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迄今最高速無線傳輸你知道是多少嗎?

2020-09-18 10:06:29  來源:DeepTech深科技

雖然 5G 尚未普及,但科學家們早已開始探索 6G 技術。在第六代移動通信技術路線中,以太赫茲 (THz) 頻率進行無線傳輸成為一種特別有吸引力且靈活的解決方案。

日前,德國卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的研究人員提出一種低成本太赫茲接收器設計,在概念驗證實驗中,該團隊演示了在 110 米的距離內以 115 Gbit/s 的數據速率和 0.3THz 的載波頻率進行傳輸的情況,這實現了迄今為止,在超過 100 米的距離上無線太赫茲通信的最高數據速率,研究結果發表在《自然 · 光子學》(Nature Photonics )上。

115 Gbit/s 是什么概念呢?轉化成我們生活中通常說的網速,按照 1B=8bits 單位換算,那 115 Gbit/s=14.375GB/s,也就是說,這個 “網速” 每秒可傳輸超過 14GB 的數據,對比而言,根據國際電信聯盟(ITU)推行的 5G 網絡建設標準,規范要求速度高達 20 Gbit/s,以實現寬信道帶寬和大容量,其峰值理論傳輸速度才 2.5GB/s。

為什么太赫茲通信可以實現每秒十幾 GB 級的傳輸速率?這里需要簡單介紹下無線通信技術中載波頻率與傳輸速率的關系。

通常來講,傳輸速率隨著載波頻率增加而增加,太赫茲波段是指頻率在 0.1~10THz 范圍內的電磁波,其頻率介于微波和紅外波段之間,兼有微波和光波的特性,太赫茲頻段大約是長波、中波、短波、微波整體帶寬的 1000 倍,這決定了太赫茲通信是高寬帶通信,乃至具備 100Gbit/s 以上高速數據傳輸能力。

太赫茲通信有望滿足未來人們對無線網絡速率不斷增加的需求,也有望緩解近年來無線通信頻譜資源緊張,且太赫茲波作為電磁空間中尚未有效開發利用的頻譜資源,已成為各大科技強國競相攀登的技術制高點,被視為是改變未來世界的十大科學技術之一。

雖然太赫茲通信如此強大,但這些信號的相干接收在很大程度上依賴于十分復雜的太赫茲電路,其包括例如高速混頻器和太赫茲本地振蕩器(LOs)等,這些電路成本高昂,也往往是傳輸鏈路的帶寬瓶頸。

來自 KIT 的研究人員展示了一個非常簡化的太赫茲數據信號相干接收方案。它依賴于一個簡單的包絡檢測器和隨后的數字信號處理(DSP),該方案允許從測量的包絡線重建太赫茲波形的相位,并依賴于光通信中所謂的 Kramers–Kronig(KK)接收器的推廣。

“為了同時為盡可能多的用戶提供網絡服務,并以最大的速度傳輸數據,未來的無線網絡或將由大量小型無線蜂窩基站子系統組成。”來自 KIT 的 6G 技術研究專家克里斯蒂安 · 庫斯(Christian Koos)教授表示,這些無線蜂窩子系統設備,會距離較短,因此可以以最小的能量消耗和較低的電磁干擾來傳輸高數據速率,相關基站會比較緊湊,而且可輕松安裝在建筑物或路燈上,之間通過太赫茲波來連接。

在這項實驗中,研究人員使用了一種高速肖特基勢壘二極管(SBD)作為一個寬頻帶和緊湊的包絡檢測器。

該論文的第一作者托比亞斯 · 哈特(Tobias Harter)博士進一步解釋其原理:“接收器的核心是一個二極管,它可以對太赫茲信號進行整流。”這種二極管是一種所謂的肖特基勢壘二極管,它提供大帶寬,用作包絡檢測器來恢復太赫茲信號的振幅。然而,數據的正確解碼還需要太赫茲波的時變相位,這在校正過程中通常會丟失。

為了克服上述問題,研究人員使用數字信號處理技術,結合一類特殊的數據信號,通過所謂的 Kramers-Kronig 關系,可以從振幅重構相位,Kramers-Kronig 關系描述了分析信號的實部和虛部之間的數學關系,利用這樣的接收器概念,科學家們在 110 米的距離上以 0.3THz 的載波頻率實現了 115Gbit/s 的傳輸速率。此外,試驗還證明了使用 QPSK、16QAM 和 32QAM 等數字調制方式的方案可行性。

太赫茲通信雖然強,但也有著諸多特性,比如大氣不透明性,由于大氣中的水汽對太赫茲波有較強的吸收作用,因此太赫茲通信不適合地面遠程通信,距離過遠太赫茲信號就會出現很大的衰減,使得接收通信信號難度倍增,因此它更適合地面短程安全通信?;谶@樣的特性,太赫茲通信在衛星間星際通信、同溫層內空對空通信、短程地面無線局域網或大氣通信等方面,可有較大用武之地。

研究人員認為,本次發明的太赫茲接收機在技術簡單性上體現出獨特的優勢,加上太赫茲技術的進一步發展,這可能是使太赫茲通信系統成為未來大容量無線基礎設施的可行選擇的關鍵。

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