秒殺5G！ 德國(guó)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)迄今 最高速無線傳輸

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(xué)家們?cè)缫验_始探索 6G 技術(shù)。在第六代移動(dòng)通信技術(shù)路線中，以太赫茲（THz）頻率進(jìn)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(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的研究人員提出一種低成本太赫茲接收器設(shè)計(jì)，在概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)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(jìn)行傳輸?shù)那闆r，這實(shí)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(xué)》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(gè) “網(wǎng)速” 每秒可傳輸超過 14GB 的數(shù)據(jù)，對(duì)比而言，根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）推行的 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范要求速度高達(dá) 20 Gbit/s，以實(shí)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(shí)現(xiàn)每秒十幾 GB 級(jí)的傳輸速率？這里需要簡(jiǎn)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(zhǎng)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(duì)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(qiáng)國(guó)竟相攀登的技術(shù)制高點(diǎn)，被視為是改變未來世界的十大科學(xué)技術(shù)之一。

傳輸速率與載波頻率

雖然太赫茲通信如此強(qiáng)大，但這些信號(hào)的相干接收在很大程度上依賴于十分復(fù)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(gè)非常簡(jiǎn)化的太赫茲數(shù)據(jù)信號(hào)相干接收方案。它依賴于一個(gè)簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢測(cè)器和隨后的數(shù)字信號(hào)處理（DSP），該方案允許從測(cè)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(shí)現(xiàn)6G 愿景的關(guān)鍵

“為了同時(shí)為盡可能多的用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，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(kù)斯教授表示，這些無線蜂窩子系統(tǒng)設(shè)備，會(huì)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(huì)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一種高速肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）作為一個(gè)寬頻帶和緊湊的包絡(luò)檢測(cè)器。

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

為了克服上述問題，研究人員使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，結(jié)合一類特殊的數(shù)據(jù)信號(hào)，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(hào)的實(shí)部和虛部之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用這樣的接收器概念，科學(xué)家們?cè)?110 米的距離上以 0.3THz 的載波頻率實(shí)現(xiàn)了 115Gbit/s 的傳輸速率。此外，試驗(yàn)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(qiáng)，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(duì)太赫茲波有較強(qiáng)的吸收作用，因此太赫茲通信不適合地面遠(yuǎn)程通信，距離過遠(yuǎn)太赫茲信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)很大的衰減，使得接收通信信號(hào)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(duì)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(rèn)為，本次發(fā)明的太赫茲接收機(jī)在技術(shù)簡(jiǎn)單性上體現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，加上太赫茲技術(shù)的進(jìn)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）