太赫茲頻段-無線通信的下一個前沿領(lǐng)域

1、太赫茲頻段：無線通信的下一個前沿領(lǐng)域隨著即將到來5G通信應(yīng)用遍地開花,科研工作者將目標(biāo)轉(zhuǎn)向了 6G 技術(shù)的研究.對于下一代無線通信技術(shù)何去何從, 上海交通大學(xué)韓充 教授與合作者一起,從硬件設(shè)備以及通信理論兩個角度, 深入介紹了 無線通信的下一個前沿領(lǐng)域一一太赫茲通信的應(yīng)用前景、 潛在挑戰(zhàn)以 及開展現(xiàn)狀,說明了太赫茲通信有望實現(xiàn)超高速率、 超高密度無線數(shù) 據(jù)傳輸.研究成果以?太赫茲頻段：無線通信的下一個前沿領(lǐng)域?("Terahertz band: Next frontier for wireless communications ") 為題于2021年發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊?物理

2、通信?(Physical Communication ),論文被引用次數(shù)位于工程科學(xué)領(lǐng)域前1% ,為Web of Science 全球高被引論文.信息社會對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾市枨笕找嬖黾?預(yù)計在未來的十年, 太比特每秒(Tbps)的無線鏈路將會實現(xiàn).然而,微波頻段(0.1THz 以下)的頻譜資源逐漸耗盡,難以提供 Tbps速率的無線數(shù)據(jù)傳輸. 太赫茲通信被視為能滿足這一需求的關(guān)鍵技術(shù)之一,太赫茲頻段(0.1-10 THz )能夠提供超高帶寬,為要求超高數(shù)據(jù)速率的各種應(yīng)用 翻開了大門,從宏觀尺度上看,太赫茲通信應(yīng)用前景包括6G蜂窩網(wǎng) 絡(luò)、太赫茲無線局域網(wǎng)、太赫茲個人局域網(wǎng)、軍事平安通信(如隱蔽

3、通信),從微觀尺度上看,包括健康醫(yī)療系統(tǒng)、納米傳感器網(wǎng)絡(luò)、納米物聯(lián)網(wǎng)、芯片級無線通信Terahertz1 Band 彳Radio MicrowavesInfrared Ultraviolet X-rays rrays1 MHz1 GHz1THi1PHz1EHt1 ZHs300m,0.3m 30mm m > 岫mi 03阿 0.3nmO.Jpfin 30fm圖1太赫茲頻段位于電磁波頻譜的中段,具有豐富的頻譜資源.不過,太赫茲通信研究目前仍面臨著重要挑戰(zhàn).首先,需要研發(fā)新的 收發(fā)機架構(gòu),新型架構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠在太赫茲頻帶頻率下工作,能夠利用非常大的可用帶寬.同時,收發(fā)機應(yīng)當(dāng)具有高功率、高靈敏度和低

4、噪 聲系數(shù),這是克服太赫茲頻段的高路徑損耗所必需的.其次,還需要 超寬帶和多頻帶天線才能在太赫茲頻段中實現(xiàn)數(shù)十 Gbps到Tbps速 率的無線鏈路,并且需要新的天線系統(tǒng),例如非常大的天線陣列,達(dá) 到高天線增益,以此補償太赫茲波傳播的高路徑損耗.文中還從通信網(wǎng)絡(luò)的各層對太赫茲通信面臨的挑戰(zhàn)及問題進(jìn)行了總 結(jié).首先,應(yīng)當(dāng)對太赫茲的信道特性加以研究,包括分子吸收損耗、 高反射損耗、視距及非視距傳播特性、多徑信道、噪聲源等.在物理 層,主要的研究方向包括太赫茲調(diào)制編碼、 大規(guī)模多輸入多輸出天線(MIMO )技術(shù)、同步技術(shù)、均衡技術(shù)以及物理層平安.在鏈路層,主要問題在于,根據(jù)太赫茲通信的特性研發(fā)新的介質(zhì)

5、訪問限制 MAC 協(xié)議.在網(wǎng)絡(luò)層,由于單個太赫茲通信基站覆蓋區(qū)域變小,通信節(jié)點密度變大,移動設(shè)備在不同基站之間的切換變得更為頻繁,需要研發(fā)新的路由算法,以及支持新型切換算法的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu).在傳輸層,主要挑戰(zhàn)在于,研究可靠傳輸和擁塞限制的全新機制, 以到達(dá)太赫茲網(wǎng)絡(luò) 的新需求.Wireless Networking* Interference Medium Access AlignmenLand Tradcing, Ccnestlon Conlrol* RautiingInterdisciplinary Scenarios* THz sensing a nd Imiaging* Joiint rad

6、ar and comiTiiiriicatiDns* THz localization* TH# space commiunicatlO'ris * Internet of Nan& Tiilngs.Channel Modeling* Multipath Channel 3D Channel U-Maive MIMO Channell Time-varying ChannelDevice and Testbed* Siignal Generator detector Power Amplifier Antenna and Arr»y Phv&i<al E

7、xperimental Test bedObjective: establish fundamentals for 6G Terahertz wireless communicaonsPhyskaf Communication Modulation Synthronlzatlioni Resource Allocjlion MIMO fteamforminK CodiM圖2太赫茲無線通信實驗室主要研究工作上海交通大學(xué)的韓充教授為論文的作者之一,美國佐治亞理工學(xué)院Ian F.Akyildiz教授和東北大學(xué)Josep Miquel Jornet教授為論文合作者.韓充教授主要從事太赫茲毫米波無線通信

8、研究,具領(lǐng)導(dǎo)的上海交通大學(xué)太赫茲無線通信實 驗室研究方向主要包括太赫茲信道建模、太赫茲物理層通信、太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)以及交叉學(xué)科研究.近年來,課題組在太赫茲信道傳播特性、波束成形、隱蔽通信、太赫茲非正交多址網(wǎng)絡(luò)NOMA 設(shè)計、太赫茲網(wǎng)絡(luò)干擾分析、太赫茲室內(nèi)定位等方向做出了很多前沿探索,取得的相關(guān)研究成果發(fā)表?IEEE Journal onSelected Areas on Communications » «IEEE Communications Magazine »« IEEE International Conference on Computer Co

9、mmunications(INFOCOM)?等國際著名學(xué)術(shù)期刊和會議上.此外,他受邀在2021年和2021年的國際通信大會 IEEE International Conference on Communications (ICC)講授太赫茲無線通信課程.論文下載地址： :/ /ji upload/editor/file/20210222/20210222210610 91737.pdf參考文獻(xiàn)：I. F. Akyildiz, J. M. Jornet, and C. Han,“ Terahertz Band: Next Frontier forWireless Communications " Elsevier Physical Communication Journal,