都保杰

未來高速無線網(wǎng)絡(luò)展望

雖然 5G 尚未普及，但科學家們早已開始探索 6G 技術(shù)。在第六代移動通信技術(shù)路線中，以太赫茲（THz）頻率進行無線傳輸成為一種特別有吸引力且靈活的解決方案。

日前，德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究人員提出一種低成本太赫茲接收器設(shè)計，在概念驗證實驗中，該團隊演示了在 110 米的距離內(nèi)以 115 Gbit/s 的數(shù)據(jù)速率和 0.3THz 的載波頻率進行傳輸?shù)那闆r，這實現(xiàn)了迄今為止，在超過 100 米的距離上無線太赫茲通信的最高數(shù)據(jù)速率，研究結(jié)果發(fā)表在《自然·光子學》上。

115 Gbit/s 是什么概念呢？轉(zhuǎn)化成我們生活中通常說的網(wǎng)速，按照 1B=8bits 單位換算，那 115 Gbit/s=14.375GB/s，也就是說，這個 “網(wǎng)速” 每秒可傳輸超過 14GB 的數(shù)據(jù)，對比而言，根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）推行的 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)標準，規(guī)范要求速度高達 20 Gbit/s，以實現(xiàn)寬信道帶寬和大容量，其峰值理論傳輸速度才 2.5GB/s。

為什么太赫茲通信可以實現(xiàn)每秒十幾 GB 級的傳輸速率？這里需要簡單介紹下無線通信技術(shù)中載波頻率與傳輸速率的關(guān)系。

通常來講，傳輸速率隨著載波頻率增加而增加，太赫茲波段是指頻率在 0.1～10THz 范圍內(nèi)的電磁波，其頻率介于微波和紅外波段之間，兼有微波和光波的特性，太赫茲頻段大約是長波、中波、短波、微波整體帶寬的 1000 倍，這決定了太赫茲通信是高寬帶通信，乃至具備 100Gbit/s 以上高速數(shù)據(jù)傳輸能力。

太赫茲通信有望滿足未來人們對無線網(wǎng)絡(luò)速率不斷增加的需求，也有望緩解近年來無線通信頻譜資源緊張，且太赫茲波作為電磁空間中尚未有效開發(fā)利用的頻譜資源，已成為各大科技強國竟相攀登的技術(shù)制高點，被視為是改變未來世界的十大科學技術(shù)之一。

傳輸速率與載波頻率

雖然太赫茲通信如此強大，但這些信號的相干接收在很大程度上依賴于十分復雜的太赫茲電路，其包括例如高速混頻器和太赫茲本地振蕩器（LOs）等，這些電路成本高昂，也往往是傳輸鏈路的帶寬瓶頸。

來自 KIT 的研究人員展示了一個非常簡化的太赫茲數(shù)據(jù)信號相干接收方案。它依賴于一個簡單的包絡(luò)檢測器和隨后的數(shù)字信號處理（DSP），該方案允許從測量的包絡(luò)線重建太赫茲波形的相位，并依賴于光通信中所謂的 Kramers–Kronig（KK）接收器的推廣。

太赫茲通信是實現(xiàn)6G 愿景的關(guān)鍵

“為了同時為盡可能多的用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務，并以最大的速度傳輸數(shù)據(jù)，未來的無線網(wǎng)絡(luò)或?qū)⒂纱罅啃⌒蜔o線蜂窩基站子系統(tǒng)組成?！眮碜?KIT 的 6G 技術(shù)研究專家克里斯蒂安·庫斯教授表示，這些無線蜂窩子系統(tǒng)設(shè)備，會距離較短，因此可以以最小的能量消耗和較低的電磁干擾來傳輸高數(shù)據(jù)速率，相關(guān)基站會比較緊湊，而且可輕松安裝在建筑物或路燈上，之間通過太赫茲波來連接。

在這項實驗中，研究人員使用了一種高速肖特基勢壘二極管（SBD）作為一個寬頻帶和緊湊的包絡(luò)檢測器。

該論文的第一作者托比亞斯·哈特博士進一步解釋其原理：“接收器的核心是一個二極管，它可以對太赫茲信號進行整流?！边@種二極管是一種所謂的肖特基勢壘二極管，它提供大帶寬，用作包絡(luò)檢測器來恢復太赫茲信號的振幅。然而，數(shù)據(jù)的正確解碼還需要太赫茲波的時變相位，這在校正過程中通常會丟失。

為了克服上述問題，研究人員使用數(shù)字信號處理技術(shù)，結(jié)合一類特殊的數(shù)據(jù)信號，通過所謂的 Kramers-Kronig 關(guān)系，可以從振幅重構(gòu)相位，Kramers-Kronig 關(guān)系描述了分析信號的實部和虛部之間的數(shù)學關(guān)系，利用這樣的接收器概念，科學家們在 110 米的距離上以 0.3THz 的載波頻率實現(xiàn)了 115Gbit/s 的傳輸速率。此外，試驗還證明了使用 QPSK、16QAM 和 32QAM 等數(shù)字調(diào)制方式的方案可行性。

太赫茲通信雖然強，但也有著諸多特性，比如大氣不透明性，由于大氣中的水汽對太赫茲波有較強的吸收作用，因此太赫茲通信不適合地面遠程通信，距離過遠太赫茲信號就會出現(xiàn)很大的衰減，使得接收通信信號難度倍增，因此它更適合地面短程安全通信?；谶@樣的特性，太赫茲通信在衛(wèi)星間星際通信、同溫層內(nèi)空對空通信、短程地面無線局域網(wǎng)或大氣通信等方面，可有較大用武之地。

研究人員認為，本次發(fā)明的太赫茲接收機在技術(shù)簡單性上體現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，加上太赫茲技術(shù)的進一步發(fā)展，這可能是使太赫茲通信系統(tǒng)成為未來大容量無線基礎(chǔ)設(shè)施的可行選擇的關(guān)鍵。（綜合自網(wǎng)絡(luò)）（編輯/小美）