浅谈移动通信中的太赫兹技术

◆刘进芬 圣文顺 庄雨婷

浅谈移动通信中的太赫兹技术

◆刘进芬1，2圣文顺1庄雨婷1

（1.南京工业大学浦江学院 江苏 211222；2.南京邮电大学通信与信息工程学院 江苏 210003）

本文简单介绍了太赫兹波的特点，并对太赫兹技术在移动通信中的研究现状进行了简单汇总和分析。太赫兹通信能够实现大容量高速率数据传输，本文以此为基础阐述了太赫兹技术在未来移动通信领域中要面临的各项挑战，由此相信太赫兹技术是未来发展6G的重要研究方向。

太赫兹；6G；移动通信

随着移动通信技术的快速发展，人们对数据的传输速率要求也越来越高。从通信1G（2.4Kbps）到现在的5G（峰值理论传输速度可达每8秒1GB），我们可以看到数据的传输速率提高了几千倍。相应的，我们使用的无线电磁波的频率也在不断提高。因为频率越高，允许分配的带宽范围越大，单位时间内所能传递的数据量就越大。那么数据传输速率还会更快吗？也就是还有可能出现6G吗？在“2018年世界移动通信大会·北美”上，美国联邦通信协会（FCC）专员Jessica Rosenworcel女士称，6G将迈向太赫兹频率时代。

1 太赫兹波的特点

太赫兹又称为太赫，是波动频率单位之一。它的频率范围是0.1 THz到10THz，对应的波长范围是0.03毫米到3毫米之间。可以看出，太赫兹在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是一门交叉学科。在光学领域，太赫兹被称为远红外；在电子学领域，太赫兹被称为亚毫米波或超微波。众所周知，红外技术和微波技术已经相对比较成熟，但是太赫兹技术还在初步研究阶段。究其原因，主要是太赫兹技术既不能完全用光学理论来研究，也不能完全用微波技术来处理，因为太赫兹的频率比微波高但是却低于红外线。也正是由于太赫兹技术能够联系两大学科，使两个学科能够相互借鉴相互融合，因此研究太赫兹技术具有重大的科学意义和实际意义。

太赫兹波段在电磁波谱中的位置如图1所示，可以看出其所处的位置是比较特殊的，因此太赫兹有很多优越的特点[1]。

图1 太赫兹波在电磁波谱中所处的位置

（1）太赫兹的波长在微波与红外光之间，因此与微波、毫米波相比，太赫兹在探测时可以获得更好的分辨率；与激光相比，太赫兹的搜索能力更好、搜索范围更大。

（2）太赫兹的频率最高可达10T赫兹，因此它具有较高的穿透能力，可对不透明物体进行透视成像。

（3）太赫兹的瞬时带宽较宽（0.1～10 THz），因此它的数据瞬时传输速率非常大，可达数十Gbit/s。

（4）太赫兹单个脉冲的频带比较宽，范围从几百GHz 到几个THz，因此它可以用于定性鉴别一些分子结构。

（5）太赫兹波的光子能量比较低，只有几毫电子伏特，是X射线光子能量的百万分之一，因此它不容易破坏被检测物质。

2 太赫兹技术研究现状

正是由于太赫兹波有这么多优越的特性，因此世界各国都纷纷投入到对太赫兹技术的研究中。2004年，美国首次提出太赫兹技术，并将太赫兹技术列为“改变未来世界的十大技术”之一。之后美国IBM、Intel等公司开始对太赫兹技术进行研究，目前已经在无线通信、雷达成像等方面取得了很多进展。2005年，日本提出了10年科技战略规划，并将太赫兹技术列为十大关键技术之首。2006年，日本首先研究出了0.12太赫兹无线通信样机，实现了10Gbit/s高速数据传输。2011年，德国研制了一套0.22太赫兹无线通信演示系统，实现了12.5Gbit/s高速数据传输，之后在2012年，他们对该系统进行了改进，实现了25Gbit/s高速数据传输，2013年实现了40Gbit/s高速数据传输。然后在2014年，法国研制出了一套太赫兹无线通信系统，速率高达46Gbit/s。2015年都柏林城市大学和伦敦大学合作研制出了多载波太赫兹通信系统，实现了三个载波10 Gbit/s 的正交相移键控（QPSK）。

我国在2005年召开了“香山科技会议”，制定了太赫兹技术的发展规划。目前国内很多研究机构都着手于太赫兹技术的研究，其中中国工程物理研究院、电子科技大学等多家单位取得了较为突出的研究成果。2009年，电子科技大学研制出了0.11太赫兹无线通信系统，实现了5Gbit/s高速数据传输，同时还研制出了0.22太赫兹无线通信系统，传输速率高达3.5Gbit/s。2010年，中国工程物理研究院首先研制出了0.14太赫兹无线通信系统，实现了10Gbit/s高速数据传输。2012年，中物院又提出了0.34太赫兹实时解调通信系统，实现了50米、3Gbit/s的数据传输。2016年，电子科技大学研制出了一种采用直接调制方式的太赫兹通信系统，在0.34太赫兹实现了Gbit/s的高清视频传输[2]。2017年，中物院又研制出了0.14太赫兹的远距离无线通信系统，实现了21千米、5Gbit/s的数据传输[3]。

3 太赫兹技术未来挑战

从研究现状可以看出，世界各个国家都在投入大量的人力物力研究太赫兹技术，而由于太赫兹波的特点，使成为可能，这就为移动通信带来了更多的挑战。已经有研究人员研制出了太赫兹有线传输平台[4]，能够进行大容量高速率数据传输；也有研究人员研制出了无线近场通信平台系统，该系统不加装天线，调制器速率最高可达500MHz[5]。

目前日本和德国研制的太赫兹通信系统数据传输速率最高能达到100Gbit/s，但是距离比较近[6]。因此，如何实现远距离高速率的传输正是未来将要面临的一个很大挑战。这其中涉及很多关键技术，例如高码率调制解调技术、测试校准技术、信号放大技术、抗干扰技术等，这些都需要研究解决。另外，大容量高速率数据传输引起的信息安全问题也是研究人员要面临的一个巨大挑战，因为高频率的太赫兹波在空气中传输时信号衰减非常严重。此外要测试太赫兹通信系统的性能，还需要研究人员尽快制定相应的性能指标和测试参数，该项技术的缺乏也是一个巨大挑战。

3 结束语

太赫兹技术作为一门新兴学科，其在通信领域内表现出的强大优势是未来发展6G的重要研究方向，也是推动移动通信大容量高速率数据传输的重要技术手段，在未来很有可能取代蓝牙、无线局域网传输等，因此大力发展和研究太赫兹技术就显得非常重要。相信在不久的将来，太赫兹技术的应用将涉及社会的方方面面。

[1]刘盛纲，钟任斌.太赫兹科学技术及其应用的新发展[J].电子科技大学学报，2009，38（05）：481-486.

[2]陈智，张雅鑫，李少谦.发展中国太赫兹高速通信技术与应用的思考[J].中兴通讯技术，2018，24（03）：43-47.

[3]Wang，Cheng，Lu，Bin，Lin，Changxing，et al.0.34THz wireless link based on high order modulation for future wireless local area network[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology，2014，4（1）：75-85.

[4]邹明芮，周海东，李光彬等.太赫兹无线局域网媒体访问控制协议的优化设计[J].系统工程与电子技术，2017，39（12）：2824-2830.

[5]孙建国.太赫兹通信技术的研究与展望[J].数字通信世界，2018，166（10）：60+90.

[6]杨鸿儒，李宏光.太赫兹波通信技术研究进展[J].应用光学，2018，39（01）：12-21.

南京工业大学浦江学院2019年度大学生创新创业训练计划项目（PJ20191390509）。