太赫兹频段 - 无线通信的下一个前沿领域

太赫兹频段：无线通信的下一个前沿领域
随着即将到来5G通信应用遍地开花，科研工作者将目标转向了6G 技术的研究。

对于下一代无线通信技术何去何从，上海交通大学韩充教授与合作者一起，从硬件设备以及通信理论两个角度，深入介绍了无线通信的下一个前沿领域——太赫兹通信的应用前景、潜在挑战以及发展现状，表明了太赫兹通信有望实现超高速率、超高密度无线数据传输。

研究成果以《太赫兹频段：无线通信的下一个前沿领域》（“Terahertz band: Next frontier for wireless communications”）为题于2014年发表在国际学术期刊《物理通信》（Physical Communication）,论文被引用次数位于工程科学领域前1%，为Web of Science全球高被引论文。

信息社会对无线数据传输的速率需求日益增加，预计在未来的十年，太比特每秒（Tbps）的无线链路将会实现。

然而，微波频段（0.1THz 以下）的频谱资源逐渐耗尽，难以提供Tbps速率的无线数据传输。

太赫兹通信被视为能满足这一需求的关键技术之一，太赫兹频段（0.1-10 THz）能够提供超高带宽，为要求超高数据速率的各种应用打开了大门，从宏观尺度上看，太赫兹通信应用前景包括6G 蜂窝网络、太赫兹无线局域网、太赫兹个人局域网、军事安全通信（如隐蔽通信），从微观尺度上看，包括健康医疗系统、纳米传感器网络、纳
米物联网、芯片级无线通信。

图1 太赫兹频段位于电磁波频谱的中段，具有丰富的频谱资源。

不过，太赫兹通信研究目前仍面临着重要挑战。

首先，需要研发新的收发机架构，新型架构应当能够在太赫兹频带频率下工作，能够利用非常大的可用带宽。

同时，收发机应当具有高功率、高灵敏度和低噪声系数，这是克服太赫兹频段的高路径损耗所必需的。

其次，还需要超宽带和多频带天线才能在太赫兹频段中实现数十Gbps到Tbps速率的无线链路，并且需要新的天线系统，例如非常大的天线阵列，达到高天线增益，以此补偿太赫兹波传播的高路径损耗。

文中还从通信网络的各层对太赫兹通信面临的挑战及问题进行了总结。

首先，应当对太赫兹的信道特性加以研究，包括分子吸收损耗、高反射损耗、视距及非视距传播特性、多径信道、噪声源等。

在物理层，主要的研究方向包括太赫兹调制编码、大规模多输入多输出天线（MIMO）技术、同步技术、均衡技术以及物理层安全。

在链路层，
主要问题在于，根据太赫兹通信的特性研发新的介质访问控制（MAC）协议。

在网络层，由于单个太赫兹通信基站覆盖区域变小，通信节点密度变大，移动设备在不同基站之间的切换变得更为频繁，需要研发新的路由算法，以及支持新型切换算法的网络架构。

在传输层，主要挑战在于，研究可靠传输和拥塞控制的全新机制，以达到太赫兹网络的新需求。

图2 太赫兹无线通信实验室主要研究工作。

上海交通大学的韩充教授为论文的作者之一，美国佐治亚理工学院Ian F. Akyildiz教授和东北大学Josep Miquel Jornet教授为论文合作者。

韩充教授主要从事太赫兹毫米波无线通信研究，其领导的上海交通大学太赫兹无线通信实验室研究方向主要包括太赫兹信道建模、太赫兹物理层通信、太赫兹无线网络以及交叉学科研究。

近年来，课题组在太赫兹信道传播特性、波束成形、隐蔽通信、太赫兹非正交多址网络（NOMA）设计、太赫兹网络干扰分析、太赫兹室内定位
等方向做出了很多前沿探索，取得的相关研究成果发表《IEEE Journal on Selected Areas on Communications》《IEEE Communications Magazine》《IEEE International Conference on Computer Communications (INFOCOM)》等国际著名学术期刊和会议上。

此外，他受邀在2018年和2020年的国际通信大会IEEE International Conference on Communications (ICC)讲授太赫兹无线通信课程。

论文下载地址：
/ji_upload/editor/file/20200222/20200222210610_91737. pdf
参考文献：
I. F. Akyildiz, J. M. Jornet, and C. Han, “Terahertz Band: Next Frontier for Wireless Communications”, Elsevier Physical Communication Journal, vol. 12, pp. 16-32, September 2014. Web of Science Highly Cited Paper (top 1% of highly-cited papers in Engineering, as of September/October 2019)。