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5G微信公眾平臺（ID：angmobile）特訊 2016年12月3日，移動(dòng)通信業(yè)界的大咖---李少謙教授，在“2016未來移動(dòng)通信技術(shù)峰會---5G與垂直行業(yè)應(yīng)用”上，作了有關(guān)THz（太赫茲）通信研究現(xiàn)狀、應(yīng)用趨勢的重量級報(bào)告。

圖為：電子科技大學(xué)教授、國家“863計(jì)劃”5G重大項(xiàng)目總體組成員李少謙先生。

對未被分配的空閑頻譜資源的需求增長，將不可避免地使無線通信系統(tǒng)的工作頻率向更高頻率的太赫茲（THz）頻段發(fā)展。大數(shù)據(jù)的瞬時(shí)傳輸將采用更高的載波頻率，以滿足高傳輸速率的需求。大量的研究表明，THz技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用與當(dāng)今比較成熟的微波通信和光纖通信相比，具有更多的優(yōu)點(diǎn)，傳輸速率高（100 Gbps甚至更高）、方向性好、安全性高、散射小、穿透性好。

圖1  太赫茲通信超高速無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用

表1  太赫茲通信的應(yīng)用場景

圖2  1970年--2010年，無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率的發(fā)展趨勢

今天，人們越來越依賴于移動(dòng)設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳遞。無線傳輸速率在過去近30年里平均每18個(gè)月就增加2倍（從1984年無線電波不到1 kb/s的傳輸速率到2013年無線局域網(wǎng)100 Mb/s的傳輸速率），指數(shù)級增長的無線傳輸速率在未來十年內(nèi)會達(dá)到十幾Gb/s。

由于載波頻率越高，帶寬才會越寬，傳輸速率才能越高，雖然頻率分配計(jì)劃已經(jīng)高達(dá)275 GHz，頻譜利用率也能進(jìn)一步提高，但是我們?nèi)噪y以找到足夠?qū)挼目臻e帶寬。

無線局域網(wǎng)與短距離無線連接的藍(lán)牙技術(shù)的載波頻率只有幾GHz，使得無線帶寬受到限制；室內(nèi)通信超寬帶技術(shù)只能將傳輸速率提高到標(biāo)準(zhǔn)距離下的110-200 Mb/s，減小距離后也只能達(dá)到500 Mb/s；采用紅外光進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸也不是最佳選擇，這是因?yàn)榉窍喔山邮掌鞯牡挽`敏度、高漫反射損耗、 高背景光噪聲和功率限制造成了傳輸速率僅有幾百M(fèi)b/s。

而對于介于微波與紅外光之間的太赫茲（THz）頻段，Koch在2007年預(yù)測：基于THz波的通信系統(tǒng)將在2017-2023年取代無線局域網(wǎng)系統(tǒng)。

圖3  傳輸速率與載波頻率的關(guān)系（可見，THz通信應(yīng)用處于最高端）

目前，THz通信領(lǐng)域的研究與應(yīng)用受到世界各國重視。很多國家都紛紛提出了THz通信研究計(jì)劃。當(dāng)前，國外的一些研究小組對THz通信做了大量研究和實(shí)驗(yàn)，報(bào)道了一些THz通信實(shí)驗(yàn)室演示系統(tǒng)，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。

從目前的太赫茲通信展趨勢可以總結(jié)出：超高速THz無線通信技術(shù)能消除網(wǎng)絡(luò)接入速度的瓶頸，如光纖網(wǎng)絡(luò)無線寬帶接入、高速有線局域網(wǎng)的無線擴(kuò)展、低速無線局域網(wǎng)與高速光纖網(wǎng)絡(luò)的無線橋接、寬帶室內(nèi)5G微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。

表2  300 GHz以上無線通信系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀

通過近幾年的THz通信關(guān)鍵器件的理論研究與研制，整體結(jié)構(gòu)方案的提出以及上文表1所列出的 300 GHz以上無線通信系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀，THz無線通信領(lǐng)域呈現(xiàn)出的技術(shù)發(fā)展趨勢為---通信速率越來越高：

（1）2004年，德國Braunschweig技術(shù)大學(xué)的Koch等人通過外調(diào)制方式，利用太赫茲TDS系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)用THz載波傳輸音頻信號的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)帶寬為6 kHz。

（2）隨著THz發(fā)射接收器件研制的不斷進(jìn)步，德國的C. Jastrow等設(shè)計(jì)了一套300 GHz的傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了96 Mbit/s的DVB-S2（歐洲第二代數(shù)字衛(wèi)星電視廣播）數(shù)字信號的傳輸，雖然傳輸距離達(dá)到了52 米，但與其他無線通信技術(shù)相比，其通信速率并不高，無法體現(xiàn)出THz載波的優(yōu)勢。

（3）日本NTT公司及與其合作的相關(guān)單位在器件方面做了眾多的革新，發(fā)展了多種類型的THz通信系統(tǒng)，將通信速率提升到10 Gbps以上，其最高速率達(dá)到了24 Gbps。雖然NTT公司的THz無線通信系統(tǒng)傳輸速率高達(dá)10 Gbps以上，但其傳輸距離僅為0.5 m，無法滿足一些設(shè)備間的互聯(lián)與常規(guī)無線局域網(wǎng)的高速無線鏈路需求，僅僅只能用作短距離大數(shù)據(jù)傳輸。這是由于其系統(tǒng)的THz發(fā)射源發(fā)射功率僅為微瓦量級。

（4）大部分的THz無線通信演示系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的直接探測方式，若采用相干探測方式，其探測靈敏度要提高10-20 dB，傳輸速率能進(jìn)一步提高，達(dá)到上百Gbps。

對于采用直接探測方式的THz通信系統(tǒng)，目前的SBD探測器的噪聲溫度較大，而UTC-PD、RTD等發(fā)射源的發(fā)射功率較低，導(dǎo)致接收端的信噪比較低，而直接探測方式需要較高的信噪比，因此只能在近距離實(shí)現(xiàn)高速率通信，在距離較遠(yuǎn)的情況下，接收端信噪比達(dá)不到高速率通信的要求。

因此，高功率THz發(fā)射源和高靈敏度探測器的研制是一個(gè)必須突破的技術(shù)難點(diǎn)。而基于THz QCL的無線通信系統(tǒng)，雖然THz QWP靈敏度很高，但其需要工作在低溫設(shè)備中，在將接收信號從低溫設(shè)備中提取出來的過程中，信號通過同軸電纜時(shí)會引入較大的對地電容，限制了數(shù)據(jù)讀取電路的帶寬，因此如何改進(jìn)接收信號從低溫設(shè)備中提取的方式以及探測端讀取電路的設(shè)計(jì)也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。 

相比于直接探測方式，采用相干探測方式的THz無線通信系統(tǒng)對接收端信噪比的要求較低， 但目前缺乏具有良好的相干性、頻率穩(wěn)定性的信號源與本振源，高速率的THz外調(diào)制器與混頻器。 因此高速率、低信噪比的微弱信號探測與解調(diào)接收系統(tǒng)的研制是另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。 

縱觀整個(gè)THz通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，雖然THz通信的前景越來越被看好，而且很多國家和機(jī)構(gòu)都投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行研究，發(fā)展也很迅速，并取得了可喜的階段性成果，但是要實(shí)現(xiàn)THz通信的障礙依然很多：缺少室溫連續(xù)工作的高效THz波源、缺少室溫工作的THz波探測器、有待開發(fā)其他調(diào)控THz波的器件（包括調(diào)制器/濾波器/波導(dǎo)/交叉開關(guān)）等。 

目前，一些THz通信研究機(jī)構(gòu)提出的比較有代表性的THz通信演示系統(tǒng)方案也主要是針對短距離通信方面，利用其短距離傳輸與高傳輸速率的優(yōu)勢，在需要更高傳輸速率的無線接入網(wǎng)絡(luò)以及大數(shù)據(jù)量的近距離無線傳輸?shù)膽?yīng)用中能得到廣泛應(yīng)用。這種近區(qū)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)會發(fā)展成為儀器設(shè)備間的無線互聯(lián)。 

目前，THz通信還處在關(guān)鍵器件的研究開發(fā)與THz通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案提出及可行性論證階段，以及實(shí)驗(yàn)室的研究與仿真演示階段，要應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，還有大量的研究工作要做。

因此，在THz輻射源、探測及調(diào)制技術(shù)方面開展研究工作，研制高性能的THz固態(tài)器件，解決THz信號的調(diào)制和信號處理技術(shù)，是THz通信研究的當(dāng)務(wù)之急?？梢灶A(yù)見，隨著THz無線通信關(guān)鍵器件（THz QCL和THz QWP）各項(xiàng)性能的不斷提高、組網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，不僅可以促進(jìn)THz無線通信的發(fā)展，而且還可為其他領(lǐng)域提供有效的輻射源和探測手段。

從長遠(yuǎn)的角度來看，THz通信技術(shù)及其關(guān)鍵器件的發(fā)展 和日趨成熟將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效應(yīng)。