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李少谦：电子科技大学教授、博导，通信抗干扰技术国家级重点实验室主任，通信与信息工程学院院长，国家新一代宽带无线移动通信网重大专项总体组成员， 国家“863计划”5G重大项目总体组成员，国家“973”计划咨询专家组成员，国家通信与网络重点研发计划专家组成员，IEEE Fellow等；主要研究方向为无线与移动通信技术；主持完成了30余项国家级科研项目；获国家、国防和省部级科技奖6次；获专利授权50余项，发表论文100余篇，出版专著多部。 5G微信公众平台（ID：angmobile）特讯 2016年12月3日，移动通信业界的大咖---李少谦教授，在“2016未来移动通信技术峰会---5G与垂直行业应用”上，作了有关THz（太赫兹）通信研究现状、应用趋势的重量级报告。 图为：电子科技大学教授、国家“863计划”5G重大项目总体组成员李少谦先生。 太赫兹通信技术的应用趋势（注：与李少谦教授的报告内容无关） 对未被分配的空闲频谱资源的需求增长，将不可避免地使无线通信系统的工作频率向更高频率的太赫兹（THz）频段发展。大数据的瞬时传输将采用更高的载波频率，以满足高传输速率的需求。大量的研究表明，THz技术在通信领域的应用与当今比较成熟的微波通信和光纤通信相比，具有更多的优点，传输速率高（100 Gbps甚至更高）、方向性好、安全性高、散射小、穿透性好。 图1 太赫兹通信超高速无线传输技术的应用 表1 太赫兹通信的应用场景 图2 1970年--2010年，无线通信系统数据速率的发展趋势 今天，人们越来越依赖于移动设备和无线网络进行信息的传递。无线传输速率在过去近30年里平均每18个月就增加2倍（从1984年无线电波不到1 kb/s的传输速率到2013年无线局域网100 Mb/s的传输速率），指数级增长的无线传输速率在未来十年内会达到十几Gb/s。 由于载波频率越高，带宽才会越宽，传输速率才能越高，虽然频率分配计划已经高达275 GHz，频谱利用率也能进一步提高，但是我们仍难以找到足够宽的空闲带宽。 无线局域网与短距离无线连接的蓝牙技术的载波频率只有几GHz，使得无线带宽受到限制；室内通信超宽带技术只能将传输速率提高到标准距离下的110-200 Mb/s，减小距离后也只能达到500 Mb/s；采用红外光进行高速数据传输也不是最佳选择，这是因为非相干接收器的低灵敏度、高漫反射损耗、 高背景光噪声和功率限制造成了传输速率仅有几百Mb/s。 而对于介于微波与红外光之间的太赫兹（THz）频段，Koch在2007年预测：基于THz波的通信系统将在2017-2023年取代无线局域网系统。 图3 传输速率与载波频率的关系（可见，THz通信应用处于最高端） 目前，THz通信领域的研究与应用受到世界各国重视。很多国家都纷纷提出了THz通信研究计划。当前，国外的一些研究小组对THz通信做了大量研究和实验，报道了一些THz通信实验室演示系统，取得了一定的经验。 从目前的太赫兹通信展趋势可以总结出：超高速THz无线通信技术能消除网络接入速度的瓶颈，如光纤网络无线宽带接入、高速有线局域网的无线扩展、低速无线局域网与高速光纤网络的无线桥接、宽带室内5G微微蜂窝网络等。 表2 300 GHz以上无线通信系统发展的现状 通过近几年的THz通信关键器件的理论研究与研制，整体结构方案的提出以及上文表1所列出的 300 GHz以上无线通信系统发展的现状，THz无线通信领域呈现出的技术发展趋势为---通信速率越来越高： （1）2004年，德国Braunschweig技术大学的Koch等人通过外调制方式，利用太赫兹TDS系统首次实现用THz载波传输音频信号的实验，系统带宽为6 kHz。 （2）随着THz发射接收器件研制的不断进步，德国的C. Jastrow等设计了一套300 GHz的传输系统，实现了96 Mbit/s的DVB-S2（欧洲第二代数字卫星电视广播）数字信号的传输，虽然传输距离达到了52 米，但与其他无线通信技术相比，其通信速率并不高，无法体现出THz载波的优势。 （3）日本NTT公司及与其合作的相关单位在器件方面做了众多的革新，发展了多种类型的THz通信系统，将通信速率提升到10 Gbps以上，其最高速率达到了24 Gbps。虽然NTT公司的THz无线通信系统传输速率高达10 Gbps以上，但其传输距离仅为0.5 m，无法满足一些设备间的互联与常规无线局域网的高速无线链路需求，仅仅只能用作短距离大数据传输。这是由于其系统的THz发射源发射功率仅为微瓦量级。 （4）大部分的THz无线通信演示系统采用的是传统的直接探测方式，若采用相干探测方式，其探测灵敏度要提高10-20 dB，传输速率能进一步提高，达到上百Gbps。 对于采用直接探测方式的THz通信系统，目前的SBD探测器的噪声温度较大，而UTC-PD、RTD等发射源的发射功率较低，导致接收端的信噪比较低，而直接探测方式需要较高的信噪比，因此只能在近距离实现高速率通信，在距离较远的情况下，接收端信噪比达不到高速率通信的要求。 因此，高功率THz发射源和高灵敏度探测器的研制是一个必须突破的技术难点。而基于THz QCL的无线通信系统，虽然THz QWP灵敏度很高，但其需要工作在低温设备中，在将接收信号从低温设备中提取出来的过程中，信号通过同轴电缆时会引入较大的对地电容，限制了数据读取电路的带宽，因此如何改进接收信号从低温设备中提取的方式以及探测端读取电路的设计也是一个技术难点。 相比于直接探测方式，采用相干探测方式的THz无线通信系统对接收端信噪比的要求较低， 但目前缺乏具有良好的相干性、频率稳定性的信号源与本振源，高速率的THz外调制器与混频器。 因此高速率、低信噪比的微弱信号探测与解调接收系统的研制是另一个技术难点。 纵观整个THz通信系统的发展现状，虽然THz通信的前景越来越被看好，而且很多国家和机构都投入了大量的人力、物力和财力进行研究，发展也很迅速，并取得了可喜的阶段性成果，但是要实现THz通信的障碍依然很多：缺少室温连续工作的高效THz波源、缺少室温工作的THz波探测器、有待开发其他调控THz波的器件（包括调制器/滤波器/波导/交叉开关）等。 目前，一些THz通信研究机构提出的比较有代表性的THz通信演示系统方案也主要是针对短距离通信方面，利用其短距离传输与高传输速率的优势，在需要更高传输速率的无线接入网络以及大数据量的近距离无线传输的应用中能得到广泛应用。这种近区数据传输技术会发展成为仪器设备间的无线互联。 目前，THz通信还处在关键器件的研究开发与THz通信系统整体结构方案提出及可行性论证阶段，以及实验室的研究与仿真演示阶段，要应用到实际生产中，还有大量的研究工作要做。 因此，在THz辐射源、探测及调制技术方面开展研究工作，研制高性能的THz固态器件，解决THz信号的调制和信号处理技术，是THz通信研究的当务之急。可以预见，随着THz无线通信关键器件（THz QCL和THz QWP）各项性能的不断提高、组网技术的不断成熟，不仅可以促进THz无线通信的发展，而且还可为其他领域提供有效的辐射源和探测手段。 从长远的角度来看，THz通信技术及其关键器件的发展 和日趋成熟将带来巨大的经济和社会效应。 |
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