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太赫兹无线通信的难点回顾以及未来十年的研究方向展望

2022-08-11 09:42:19| 来源:leyu乐鱼体育全站app 作者:乐鱼体育平台进入

  无线系统的设计和发展,关于太赫兹无线通信的研究变得非常重要,相关论文也大量发表,涵盖了无线通信的各个方面。这次受教授邀请,我们对太赫兹过去的十年的难点进行回顾,并总结了研究界取得的成就。此外,我们还介绍了太赫兹频段通信系统的开放性挑战,为未来十年的研究指明了方向。本文讨论的前沿理论与成果将支撑太赫兹成为

  本文第一章中讨论了太赫兹频段(0.1–10 THz)通信的研究背景。随着数据流量需求的指数级增长,在5G(第五代移动通信技术)蜂窝网络中正式应用的100GHz以下频段的毫米波通信技术已经无法满足6G无线通信的多项关键技术指标:包括1 Tbps的峰值数据速率、60 bps/Hz峰值频谱效率、10 -9的超低误码率、0.1 ms的超低端到端延迟、100倍于5G通信的能源效率、以及1-3毫米的感知精度。而太赫兹通信独有的四大优势使其拥有可以满足6G无线系统的未来需求的潜力:1)数十GHz甚至数百GHz的带宽;2)皮秒级符号时长;3)可集成数千个亚毫米长度天线)易于与其他标准化频段并存。因此,太赫兹通信使得太字节每秒的无线局域网、物联网、集成接入回传、空间通信等应用场景成为可能,同时支持片上网络、纳米物联网、包括虚拟/增强现实和元宇宙在内的通信感知一体化等多项先进通信技术。

  本文总结了以往关于太赫兹无线通信的综述文章。不同于以往的综述文章,在本文中,我们全面地回顾了关于太赫兹通信的硬件、信道、物理层通信技术、通信网络、实验平台以及政策和标准的最新研究,并在此基础上提出了新颖的开放问题和潜在的未来研究方向。

  我们在第三章中详细讨论了太赫兹无线系统的关键硬件模块,即模拟前端、智能天线系统和数字后端,并列出关键性能指标。本章随后回顾了每个硬件模块的最新研究现状和开放性挑战。

  重点介绍太赫兹通信物理层的创新性技术,涵盖太赫兹调制编码、动态混合波束成形、波束估计与追踪、同步、定位、物理层安全等诸多方面。尽管因为硬件限制,到目前为止,相关物理层设计的硬件实现很少见,但是各种新颖的理论性研究已经开展,并有望实现可靠高效的太赫兹频段通信。

  6G无线通信方案,同时适配上述的太赫兹独有的硬件和信道特性,本文在第六章讨论了协议栈的物理层以上的创新设计,囊括了数据链路层和网络层。我们主要探讨了太赫兹通信网络中数据链路层的介质访问控制设计、干扰和覆盖等方面,同时梳理了网络层中关于中继、路由和调度的研究进展。这一章也进一步阐述了目前太赫兹通信网络关于资源分配、传输层协议与跨层设计的研究挑战。

  太赫兹技术演示平台以及研发自美国东北大学、美国国家仪器等研究团队的太赫兹通信测试平台。同时,北京交通大学等团队搭建的太赫兹信道模拟器与美国东北大学等团队提出的太赫兹网络模拟器也成为连接太赫兹通信理论和实验研究的桥梁。

  总结了现有的针对太赫兹频谱推行的政策和标准。目前关于太赫兹的政策主要涉及太赫兹通信的商业、工业及军事应用,而缺少对诸如卫星地球探测业务等科学感知应用的考虑。这限制了太赫兹频段的潜力,所以太赫兹通信与感知应用的频谱共享需要被纳入政策当中。为了长远协调的发展,联邦通信委员会与美国国家电信与信息管理局等组织已经着手促进制定太赫兹频谱共享政策。与此同时,国际电信联盟等组织也在积极推动6G与太赫兹频段通信的标准化。

  韩充,2016年获得美国佐治亚理工学院博士学位,同年加入上海交通大学,创建了太赫兹无线通信实验室(Terahertz Wireless Communications Laboratory),现担任副教授、博导,太赫兹通信领域的成果居于国际领先水平。已发表论文100余篇,其中10篇入选IEEE ComSoc太赫兹通信领域最佳推荐论文。截至2022年6月,累积谷歌学术引用3800余次,7篇论文引用量超过100次,ESI前1%高被引论文1篇。出版《太赫兹无线年上海市海外高层次青年人才、2018年装备和教育部联合青年人才计划和爱思唯尔期刊杰出青年科学家奖。国际上,于2019年作为程序委员会主席组织创立国际太赫兹通信研讨会,并担任IEEE通信学会THz SIG的副主席。在国内,担任工信部IMT2030(6G)推进组太赫兹通信任务组的专家成员,和中国通信学会太赫兹委员会的副秘书长。在标准化、知识产权与行业研究等方面,已获得6项中国授权专利、1项美国授权专利。2021年牵头完成IMT2030(6G)推进组“太赫兹通信技术研究报告”,制定国际6G Flagship白皮书,2022年完成ITU-R《IMT Above 100 GHz》国际标准提案。来源:TWC Lab

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