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太赫茲通信關鍵技術與發展願景

作者:成都性宝福导航首页科技發展有限公司 瀏覽: 發表時間:2020-11-09 20:14:09

  太赫茲波是指頻段在0.1-10THz之間,波長在30um-3000um之間的電磁波。該頻段電磁波位於微波波段和可見光波段之間,低頻段部分與毫米波段有部分重合。太赫茲頻段電磁波在頻帶資源等方麵的獨有特性,使其成為適合未來6G通信的關鍵支撐技術。為盡可能發揮運營商的需求牽引作用,加速和推動太赫茲通信技術產業鏈發展。

  

  太赫茲通信關鍵技術

  

  1 太赫茲關鍵器件與原型係統

  

  太赫茲關鍵器件/芯片/組件的研產能力是目前太赫茲通信最關鍵的核心技術,也是太赫茲通信應用麵臨的***挑戰。

  

  模擬鏈路相關的高頻模擬分立器件,包括太赫茲功率放大器、太赫茲天線、太赫茲倍頻器、太赫茲混頻器、太赫茲濾波器、太赫茲低噪放等。國內對於太赫茲通信關鍵器件的研發能力接近國際***水平,但是麵向未來實際應用還需要在功率發射能力,工作環境,變頻損耗、功耗等方麵實現性能的不斷提升。另外未來係統鏈路的芯片集成化是必然發展趨勢,需要實現核心技術的不斷突破進展。

  

  除了模擬鏈路係統的集成芯片,太赫茲通信未來實際應用還麵臨超寬帶數模和模數轉換芯片、數字基帶處理芯片等方麵的技術挑戰。由於太赫茲可用帶寬(>2 GHz)遠大於4G、5G係統使用的工作帶(<800 MHz),目前的主流數模和模數轉換芯片很難滿足采樣帶寬的要求,另外超大帶寬信號的處理也會給基帶處理芯片帶來非常大的功耗壓力。因此一方麵需要研發更高采樣速率的超大帶寬數模和模數轉換芯片、低功耗基帶處理芯片;另一方麵是研發低量化精度信號處理係統。未來的太赫茲通信係統的實現可能需要2個方向的技術結合來解決數模轉換和基帶處理問題。

  

  目前國內的太赫茲通信關鍵分立部件及原型驗證係統的研發能力與國際先進水平接近,芯片能力較弱,國內相關方向研究成果多集中於高校和研究院所等學研機構,產業成熟度低。目前國內的太赫茲通信原型係統多為無線傳輸能力的驗證,到未來實際應用還需要考慮通信距離、實時性、空分複用、功耗和成本等方麵的能力指標。太赫茲通信關鍵核心器件/芯片性能指標的突破進展,相關產業鏈的成熟發展,是上述能力實現的必要條件和保證。

  

  2 太赫茲傳播特性和信道建模

  

  太赫茲的電磁波對陶瓷、紙張、木材、紡織品和塑料等介質材料可以輕易穿透,但很難穿透金屬和水。在大氣環境下,高自由空間損耗以及大氣效應引起的額外衰減是一個巨大的挑戰,在不同的天氣條件下,如大氣分子、雨滴或霧滴,都可能導致太赫茲波段電磁波的高衰減或散射。然而在某些確定的太赫茲窗口頻段處依舊可以產生較低的衰減,可用於無線通信傳輸。對太赫茲在晴朗空氣、雨天、霧天等場景的鏈路損耗等傳播特性的研究已有較多成果發表。

  

  太赫茲信道模型建模方法一般有參數化統計信道建模、確定性信道建模和等3種類型。基於太赫茲通信的一些室內場景的實驗測試結果顯示,太赫茲信道傳播路徑稀疏性較強,未來太赫茲通信的信道建模更傾向於使用確定性信道建模或參數化半確定性信道建模方法,比如射線追蹤方法,以及結合確定性和統計特性的數字地圖混合建模方法等。

  

  太赫茲波傳播特性和信道建模會直接影響太赫茲通信實際應用場景的部署,是實現太赫茲通信應用的基礎研究。未來太赫茲通信可能會用於空天地海多維度、宏觀到微觀多尺度的多樣化應用場景,太赫茲通信信道建模需要要探討和研究各種不同應用場景下的信道傳播模型,以應用於未來的實際場景部署。

  

  3 太赫茲通信空口技術

  

  與5G空口技術相比,太赫茲通信具有超大帶寬的資源優勢,但是現階段太赫茲通信原型係統硬件鏈路也存在變頻損耗較大、采樣帶寬受限、基帶處理功耗大等不理想因素。太赫茲通信空口技術除了在基帶波形設計、幀結構和參數集的設計、調製編碼、波束管理等技術鏈都麵臨新的演進要求外,受到太赫茲通信硬件係統能力的影響,針對係統鏈路各種非理想特性和因素的算法設計和補償也是太赫茲通信空口技術需要考慮和研究的技術方向。

  

  太赫茲通信超高速率的特點與優勢,除了需要硬件鏈路的傳輸能力以外,也需要通過空口技術的有效設計來保證和實現。包括頻譜和帶寬資源的動態配置、波束接入的智能管理,以及高低頻、空天地多維度、宏觀到微觀多尺度的空口協同和信息融合等。未來空口設計方案需要具有上述能力和特點才能適配6G太赫茲通信的技術特征和優勢。目前6G技術研究仍處於探索起步階段,技術路線尚不明確,需要產業界共同參與研究,並積極探討,逐步厘清未來太赫茲通信空口技術路線和發展方向。                                                                                                                                                                                                            

太赫茲通信目標願景與發展建議


  未來6G通信中,太赫茲通信技術將與其他低頻段網絡融合組網,廣泛應用於地麵的各種超寬帶無線接入和光纖替代場景,搭載衛星、無人機、飛艇等平台,做為無線中繼設備,應用於空天地海多維度一體化通信,應用於從宏觀到微觀的多尺度通信,成為未來社會信息融合聯接的重要支撐技術。願景的實現需要太赫茲通信各項關鍵技術的不斷突破和進展、技術標準化和產業鏈的日趨成熟。***需要提前布局,抓緊未來5~10年的產業發展窗口期,在政策支持和產業引導等方麵加大支持力度,進行傾向性布局,不斷增強自主創新研發能力和核心競爭力,推動太赫茲通信技術產業化發展。

  

  政策扶持方麵,需要***繼續加大對太赫茲通信技術相關課題和項目的投入和支持,並開始在學研類課題基礎上逐步增加示範類應用要求,鼓勵支持器件廠商、設備廠商和運營商等產業鏈角色的加入,基於應用需求布局課題項目研究,促進產學研用結合,推動產業發展。除了與關鍵器件和係統相關的技術研究,也需要啟動太赫茲通信空口技術相關的課題研究,鼓勵和支持該方向相關技術專利和標準的輸出,為我國在未來6G通信的技術專利和標準化布局做好技術儲備。

  

  產業引導方麵,支持和鼓勵設備廠商和運營商盡早明確應用場景和技術需求,以應用需求為牽引,促進產業上下遊協同合作,構建密切合作、互利共贏的生態體係,實現太赫茲通信各項關鍵技術的不斷突破和進展,技術標準化和產業鏈的日趨成熟,應用場景部署方案的逐步成型,太赫茲通信技術的應用落地,共同推動太赫茲通信產業的成熟發展。

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