淺談移動(dòng)通信中的太赫茲技術(shù)

◆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。

1 太赫茲波的特點(diǎn)

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)。

2 太赫茲技術(shù)研究現(xiàn)狀

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]。

3 太赫茲技術(shù)未來挑戰(zhàn)

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)。

3 結(jié)束語

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）。