理解泰拉赫兹基金会

电磁波谱很广,几十年来,无线通信的运行基本低于100千兆赫。 当我们向6G推进时,注意力转移到Terahertz(THz)波段,大约跨越0.1千兆赫到10千兆赫。这个区域位于微波和红外光之间,为超宽带传输提供了甜点。Terahertz波通常被称为亚毫米波,因为其波长从3毫米下降到0.03毫米。 这一小波长是关键:它允许以几百千兆比特到每秒几兆比特的带宽和数据率。

简言之,4G LTE使用频率低于2.5GHz,而5GmmWave运行在24–40GHz左右,一些实验带高达70GHz。泰拉赫兹的起始量大约为3个数量级。THz区域现有的带宽是巨大的 — — 单个通道可宽达数十GHz — — 使以前科幻小说中的应用成为可能。然而,这些频率的波传播物理学则完全不同。与次-6GHz信号不同,THz波经历了高自由空间路径的丢失,大气气体(特别是水蒸发)的强吸收,以及固体物体的渗透有限。 这些因素使得使用THz的6G网络的设计成为了深刻的工程挑战。

6G网络的承诺

6G被设想为超越了5G的宏伟目标的模式转变。 虽然5G带来了高带宽和低潜伏度,但6G的目标是改善放大度:最高数据率超过1Tbps,潜伏度低于0.1ms,以及万亿设备的超可靠连接。 泰拉赫兹频率是这一愿景的基石,能够实现真正浸入经验和机器对机器通信的规模所需的极端吞吐量。

超高数据率的互联应用

有了terahertz链接,下载一部4K电影可能需要不到一秒。更重要的是,实时全息通信、量子视频流和未调试的扩展现实(XR)变得可行。这些应用程序需要巨大的带宽 — 单一全息流可能需要数十Gbps。诺基亚贝尔实验室的研究人员[ Nokia Bell Labs[ 已经证明,Terahertz系统可以支持短距离0.5Tbps链接,打开了数据中心和高密度场所无线纤维替换的大门。

低延迟和实时控制

6G的延迟性预计几乎是无法理解的。 THz频率的短符号持续时间允许极快的处理和同步。 这对远程机器人手术、自主车辆协调和工业自动化等应用至关重要,因为在那里毫秒延迟可能是灾难性的。 结合边际计算和高级束线形成,THz链接可以提供决定性的、无焦距的连接。

大型设备连接和遥感

6G网络不仅可以连接人,而且还可以连接大量的传感器和振动器. 泰拉赫兹波由于其短波长而自然适合高分辨率感知和成像,这可以实现综合通信和感知——一个叫做联合通信和感知的概念(JCAS). 单一的THz基站可以同时提供高速数据并捕捉精细的环境数据,从而能够在自主导航,手势识别和无损测试中应用. 6G World倡议突出了THz感知如何能补充智能工厂和智能城市的通信.

泰拉赫茨6G技术挑战

尽管有希望,但部署塔雷赫茨频率面临巨大的障碍。 研究人员正在积极应对每一个问题,但商业部署的道路却十分陡峭。

传播和大气吸收

泰拉赫兹波被大气中的蒸汽、氧气和其他分子强烈吸收。在0.1 THz时,衰减约为0.1 dB/km;在1 THz时,衰减上升到10-20 dB/km,频率较高则令人望而却步。雨、雾甚至湿度会造成额外损失。这意味着室外THz连接可能限制在10到几百米之间。室内使用更有希望,但仍需要小心部署。为了克服这种情况,6G可能依赖于极其密集的小细胞网络,可能使用智能反射表面(IRS)和可重新配置的智能表面(RIS)来引导绕过障碍的信号。来自的IEEE通信调查的研究对THz信道模型和推广提供了全面分析。

收发机和天线设计

为terahertz频率建造高效的收发器是一大硬件挑战. 传统的CMOS电子在这些频率上为产生足够的功率而挣扎. 极好的替代品包括III-V半导体(如InP和GaAs),硅-germanium(SiGe) BiCMOS,以及石墨烯和质子装置等新兴技术. Antennas还需要微小且方向性强. Antennas还需要有数千个元素的相位阵列,才能形成窄梁,抵消高径损失. Fabrication enter 必须是纳米尺度. Companys like Carnegie Mellon University 等公司是与THz放大器和混音器融合的芯天线阵列的先驱.

信号处理和噪音

在THz频率上,由于热噪声和难以实现低噪声放大,接收器噪声数字在本质上较高,这限制了灵敏度和动态范围. 高级调制方案,如具有高序QAM的正交频分位多路(OFDM),是最大限度地提高光谱效率的必要条件,但它们需要来自局部振荡器的极精确的相位噪声性能. 此外,狭长的束维度需要快速的束跟踪来维持与移动用户的联系. 机器学习算法正在开发中,用于实时束管理. ITU-R Work 5D正在积极研究未来地面IMT-2030系统的技术要求,包括THz候选波段.

正在进行的研究和突破

在中国,THAHERZ的通信研究已经在全球加速。在美国,DARPA T-MUSIC计划旨在开发可伸缩高效的THz收发机。在欧洲,6G旗舰项目HEXA-X-II探索了THz作为关键增强器。 在亚洲,中国和日本拥有大量THz子子波段(如100GHz–300GHz)的试验床。 一个显著突破来自褐色大学[和东京大学之间的协作,利用光子辅助生成方式在0.3THz演示了100Gbps的连接。 另一个令人兴奋的发展是THz调制程器和探测器使用石墨烯,提供了超快的转换速度和低功耗。

元材料和元表面也有很大的希望。这些人工结构可以以自然材料无法使用的方式操纵太赫兹波。例如,可重构的元表面可以起到被动中继作用,将束子重定向到绕行障碍。 MIT 的研究人员已经展示了一个可重制的元表面,它能以1THz为工作,能够束向和聚焦。 与此同时,光子融合的进展——结合激光、探测器和单芯片上的波导——正在使光子集成成为紧凑的、低成本的THz源。

6G的标准化进程正在进行中。3GPP已经开始研究第19版的项目,预计2030年左右将完成全部规格。 ITU的IMT-2030框架概述了浸润性通信、大规模通信、超可靠低纬度通信等使用情景 — — 所有这些都可以利用THz波段。 然而,许多技术参数仍未定义。 关键决定包括精确的频率范围(可能最初高达140GHz,然后达到300GHz ) 、波形设计和多重接入计划。

结论和展望

泰拉赫兹频率是无线通信的下一个伟大前沿。 虽然在传播、硬件和信号处理方面面临巨大的挑战,但潜在的回报是变革性的。 由泰拉赫兹推动的6G网络将使得各种应用模糊物理现实和数字现实之间的界限,从全息远程存在到实时数字双胞胎。 随着研究的继续,我们预计在未来五年内将看到早期的演示和商业原型。 从实验室到实地的旅程将十分艰难,但每秒的特拉比特速度和前所未有的连接性使得这段旅程值得进行。

对网络规划者和工程师来说,现在是时候开始考虑terahertz技术如何影响基础设施了。 部署敏捷、先进的天线系统以及光纤回廊的整合将是至关重要的。 管理机构需要和谐地分配频谱,平衡被动和主动服务的需求。 6G的未来正在terahertz波段中写作,这是一个具有非凡能力的未来。