020年7月14日韩国三星电子发布《下一代超连接体验》6G白皮书, 内容包含了三星技术研发、社会趋势、新服务需求、候选技术及预期的标准化时间表. 白皮书阐述了三星的6G时代是要将下一代超连接体验带入生活的每一个角落, 并提到3项关键的6G服务: 沉浸式扩展现实(XR)、全息图和数字孪生(图2). 据三星电子预计, 将在2028年实现6G早期商业化, 在2030年左右实现大规模商业化.
图 2 4G到6G通信和计算融合的体系结构的演化过程(转自三星6G白皮书6G -The Next Hyper Connected Experience for All)Figure2. Architectural evolution for convergence of communications and computing from 4G to 6G (from 6G-The Next Hyper Connected Experience for All).
中国在5G技术中处于第一梯队, 我国很早已开始布局 6G 研究. 2018年, 中国通信标准化协会就提出了有关6G的愿景和要求, 并启动研究6G的关键技术. 2019年11月3日, 科技部会同发改委、教育部、工业和信息化部、中科院、自然科学基金委在北京组织召开了6G技术研发工作启动会, 会议宣布成立国家6G技术研发工作推进组和总体专家组. 2019年, 中国华为公司在加拿大渥太华成立了 6G 研发实验室, 开始研发6G技术, 并与5G技术齐头并进. 中兴高级副总裁王翔在2020年9月5日公开表示, 中兴科研团队已开始向6G网络的方向进行研发, 并攻关6G方面的关键技术. 同时中国一些高校也展开了6G研究, 其中清华大学和中国移动在2020年5月30日表示将会共同开展面向6G的未来移动通信网络、下一代互联网和移动互联网、工业互联网、人工智能等重点领域的研究. 在2020年11月25日举办的世界5G大会上, 清华大学崔保国教授表示, 6G试验由清华大学牛志升教授主导并于2020年年底开展.
3.1.全覆盖: “空-天-陆-海”全融合技术
由表1可知5G的服务区域覆盖范围有限, 仅5G地面通信网络无法实现随时随地、无处不在的高质量和高可靠服务, 而6G技术要实现的“空-天-陆-海”全融合技术是将卫星通信网络、地面通信网络、海洋通信网络等各种网络技术进行联合, 可为偏远地区、无人区、基站毁坏等地区的通信提供便利. 无人机(UAV)作为新一代空中通信平台, 具有灵活性好、移动性高等特性, 是联结地面和卫星之间的中继结构, 可以在低空方便卫星访问. 基于时分多址接入(TDMA)的两级中继结构, 用户可通过随机访问方案向无人机传输数据, 无人机通过协调或非协调访问方案转发数据给卫星[8]. 同时, 无人机可以提供大量的数据集, 并及时提供灾害预警, 帮助加快救援和恢复工作, 但是目前无人机在民用中还面临着像充电、避碰和群集、网络和安全等方面的问题[9].海洋占地球面积的70%, 因此海洋通信网络技术是实现“空-天-陆-海”全融合技术的重要一环. 海上机器式通信(MTC)网络主要负责促进船舶之间或船舶与海岸之间的通信, 以此来实现各种类型的海洋物联网服务, 如海事安全信息服务, 该项服务可为船舶提供航行预警、气象预报、水文状况等信息. 除此之外, 像集装箱跟踪服务还可对货船上的特定集装箱进行地理定位、远程监控[10]. 但目前, 5G并没有重视MTC网络, 因此像海上服务的连通性、海上环境、服务需求和无线电频谱等方面仍然面临着许多问题. 这些问题需要通过构建MTC系统框架(图3), 采用适应不同海上服务和设备要求的无线电/空中接口以及国际认可的无线电频谱等方法来解决, 以保障海事相关业务的现代化, 同时传递更多的海事信息, 尤其在恶劣的海洋环境下, 仍可及时做出决策, 并有效缓解海上活动和作业偏远的通信问题, 使航程更安全更高效[11].
图 3 太空-地球一体化的海上MTC系统由卫星-地面综合的网络设施和自组织网络组合而成[11]Figure3. Space-earth integrated maritime MTC system consisting of a satellite-terrestrial integrated network infrastructure and self-organized networks[11].
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3.2.网络安全
从1G到5G数据传输速率越来越快, 但是由于底层网络的复杂性以及身份管理的缺陷, 通信网络安全一直以来都是需要重点攻克的问题. 1G网络具有模拟通信的性质, 信息易受到非法拦截和克隆, 很难提供有效的安全服务. 2G网络普遍存在虚假资讯传播和有害广播资讯营销. 基于IP通信的3G网络将互联网安全漏洞转移到移动网络上. 4G移动网络中, 更多的新设备和新业务依赖于IP通信, 网络安全的复杂程度和危险系数进一步扩大. 到了5G移动网络时代, 大量物联网设备的合并和新服务的涌入将进一步加剧安全问题[12]. 网络安全需要各种技术和管理措施的支撑, 使网络系统正常运行, 从而确保网络数据的可用性、完整性和保密性. 随着新的通信技术的开发, 6G网络潜在的安全和隐私依然是一个值得深思的问题, 比如可利用基于物理层的方法(PLS)提供无线信号的安全传输, 但为了满足6G的要求, 仍需要更高效的PLS技术. 区块链由散列指针彼此连接, 用于记录和存储公共共享数据库, 可实现资源整合和共享. 研究表明, 安全隐私区块链(SPB)框架具有更强的匿名性, 在一定程度上提供了隐私保护, 减轻了计算、能量、带宽资源的消耗, 并且它还可在没有调解器的情况下, 仍在网络实体间建立多种信任关系, 因此可能会在6G网络中崭露头角[13].2
3.3.全应用
6G的应用场景相对于5G来说, 将拓宽很多. 除了增强5G原有的应用场景: 增强移动宽带(eMBB)、海量机器类型通信(mMTC)、超可靠低延时通信(uRLLC), 还支持一些前瞻性的场景, 如以人为本的服务、远距离与高机动通信、通信计算控制定位和传感融合、分布式人口融合应用、遥控全息无人系统等. 6G还可以与多种新技术如云计算、边缘计算、人工智能、区块链等新技术相结合, 从而通过6G实现随时随地随心的智能移动社会, 打造一切智能和群体智能的世界.借助大数据平台, 基于下行链路和上行链路的测量, 移动网络能够全局优化资源分配和网络操作, 大数据分析有助于获取应用程序数据和用户数据[14]. 开发大数据可极大促进系统智能化, 且以高效经济的模式运行. 但是由于需要整合新的元素和技术, 无线网络管理规模的复杂性也不断扩大, 这导致网络产生的数据量庞大而复杂. 人工智能(AI)是管理大量数据的解决方案之一. AI可以通过学习关键网络参数来增强蜂窝网络对刺激的响应, 比如AI能及时地感知网络流量、资源利用率、用户需求和可能存在的威胁, 并智能协调用户设备(UE)、基站(BS)和网络实体[15], 还可以从原始数据中提取有价值的信息, 提出有洞察力的建议和预测, 熟练地控制和优化无线网络. 如图4所示, 全息波束形成与数据分析、机器学习(ML)等技术结合能被应用到多种场景中, 可动态化地改变信息传递的方式, 实现动态设备的接入, 提供定向服务等. 以上也说明AI与ML更适合于下一代的6G通信系统[16].
图 4 数据分析、ML和AI技术可用于模拟、数字和混合波束形成, 图中是利用全息波束形成可获得的用例场景[16]Figure4. Data analytics and ML, and AI techniques can be used for simulation, digital, and hybrid beamforming, holographic beamforming has been taken as action scenario in this figure[16].
4.1.新型波束技术
大频带在5G和6G的发展中具有广阔的应用前景, 但功率放大器(PA)的非线性特性限制了系统的设计. 在未来的5G和6G的演进过程中, 需要引进新的波束设计, 尤其是在高阶调制不适用的情况下, 非正交波形(NOW)可改善离散傅里叶变换扩频正交频分复用(DFT-s-OFDM)的频谱效率[17]. 在传统移动通信系统中, 高速移动具有局限性, 因此在6G网络中提高移动性场景下的传输速率是十分必要的, 正交时频空间(OTFS)调制技术是一种综合了码分多址(CDMA)和正交频分复用(OFDM)性能的新型调制方案. 研究发现该调制技术在高多普勒信道、大天线阵列或在高频率的信道中, 每个传输符号都能获得接近恒定的信道增益, 且在延迟-多普勒信道范围内, OTFS显示出明显低于OFDM的错误率[18].2
4.2.多址接入技术
6G物联网(IoT)需要足够的频谱资源, 为海量物联网终端提供频谱接入. 然而, 传统的正交多路访问(OMA)限制了有限频谱资源的充分利用. 在后5G和6G的营运中, 采用大相控阵波束将毫米波(mm Wave)与非正交多址接入(NOMA)相结合[19]. NOMA通常可以在上行链路和下行链路上同时为多个用户提供服务, 大大提高了频谱利用率, 同时NOMA还能够提供最优的吞吐量, 可支持蜂窝网络中海量物联网设备的运行[20].2
4.3.信道编码
5G采用了极性码作为控制信道编码的方式, 在未来的6G系统中, 极化编码传输的技术仍可能凭借其高可靠性、高频谱效率等优势而拥有广阔的应用前景[21]. 极性码的代码构造涉及特定的信道特性, 直接影响到译码算法的性能和复杂性[4], 例如极性码在衰落信道中性能较差, 而通过使用动态冻结符号获得的代码可提供0.8 dB的增益[22]. 在5G移动通信标准中, 数据通道目前采用分组码-低密度奇偶校验码(BC-LDPC), 但这种方案译码收敛速度慢, 译码复杂度高, 译码延迟长, 编码长度短, 码率低, 在未来的6G通信场景中可能并不适用. 而卷积码LDPC (CC-LDPC)在这些方面则具有明显优势, 在未来6G移动通信中适应度高[23].2
4.4.大规模MIMO技术
大规模MIMO技术是发展未来宽带网络的推动力, 该网络将具有节能、高安全性、低延时、高效利用频谱能量的特点. 且随着发射端和接收端天线数目的增加和信噪比的增加, MIMO系统在通信中的容量可显著提高[24]. 同时由于大规模MIMO中使用了空间多路复用技术, 可将系统容量提高10倍以上. 研究表明在THz频段下, 由于石墨烯的等离子体纳米天线阵列技术的发展, 仅占用1 mm2的阵列就能实现1 THz的1024 × 1024 超大规模的 MIMO系统[25]. 目前, 在通信系统更迭的大背景下, 无蜂窝大规模MIMO系统在吞吐量方面, 显著优于小蜂窝系统, 无蜂窝的大规模MIMO的每个用户95%的可能吞吐量几乎是小蜂窝系统的20倍[26]. 2019年, 相关团队发现在128 × 128 配置的无蜂窝大规模 MIMO下, 当激活12个远程天线单元(RAUs)和12个用户时, 系统总吞吐量可达到10.185 Gbit/s. 当进一步增加RAUs和用户的布局密度时, 系统的整体频谱效率可以更高[27].2
4.5.频谱应用
5G旨在为任何类型的设备和应用程序提供无处不在的连接. 为满足高吞吐量的需求, 5G无线通信除利用6 GHz以下的频段外还需使用更高的频带如毫米波频段. 在2018—2020年, 美国FCC先后完成 28, 24, 37, 39, 47 GHz 频段的频谱拍卖, 向市场投放了总带宽近5 GHz的5G频谱[28]. 5G技术的发展过程中均采用相控阵波束和大规模MIMO技术来提高通信容量和补偿严重的路径损耗, 但存在制造成本高、功耗高等问题[29].为了进一步扩大通信容量和提高数据传输速率, 6G将扩大用于移动通信的频率范围. 在2019年3月, FCC决定开放95 GHz—3 THz的频段作为6G试验频段, 目前研究人员实现的近百Gbit/s传输速率的太赫兹通信系统多集中于300—500 GHz的频段范围内.
另外, 可见光通信是一种频段范围在400—800 THz的高速通信技术, 该频谱无须授权, 运营商和设备商可自由应用. 可见光通信是以实现机机交互为目的, 可为天空卫星通信、地面车间通信及水下潜艇通信提供便利, 并具有绿色、节能的特点, 也是未来实现6G技术的关键频谱资源之一[30]. 2019年研究人员通过1.6 m的无线链路实现了15.73 Gb/s的数据传输速率[31].
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4.6.频谱管理
5G时代, 监管机构引入了多种频谱管理方法, 允许部署新的蜂窝网络. 而对于即将到来的6G, 频谱频带种类多样且传播特性不同, 因此频谱管理方法也越来越多样化. 6G既要追求新频段但同时也要保护现有频谱用户, 6G共享频谱的需求比以往任何时候都要高. 通过将6G与传感和通信相融合, 通过人工智能启发的算法在频谱访问决策方面的进步, 将能让6G网络感知无线电环境并实时适应更动态的操作[32]. 图5是由智能频谱感知模块、大数据分析模块和AI智能管控模块组合而成的智能频谱管理系统架构图[33].
图 5 智能频谱管理体系构架[33]Figure5. Management system architecture of intelligent frequency spectrum[33].
5.1.6G技术趋势
6G无线通信技术希望获得比5G高10—100倍的数据传输速率, 其中提高无线传输数据速率的关键途径有两种: 一种是通过提高频谱效率, 另一种是利用较大的频率带宽或频谱资源. THz频段因其具有丰富带宽资源、较强的感知能力及拥有Tbit/s数据传输率的优点受到国内外****的重视. 研究人员投入大量的精力来开发高性能、低成本的设备和包装技术, 使THz频段在商业上, 尤其在6G中被利用. 对于即将到来的6G无线网络, THz波段通信将缓解目前无线系统的频谱短缺和容量限制, 并使传统网络领域和新型纳米级通信范式的新应用成为可能, 并有望支持6G中各种前瞻性应用, 实现局域到广域的转变. 根据Shannon的理想通信定律可知:2
5.2.太赫兹信道研究
THz波段同毫米波段相比表现出更严重的路径损耗、大气吸收和漫散射, 如今大多数THz信道测量都在100—300 GHz波段附近, 而300 GHz以上的信道特性仍需在未来进行广泛探测. 目前研究人员对THz信道测量场景多集中在室内, 对于室外的信道测量比较少. 2020年加州大学使用频域信道发声器和额定增益为21 dBi、波束宽度为13°的喇叭天线, 对140—220 GHz视距(LOS)室内办公场景的信道进行测量, 并用0.5 m到5.5 m之间的11个测量点来表征这些LOS通道[35]. 图6显示了在不同频带中路径损耗与距离的关系, 可知路径损耗随距离增加而增加[35]. 除了LOS传输, 室内场景还必然会涉及非视距(NLOS)场景下的数据传输问题. 2019年, 芬兰卢奥大学利用高增益天线研究了300 GHz频段的LOS和NLOS多径传输下的路径损耗, 并发现如果LOS路径为主通信信道, NLOS路径与LOS路径相比非常弱, 可被忽略[36]. 如果NLOS路径是主通信信道, 当材料折射率在1.5—2.9之间随机变化时, 那么平均NLOS路径比先前测得的LOS路径多了15 dB的反射损失[36]. 这说明NLOS路径损耗指数主要取决于材料对主通信信道的反射损耗. 四川大学早在2014年就通过改变入射角测量了不同装修材料在340 GHz下的反射特性, 发现瓷砖、中/高密度纤维板等材料, 反射能量主要集中在镜面方向, 非镜面方向的反射能量与镜面方向相比至少有40 dB的衰减, 且无论入射角为多大, 在非镜面反射方向都会出现大幅度衰减[37]. 为了解决室内通信信道衰减的问题, 电子科技大学陈智课题组[38]对智能反射表面(IRS)投入了大量的研究, 并在2020年提出了一种适用于6G室内应用场景的智能反射表面辅助THz MIMO通信系统(图7), IRS方案可提高终端设备通信速率和覆盖能力, 用以解决室内THz通信系统中THz波覆盖能力差、路径损耗大的问题. 此外, 研究人员发现随IRS元件个数的增加, 采用深度神经网络(DNN)算法要比穷举搜索法和局部搜索法的复杂度低3到6个数量级, 这也表明DNN能降低计算复杂度并用于变化的信道条件中[38].
图 6 各种频带的测量和路径损耗模型[35] (a) 140?150 GHz频带; (b) 180?190 GHz频带; (c) 210?215 GHz频带Figure6. Measurement and path loss models for various frequency bands[35]: (a) 140?150 GHz band; (b) 180?190 GHz band; (c) 210?215 GHz band.
图 7 IRS辅助的THz MIMO通信系统[38]Figure7. IRS-assisted THz MIMO communication system[38].
总的来说对于开放环境的室外测量, LOS路径更占优势. 但在2018年, 布朗大学利用ASK (幅移控键)调制且数据传输速率为1 Gbit/s的载波对开放环境下的THz室外信道进行测量, 发现NLOS路径仍会干扰LOS链路导致误码率(BER)性能变差, 他们将该装置分别放在草坪上和水泥地面上, 其误码率与距离的关系如图8所示. 当地面是固体混凝土表面时, NLOS路径干扰对BER影响更大, 而由于草表面对THz波的吸收要高些, 所以对BER的影响较小, 这就导致了LOS路径受到与地面反射相关的镜面NLOS路径的干扰, 而这种干扰信号对地面特性比较敏感[39].
图 8 (a)草坪和(b)人行道上的链路距离与误码率性能的关系, 100 (黑色)、200 (蓝色)、300 (红色)和400 (绿色) GHz载波频率. 插图为路径损耗的平方根与距离和频率的乘积呈线性关系[39]Figure8. The BER performance relevant to link distance on (a) lawn and (b) sidewalk, for 100 (black), 200 (blue), 300 (red), and 400 (green) GHz carrier frequencies. Inset: square root of path loss scales linearly with the product of the distance and the frequency[39].
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5.3.太赫兹通信技术与发展
THz波段由于数据传输速率高, 能适应指数增长的无线数据流量需求, 因此被认为是未来6G技术的重要频段之一. THz通信系统大致可以分为基于全电子学技术的THz通信系统和基于光子学技术的THz通信系统.基于全电子学技术的THz通信系统因其小型化和易集成的特点在近几年来备受关注. 日本国家信息通信研究所(NICT)与NTT于2016年利用磷化铟-微波单片集成电路(InP-MMIC)全电子收发机, 研制了用于KIOSK即时数据下载应用的无线通信系统, 其收发机两端分别用30 dBi和15 dBi喇叭天线传输信息, 实现了在300 GHz频段内20 Gpbs的无线ASK数据传输, BER随通信链路的距离变化如图9(a)所示[40]. 与此同时, 日本的广岛大学致力于在300 GHz左右的频段上通过使用CMOS技术来实现THz通信. 2017年Takano等[41]利用40 nm CMOS技术和32 QAM的调制格式, 实现了最高单通道数据速率为105 Gbit/s的发射机(Tx) (图9(b)), 并将它集成在2.76 mm×1.88 mm的硅片上. 同年他们使用非线性器件MOSFET, 同样采用40 nm CMOS的制作工艺实现了由下变频混频器和本振(LO) 6倍频链组成的接收机(Rx), 该接收机可传输无线传输速率为32 Gbit/s的16 QAM (正交振幅调制)调制信号且其3 dB带宽为26.5 GHz[42]. 2013年, 德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所研制了工作频段在600 GHz以上的THz单片集成电路(TMIC), 该芯片采用了35 nm In0.80Ga0.20As/In0.52Al0.48As高电子迁移率晶体管(HEMT)制作工艺, 并且测量出w波段(75—110 GHz)经6倍频器后, 可以实现在580—625 GHz频段内–16 dBm的平均输出功率[43]. 基于此项芯片制作技术, 2015年德国斯图加特大学在发射和接收射频前端使用完整的MMIC芯片集进行数据传输实验, 发现在300 GHz的载波频率上可传输高达64 Gbit/s的QSPK (正交相移控键)数据速率[44]. 在国内, 电子科技大学在2016年提出了基于肖特基二极管收发器的无线通信系统, 在220 GHz频段上实现了数据传输速率为3.52 Gbit/s, 传输距离为200 m的实时户外传输[45]. 2020年该团队又基于220 GHz固态收发器的双载波无线通信系统(图10)实现了20 m实时无线传输, 数据速率达到12.8 Gbit/s[46]. 该系统的基带数据处理平台是通过模拟数字转换器(ADC)和数字模拟转换器(DAC)将数据进行转换, 然后经射频(RF)通道传输. 为了达到高速数据处理的目的, 在帧同步算法后将数据分别划分为8个通道, 以此减轻数据处理的压力, 且 Tx和Rx上使用50 dBi卡塞格伦天线, 该天线具有高增益和窄波束的特点, 可以实现波束对准. 最后研究人员通过开关设备可实现多路8 K视频并行传输[46]. 2017年, 中国工程物理研究院将固态功率放大器和真空电子放大器进行级联, 开发了一种0.14 THz无线通信系统, 实现近瓦级的输出功率, 可在21 km距离以5 Gbit/s的数据速率实时传输数据. 这证明了0.14 THz波段对重霾具有良好的穿透性, 并测量出重霾引起的衰减约0.1 dB/km[47].
图 9 (a)测量的BER性能与各种链路距离的关系及眼图, 由于信噪比的限制, 在60 cm处记录了最小误码率, 然后逐渐增加[40]; (b)广岛大学研发的最高单通道数据速率为105 Gbit/s的Tx的显微图像[41]Figure9. (a) Measurements of bit error rate performance for various link distance and eye-diagrams, and the minimum BER was recorded at 60 cm then increased gradually, due to the SNR limitation[40]; (b) microimages of Tx with the highest single-channel 105 Gbit/s data rate developed by Hiroshima University[41].
图 10 220 GHz双载波通信系统的原理图, 该系统由一组固态收发器组成, 具有2个信号载波和2个基带[46]Figure10. Schematic of the 220 GHz dual-carrier communication system consisting of a set of solid-state transceivers with two signal carriers and two basebands[46].
与全电子通信技术相比, 光子学技术可提供更高的传输容量, 能在未来以THz频率工作的无线通信系统中发挥关键作用. 1997年日本NTT公司推出的单行载流子光电探测器(UTC-PD), 凭借其高输出功率和高带宽的性能作为THz无线通信链路的发射机, 而接收机则以肖特基二极管混频器和MMIC为主. 2012年, NTT公司的Song等[48]利用UTC-PD和肖特基二极管混频器收发系统, 在300 GHz频段上实现了24 Gbit/s ASK信号的无误差传输且传输距离为50 cm. 2013年, 大阪大学与NTT联合, 在不使用数字信号处理(DSP)的情况下利用多电平调制技术实现了数据速率超过100 Gbit/s的实时传输, 并对基于光频梳发射机后的光路进行相位稳定, 从而在100 GHz的载波频率下实现10.3 Gbit/s的无错误传输, 以此说明相位稳定的重要性[49]. 同年, 德国卡尔斯鲁厄技术研究所将UTC-PD作为发射机, MMIC作为接收机, 通过选择一条光频梳发生器产生的光频并进行16 QAM调制后, 与本振(LO)光混频, 实现了100 Gbit/s的无线数据传输[50]. 他们还对三条间隔为12.5 GHz的光频分别进行了16 QAM和8 QAM调制, 发现虽然同样也能实现100 Gbit/s的无线数据传输, 但是在20 m的无线传输距离处, 前者的误码率更低[50]. 2018年, 大阪大学工程科学研究院研制了由UTC-PD和次谐波混频器作为收发机的无线通信系统[51], 在670 GHz频段上实现了超过10 Gbit/s的无误差传输. 其中UTC-PD采用WR-1.5矩形金属波导进行封装, 通过耦合器电路上的微带线, 产生的THz波在400—850 GHz的宽频率范围内能有效地耦合到空心波导(图11(a)). 研究人员测量了直流偏置电压VB为–0.8 V、光电流IPD为0.6 mA和0.9 mA时, 输出功率与频率的关系(图11(b)). 研究发现, 当频率在500 GHz时, 输出功率最大, 且当IPD = 9 mA时, 输出功率几乎高达13 μW.
图 11 (a)矩形波导输出的光电二极管的俯视图和侧视图, 对于600 GHz波段波导(WR-1.5), 内部波导尺寸为L = 0.381 mm, W = 0.191 mm; (b)直流偏置电压VB为–0.8 V, 光电流IPD为6 mA和9 mA时输出功率与频率关系[51]Figure11. (a) Top view and side view of a photodiode with a rectangular waveguide output. In a 600-GHz-band waveguide (WR-1.5), interior waveguide sizes are L = 0.381 mm, and W = 0.191 mm; (b) output power and frequency relationship when VB is –0.8 V, IPD is 6 mA and 9 mA[51].
近几年国内光子学技术的研究和发展也颇为丰富. 2016年浙江大学、天津大学和丹麦技术大学联合在300—500 GHz频段内利用频分复用技术调制8个间隔为25 GHz子信道的THz无线链路, 系统将8个光频和由同一光频梳产生的单个本振光在UTC-PD进行光混频, 得到了高频率稳定、低相位噪声的THz载波, 该系统中8个通道都由10 Gbaud Nyquist QPSK进行数据调制, 传输数据速率高达160 Gbit/s且其通信传输距离为50 cm, 图12(a)显示了50 cm无线传输后8个子信道测量得到的误码率, 所有子信道都获得了低于前向纠错(FEC)的误码率性能[52]. 在此基础上, 他们又提出了一种在350—475 GHz频段的多信道THz无线通信系统, 该系统采用6个载波频分复用, 总容量可达120 Gbit/s, 无线传输后, 每个信道中的QPSK信号的误码率低于硬判决前向纠错(HD-FEC)限制阈值3.8×10–3[53]. 虽然基于空间/频分复用技术演示的无线通信系统可以获得大于100 Gbit/s的高数据传输速率, 但这也会导致系统的复杂性和能耗增加. 为解决这一问题, 2018年, 浙江大学与英国皇家理工学院信息通信技术学院等多所大学合作研制了不使用任何空间/频分复用技术的单通道0.4 THz光子无线链路, 该系统采用16 QAM调制和DSP技术, 该技术在发射机端对加载到任意波形发生器(AWG)之前的信号进行预处理并对在接收机端执行的信号进行重构和解调的后处理, 实现了106 Gbit/s的高吞吐量[54]. 为了进一步提高频谱效率和增加系统容量, 2020年他们又提出基于THz正交极化双天线方案, 在320—380 GHz波段进行了混合THz光子无线传输的实验演示[55], 通过概率整形技术-64QAM-正交频分复用技术(PS-64QAM-OFDM)调制格式, 成功地实现了612.65 Gbit/s (约2 × 300 Gbit/s)的潜在系统总吞吐量, 且其传输距离为2.8 m, 当光功率在12—13 dBm时, 双通道的误码率值都低于0.03 (图12(b)). 2018年德国卡尔斯鲁厄技术研究所在0.3 THz载波频率上试验了在110 m的距离内可传输100 Gbit/s的QPSK信号[56], 该系统在接收机处使用Kramers-Kronig算法处理肖特基二极管. 当UTC-PD输入的总光功率在11.6 mW且载波信号功率比(CSPR)维持在13.7 dB时, 考虑使用指数KK算法, 实现了2.6×10–3的误码率, 低于FEC的7%, 与没有使用KK处理的传统外差接收(w/o KK)相比, 误码率明显降低(图12(c)). 2020年, 浙江大学联合中国工程物理研究院电子工程研究所微太中心研制了基于无线电超纤(RoF)的350 GHz频段的高速THz光子无线通信系统, 该系统采用OFDM作为调制格式, 又将PS用于OFDM信号上, 提高系统效率, 降低比特能耗, 当线路速率达到119.1 Gbit/s时, 16 QAM信号实现了26.8 m无线链路传输. 同时研究人员又结合RoF链路构建了一个准实现化的THz无线传输系统, 通过10 km光纤传输和26.8 m无线链路实现了线路速率106.2 Gbit/s的无线通信[57]. 随着光学拓扑绝缘体的发展, 拓扑扭结状态可作为片上THz通信的信息载体, 应用在未来6G无线网络中. 2020年, 南洋理工大学的杨怡豪等[58]实现了高效、可集成、低成本的THz拓扑光学片上通信, 并利用该芯片实现了实时传输未压缩的4 K高清视频. 研究发现在THz拓扑光子芯片中, 拓扑扭结态对急剧弯曲是免疫的. 他们在26 mm × 8 mm硅片上制作了一个高度扭曲的具有十个尖角的畴壁, 测量拓扑扭结态沿扭曲畴壁的传输, 并将测量结果与由直畴壁和无畴壁组成的VPC中的传输进行比较(图13), 发现每个弯曲的最小弯曲损耗约小于0.1 dB. 若用此畴壁进行THz通信实验, 可实现在载波频率为0.335 THz, 数据传输速率为11 Gbit/s, 误码率小于10–11的传输. 采用相位调制器和高阶多级调制方案, 可以进一步提高载波频率及数据传输速率[58].
图 12 (a) 300?500 GHz频段上在50 cm的无线传输后对8个信道的误码率性能的测量[52]; (b)在2.8 m无线传输后, 对X和Y路径中的两路THz信号进行了评估, 图中为比特BER性能与UTC-PDS光功率的函数[55]; (c) “w/o KK”、“二次KK”、“指数KK”的BER与CSPR及UTC-PD输入的光功率的函数曲线[56]Figure12. (a) Measurements of BER performance after 50 cm wireless transmission for 8 channels in the 300?500 GHz band[52]; (b) the evaluation of two-way THz signals in the X and Y paths after 2.8 m wireless transmission and a function of bit BER performance with UTC-PDS optical power in this figure[55]; (c) function curve of BER and the optical power input from CSPR and UTC-PD for “w/o” KK”, “quadratic KK” and “exponential KK” [56].
图 13 (a)扭曲畴壁的光学图像; (b)具有直畴壁、十个角的扭曲畴壁和无畴壁的VPC的传输曲线, 无畴壁的VPC, 在0.32?0.35 THz之间的传输明显降低, 而具有扭曲或直畴壁的VPC, 带隙内的传输接近统一[58]Figure13. (a) An optical image of the fabricated twisted domain wall; (b) measured transmission curves for a VPC with a straight domain wall, a twisted domain wall with ten corners and no domain wall, transmission between 0.32?0.35 THz is significantly reduced, while transmission within the band gap in the VPC with twisted or straight domain walls is nearly uniform[58].
尽管上述研究采用了不同技术, 如COMS技术、MMIC技术和光子学技术, 系统仍主要集中在300—500 GHz通信频段. 中国科学院THz固态技术重点实验室基于THz量子级联激光器(THz QCL)和THz量子阱探测器(THz QWP)研制出了THz短程无线通信系统, 用以实现THz音频传输[59]、图片文本传输[60]、视频传输[61]. 2011年, Chen等[59]基于四阱共振声子和双金属波导设计了QCL有源区, 尺寸为40 μm × 1 mm, 可辐射4.1 THz的辐射波. 基于GaAs/AlGaAs材料体系, 采用分子束外延技术生长制作了QWP, 两者分别处在10 K和4 K的低温工作环境中. 整个通信系统的音频传输距离为2 m, 通信过程中采用调制带宽约为580 kHz的直接电压调制[59]. 同年, Tan等[60]又利用相同的收发装置, 搭建了传输频点为4.13 THz的图片文本无线传输演示系统. 2013年, 该实验室搭建了3.9 THz的2.4 m通信链路来传输实时视频信号, 该系统采用直接开关调制和强度检测技术, 实现了数据传输速率为2.5 Mb/s的数字视频信号传输, 并发现当传输速率低于5 Mb/s时, 传输无错误率[61]. 紧接着在2015年, 该团队[62]研制了传输速率比之前快了将近10倍的无线演示系统(图14(a)), 并发现数据速率为20 Mbit/s时, BER值低于10–8 (图14(b)), 而随着比特率升高至24 Mbit/s以上, 符号间干扰严重会导致BER的增加从而使眼图不清晰. NICT在2018年提出了3.8 THz的通信系统, 该通信系统提取了光频梳中产生的两束光频, 经马赫-曾德尔调制器处理, 通过UTC-PD产生THz信号[63]. 在接收端的超导HEBM中将THz信号与QCL输入的LO信号混合以实现外差探测. 系统采用锁相环(PLL)稳定QCL的振荡频率, 100 kHz下其相位噪声为–70 dBc/Hz[63].
图 14 (a)基于THz QCL和THz QWP的传输系统; (b)测量的误码率性能与数据比特率间关系[62]Figure14. (a) Scheme of the transmission setup based on a THz QCL and a THz QWP; (b) measurements of BER performance versus data bit rate[62].
THz波不仅能在空气中传播, 还能在等离子体介质中传播. 2019年天津大学通过实验证明THz波在超声速飞行器通信中有良好的应用前景[64]. 当飞行器以超声速飞行时, 其周围温度能达到空气电离的阈值温度, 当被电离气体分子形成等离子体鞘围绕在飞行器上时, 会造成飞行器与外界通信中断的问题, 而将电磁波频率提高到THz频段能有效降低等离子体介质的屏蔽效应[64].
