发展中国太赫兹高速通信技术与应用的思考（一）
摘要：太赫兹通信是未来移动通信（Beyond 5G）中极具优势的技术途径，也是空间信息网络高速传输的重要技术手段，具有军民融合、协同发展的应用前景。中国太赫兹高速无线通信关键技术已经取得了重要突破，与世界技术水平基本同步。因此，进一步加大力度发展太赫兹高速通信技术，对于中国引领国际高速无线通信技术发展和未来移动通信标准化进程具有重要的战略意义。
关键词：太赫兹通信；未来移动通信；Beyond 5G
1 太赫兹通信技术是下一代高速无线通信的核心技术
太赫兹波段（THz）是指频率在0.1～10 THz 范围内的电磁波，频率介于微波和红外波段之间，兼有微波和光波的特性，具有低量子能量、大带宽、良好的穿透性等特点，是大容量数据实时无线传输最有效的技术手段。太赫兹通信与微波通信相比，带宽大，信息传输容量高；载波频率高，能够有效穿透等离子体鞘套；波长短，易于实现小型化。与激光通信相比，其波束宽度适中，对平台稳定度和跟瞄要求较低。大气对太赫兹波的吸收较强，有利于实现空间保密通信。
太赫兹通信技术在高速无线通信领域具备了明显的技术优势：
（1）频谱资源宽，太赫兹高速无线通信可选利用的频率资源丰富。
（2）高速数据传输能力强，具备100 Gbit/s 以上高速数据传输能力。
（3）通信跟踪捕获能力强，灵活可控的多波束通信，为太赫兹通信在空间组网通信中提供更好的跟踪捕获能力。
（4）抗干扰/抗截获能力强，太赫兹波传播的方向性好、波束窄，侦查难度大；太赫兹信号的激励和接收难度大，具有更好的保密性和抗干扰的能力。
（5）克服临近空间通信黑障的能力强，能有效穿透等离子体鞘套，可以为临近空间高速飞行器的测控提供通信手段。
近年来，无线通信正面临有限频谱资源和迅速增长的高速业务需求的矛盾，传统频谱资源几乎耗尽。各种高速需求不断涌现，如目前已商用的二维全高清电视信号（Full-HD）的无压缩数据率为3.56 Gbit/s，更高分辨率的二维4K 高清电视信号速率是6 Gbit/s；而三维电视信号的速率为上述二维信号的2 倍，即3D-Full-HD 为7.12 Gbit/s，3D-4K 为12 Gbit/s。更有甚者，目前正在研发的超高清电视（S-HDTV）可能的数据率将可达到24 Gbit/s。随着用户对业务质量要求越来越高，无压缩或压缩率低的高清电视信号的传送也逐渐增多。如此高速率的数据传输目前主要依赖于光纤通信，但在一些临时的需要移动的场合，光纤通信就不太能胜任。例如：3D-Full-HD 体育赛事直播，摄像机的位置需要经常变动，因此需要实现从摄像机到电视制作中心的超高速视频信号的机动传送。这样的场合很难临时铺设光纤线路，而传统的微波点对点通信设备又不能支持几吉比特每秒甚至几十吉比特每秒的数据传输速率。在下一代的高速通信网中，对高速的点对点无线通信链路将具有极大的需求。
2 太赫兹通信技术已经成为科技强国竟相抢占的技术制高点
随着电磁空间竞争日趋白热化，电磁频谱已成为一种极重要的战略资源，而太赫兹波是电磁空间唯一亟待开发利用的频谱资源，因此世界各国高度关注重视。此外，现有的无线通信技术已难以满足多功能、大容量无线传输网络的发展需求，迫切需要发展新一代高速传输的无线通信技术，发展天地一体化的高速信息网络。因此，太赫兹高速通信技术成为了目前世界各科技强国争先抢占的科学技术制高点。
美国认为：太赫兹科学是改变未来世界的十大科学技术之一，陆海空三局、能源部、国家科学基金会等政府机构给予了大力支持，设立了太赫兹高速无线通信骨干网络建设相关计划。美国国防高级研究计划局（DARPA）开展了名为THOR 的研究计划（该计划包含研发和评估一系列可用于移动的Ad-Hoe 自由空间通信系统的技术），并投入大量经费研制0.1～1 THz 频段太赫兹通信关键器件和系统；2013 年提出了100 Gbit/s骨干网计划，致力于开发机载通信链路实现大容量远距离无线通信，2015年美国预计其通信卫星将可能具备10 Gbit/s 量级的传输速率，2020 年将具备50 Gbit/s 以上的传输速率。
欧盟第5—7 框架计划中启动了一系列跨国太赫兹研究项目，包括以英国剑桥大学为牵头单位的WANTED 计划、THz-Bridge 计划，欧洲太空总署启动的大型太赫兹Star-Tiger 计划。2017 年欧盟已经正式布局6G 通信技术，目前已初步定位于进一步的增强型移动宽带，峰值数据速率要大于100 Gbit/s，计划采用高于0.275 THz 以上的太赫兹频段，并且欧盟准备在2019 年的世界无线电通信大会上要求把0.275 THz 以上的太赫兹频段确认用于移动及固定服务。
日本政府将太赫兹技术列为未来10 年科技战略规划10 项重大关键科学技术之首。日本电报电话公司（NTT）早在2006 年在国际上首次研制出0.12 THz 无线通信样机，并于2008 年成功用于高清转播，目前正在全力研究0.5～0.6 THz 高速率大容量无线通信系统。日本总务省规划将在2020 年东京奥运会上采用太赫兹通信系统实现100 Gbit/s 高速无线局域网服务。
2013 年7 月太赫兹通信国际标准小组将802.15 IGthz 升级为SGthz，可见太赫兹科学技术的研究已在全球范围内全面性地展开并得到了高度重视。
3 全球太赫兹通信技术发展趋势
自2006年日本分别实现120 GHz、10 Gbit/s 通信演示系统（被喻为“ 无线通信标志性成果”）以来，太赫兹通信得到了快速发展，已经成为全球各国的研究热点。已有多家机构开展了相应研究，包括德国固态物理研究所（IAF）、德国联邦物理技术研究院（PTB）、Braunschweig 大学、日本NTT、美国贝尔实验室、加拿大多伦多大学、法国IEMN、美国Asyrmatos 通信系统公司等。纵观近几年来太赫兹通信技术的发展历程及成果，它正逐步向更高速率、更高大气窗口频率以及低功耗与小型集成化和实用化方向发展。目前，太赫兹通信技术形成了基于微波光子学的光电结合方式、全固态混频电子学方式、直接调制方式这3 类针对不同的应用场景并行发展的态势。
采用光电结合方式的太赫兹通信技术是较早发展的太赫兹通信系统方案，该方案需要2 个窄线宽的锁模激光器，利用光学外差法并通过单行载流子光电二极管（UTC-PD）转化成太赫兹信号，其调制方式是基于光学的马赫曾德尔调制器（MZM）的高速调制器，不仅可以实现幅移键控（ASK）和二进制启闭键控（OOK）二元调制，而且可以实现多进制正交幅度调制（MQAM）、多进制数字相位调制（MPSK）多元调制[1-2]。
日本早在2006 年，在载波频率为0.12 THz 的单路通信系统中，通信速率达到10 Gbit/s [3]；在2010 年，日本NTT 已研发出0.25 THz 室内通信实验系统，它的通信距离是0.5 m，通信速率已实现8 Gbit/s。
近些年来，微波光子学中光电结合方式的太赫兹通信不断朝着超高速率方向发展，例如：2014 年法国国家科学研究院采用微波光子学的方法研制了在400 GHz 数据速率上高达46 Gbit/s 的THz 无线传输系统[4]；2015年都柏林城市大学和伦敦大学采用光梳状源实现了微波光子学方式的多载波太赫兹通信系统，进行了三载波10 Gbit/s 的正交相移键控（QPSK）太赫兹无线通信传输[5]。该系统优势在于：传输速率高，带宽利用率高；但是由于发射功率仅为微瓦级，并且系统体积和能耗均较高，虽然在地面短距离高速通信方面有优势，但难以适合应用于远距离空间信息网络系统。
全固态混频电子学方式的太赫兹通信系统是利用混频器将基带或中频调制信号搬移到太赫兹频段。由于采用全电子学的混频器、倍频器等，射频前端易于集成和小型化。
NTT 应用该系统在2008 年北京奥运会上进行了Full-HD 信号的传送，该系统可实现最大通信距离达3～4 km，其全电子系统可实现的通信距离为2 km。2009 年，系统中所有的光激性器件均换成了InP HEMT MMICs，该系统最大数据传输速率为11.1 Gbit/s，从而实现了大于800 m、10 Gbit/s 信号的无误传输。
2010 年，NTT 实验室再次对该系统进行改进，新系统将抑制震荡的电阻片替换成新型鳍线正交模态收发转换器（OMT），并通过减小鳍线长度来实现对震荡的抑制。由于鳍线OMT 的使用，新的双向通信系统实现了10 Gbit/s 的双向数据传输率以及20 Gbit/s 的单向数据传输率。
2011 年，德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）、卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）搭建了一套0.22 THz 无线通信演示系统[7]，具体如图1 所示。在输出功率约为1.4 mW，采用16/64/128/256 正交幅度调制QAM、OOK 等调制方式时，实现12.5 Gbit/s、传输距离2 m 的通信演示实验，并完成太赫兹波在纯净大气、大雨和大雾天的衰减测试。2012 年，他们对该系统进行了适当的系列改进，实现了15 Gbit/s、20 m 和25 Gbit/s、10 m 的通信演示实验[8-9]。2013 年，该研究所实现传输速率40 Gbit/s、通信距离1 km的无线通信世界新纪录，并在容量上实现了与光纤的无缝连接[10]。
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