中國科大提出拍赫茲通信新框架,助力6G移動通信

現時,第五代移動通信已進入商用化部署,各國紛紛瞄準未來6G移動通信展開研究工作,力圖搶佔科技快車道。為了實現全頻譜和空間全覆蓋的終極目標,有必要梳理人類所有可用的無線通訊頻段,在排除具有强輻射且對人體有害的X光波段以及太赫茲頻段之後,拍赫茲頻段成為僅剩的可用通信頻譜資源。

12月17日,中國科學技術大學徐正元教授聯合其博士後研究員劉偉傑博士和清華大學王昭誠教授以及英國南開普敦大學Lajos Hanzo教授,在國際學術期刊《數字通信與網絡(英文)》(Digital Communications and Networks)上發表了“拍赫茲通信:用於無線通訊的光譜融合”(“Petahertz communication: harmonizing optical spectra for wireless communications”)的研究成果,為第六代(6G)移動通信提供了新思路。

現時,第五代(5G)移動通信已進入商用化部署,各國紛紛瞄準未來6G移動通信展開研究工作,力圖搶佔科技快車道。為了實現全頻譜和空間全覆蓋的終極目標,有必要梳理人類所有可用的無線通訊頻段,在排除具有强輻射且對人體有害的X光波段以及太赫茲(Terahertz)頻段之後,拍赫茲(Petahertz)頻段成為僅剩的可用通信頻譜資源。

圖1拍赫茲頻譜及其相鄰的太赫茲和X光譜

近年來,針對特定應用場景,學術界和產業界曾嘗試以多種光波作為資訊載體的無線光通信(OWC)科技,包括基於照明LED的可見光通信(VLC)、室內紅外光通信(IRC)、車載紫外光通信(UVC)、空間雷射通信(FSOC)、光保真(LiFi)、水下藍綠光通信等。上述科技僅使用拍赫茲頻段內的碎片化頻譜,嚴重制約了通信網絡全域資源優化效能,也不能很好地適應多種應用環境和不同類型終端,甚至無法滿足用戶特殊的資訊安全和抗干擾要求,比如VLC往往還要借助於IRC或WiFi科技來實現網絡雙向通信和區域覆蓋功能,不可避免帶來資訊洩露和視覺干擾。

拍赫茲通信擁有超大頻寬和超高空間分辨能力,能相容匹配多種形態的新型移動終端和空-天-地-海的全空間應用場景,比如室內超大頻寬互聯、高精度定位、大規模工業機器通信、車聯網、水下物聯網、空間互聯網等等,滿足人-機-物互通互聯。

圖2全空間拍赫茲通信場景

論文首次提出了拍赫茲通信新體系框架,突破了傳統肉眼視覺的光譜分段方法,有機融合紅外光、可見光和紫外光多段頻譜,實現拍赫茲全頻段的有效開發利用。通過頻譜感知智慧選擇波長與空間通道,揭示了全頻段訊號傳輸特性和環境雜訊影響,展現了拍赫茲通信在室內、室外和水下等全空間場景下的通信距離和資料速率效能極限,比如室內速率高達幾十太比特每秒(Tbps)、水下距離遠至500米,並挖掘了拍赫茲載波潜在的偏振和角動量維度特徵以用於訊號調製與複用,能實現通信連結和網絡的靈活智慧配寘,服務於全息通信等新型高速業務與應用。

圖3拍赫茲通信在典型場景下的通信速率與距離效能

(A:室內多種發射功率和光束角下的效能,B:水下三種類型水體和四種波長下的效能)

作為2010年IEEE通信學會無線光通信國際研討會的創始主席和國家重點基礎研究發展計畫(973)首席科學家,徐正元教授自2014年起逐年入選愛思唯爾中國高被引學者榜單,帶領團隊在無線光通信研究方面已取得了一系列科研成果,包括作為第一作者或者共同作者出版的三部專著:《水下無線光通信》(人民郵電出版社,2021),《室外可見光通信與智能交通》(人民郵電出版社,2019),以及《Visible Light Communications: Modulation and Signal Processing》(Wiley-IEEE Press,2017),其中中文專著入選國之重器出版工程,英文專著入選IEEE數位和移動通信系列叢書,部分成果還入選了科技部編著的《中國基礎研究發展報告》(科學出版社,2019),為拍赫茲通信的研究工作奠定了良好基礎。

《數字通信與網絡(英文)》是國內主辦的英文開源季刊,自2014年創刊起,對標資訊與通信工程學科的國際一流期刊,由中國工程院前院長和國家信息化專家組諮詢委員會委員鄔賀銓院士出任榮譽編輯,編委會成員有一半以上是海外通信領域知名專家,其中絕大部分是IEEE Fellow。該期刊被列為SCI資料庫收錄Q1區,每年出版四期,每期出版論文數量控制在十五篇左右,2021年入選中國通信學會T1級期刊。

中國科學技術大學徐正元教授為論文第一作者,清華大學王昭誠教授為論文通訊作者。該研究成果得到了國家自然科學基金委重點專案(61631018)、中科院前沿科學重點專案(QYZDY-SSW-JSC003)和先導專項(XDA22000000)支持。

論文連結:https://doi.org/10.1016/j.dcan.2021.08.001

資料標籤: 通信 中國移動
本文標題: 中國科大提出拍赫茲通信新框架,助力6G移動通信
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656036301239213
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