7月17日,工信部通信发展司副司长陈立东在未来移动通信技术和标准发展推进委员会主办的“5G和未来网络战略研讨会”上致辞时,对5G合作提出四点建议,其中的第二点建议是“持续推动技术创新”:加强移动通信空口技术演进、毫米波、太赫兹、量子通信等技术领域的研究。
上面提及“加强太赫兹领域的研究”。
太赫兹与6G有何关系?5G微信公众平台了解到,太赫兹是未来移动通信(B5G或6G)中极具优势的技术途径,已经成为主要国家竞相抢占的技术制高点;今年“两会”期间,工信部部长苗圩接受央视采访时透露“我国已经着手研究6G”。
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,而太赫兹是唯一亟待开发利用的频谱资源。这使得太赫兹无线通信技术成为主要国家竞相抢占的技术制高点:
欧盟于2017年正式布局6G技术研发,初步定位于进一步增强型移动宽带(峰值数据倍率超过100Gbps),准备使用>275GHz的太赫兹频段,计划在2019年世界无线电通信大会上要求把上述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。NTT目前正在全力研究可运行于0.5-0.6THz频段的高速率、大容量无线通信系统。日本总务省规划于2020年东京奥运会上采用太赫兹通信系统实现100Gbit/s无线局域网。
美国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)投入大量经费研制0.1-1THz频段太赫兹通信关键器件和系统。
“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。”电子科技大学教授陈智、张雅鑫、李少谦介绍到。
中国政府各级部门十分重视太赫兹科学技术的发展,多个部委设立了太赫兹的相关研究计划。在国家的支持下,通过10余年的发展,中国已经形成了一支以高校、研究院所为主体的太赫兹技术创新研发队伍。在太赫兹通信技术方向,电子科技大学等多家单位取得了较为突出的成果。
2015-2016年间,电子科技大学研制出了中国首套地面实时传输裸眼3D业务的太赫兹通信系统,该系统工作频率为0.22THz,并基于QPSK直接调制解调的方式,调制解调器采用0.22THz分谐波混频器,基带信号由码型发生器产生,经混频器中频端口馈入,调制到0.22THz载波频率后通过喇叭天线发射,已调信号经接收端混频器相干解调后送至误码分析仪进行误码分析。该系统实现了10Gbit/s实时高速数据通信,有较好的误码性能,平均误码率小于10-6.该系统目前采用相干接收技术和大口径天线已实现了0.2km距离传输,为高速中远距离无线通信打下了重要基础。
2016年,电子科技大学率先在国际上研制出了首套直接调制方式的太赫兹通信系统,并实现了公里级高清视频传输。该系统采用外部高速调制器直接对空间传输太赫兹信号进行调制,这种调制方式较现有的太赫兹通信方式,具有可灵活搭配中高功率太赫兹辐射源实现远距离通信的优点,有效突破了目前太赫兹通信系统中承载发射功率过低的问题。目前,该系统实现了0.34THz工作频率吉比特每秒的高清视频业务数据传输。
另外,湖南大学在100 GHz频段,用基于光电结合的方式实现高速实时数据通信。发射端采用光电二极管产生100 GHz高频载波,接收端通过分谐波混频器进行相干解调,实现了速率达6 Gbit/s的通信。上海微系统所采用量子级联激光器实现了3.1 THz、传输速率为100Mbit/s的演示系统。
系列性的成果为中国太赫兹通信技术积累了良好的核心元器件技术和系统的基础,也为空间太赫兹测控技术的研究打下了良好的基础。
随着其他各国对太赫兹技术的加大投入,使得中国太赫兹通信技术发展面临着严峻的挑战,例如:欧盟2017年成立的由德国、希腊、芬兰、葡萄牙、英国等跨国TERRANOVA计划,明确提出研发超高速太赫兹创新无线通信技术。
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。5G微信公众平台了解到,电子科技大学教授陈智、张雅鑫、李少谦对于发展具有自主知识产权太赫兹通信技术有着诸多建议及思考:
(1)大力发展高性能太赫兹核心芯片和器件
太赫兹通信技术是一个跨学科、跨专业的复合型技术领域,不仅需要通信技术的发展和突破,还需要高性能器件做支撑。因此,发展太赫兹通信技术必须要突破高性能器件技术,这亟需政府在研发上加大支持力度。特别是要在大功率GaN太赫兹二极管的制备、大功率太赫兹固态电子放大器、高效率太赫兹倍频器、混频器、高速高效太赫兹调制器、高增益太赫兹天线、高灵敏太赫兹相干接收器件以及太赫兹高速基带等研究方向.上加大投入,争取尽快取得突破,解决当前发展瓶颈。建议设立太赫兹通信关键器件的研究专项,重点支持高性能太赫兹固态电子学信号源、太赫兹放大器、太赫兹调制器、太赫兹接收器件、太赫兹高速基带的研制,以尽快提高中国太赫兹通信技术核心元器件的研究水平,确保太赫兹高速无线通信系统元器件的自在可控。
(2)构建全国开放的高性能太赫兹通信技术测
试平台和大型全国性研究发展计划高性能太赫兹通信技术测试平台对于太赫兹通信用器件的测试、联试,对于发展太赫兹通信技术至关重要。然而,太赫兹测试设备价格昂贵,太赫兹通信系统的集成和联试又需要多台设备并行使用,单一研究单位难以搭建全面、高性能的测试平台。建议建立全国性的、开放的高性能太赫兹通信技术测试平台,形成完整的测试设备链路,为太赫兹通信技术的发展提供保障。
(3)立项国家重大科研计划支持太赫兹通信技术和系统研究
中国多个部委都设立了与太赫兹通信技术相关的项目,但是支持力度仍远低于发达国家。针对目前中国太赫兹通信技术现有的发展水平与能力,建议由国家科技部门牵头设立一个大型的全国性太赫兹通信技术研究计划,进一步加大投入力度, 中国将极有可能在该领域实现弯道超车,赶超国际先进水平。
在毫米波频段还蕴藏着巨大的未被充分开发的频谱资源,现在就开始太赫兹通信研究是否为时过早?毫米波国家重点实验室主任、东南大学教授洪伟认为,从学术角度而言,提早十年甚至几十年开始一个未来领域的探索研究是很正常的。那么,太赫兹通信与毫米波通信的定位必然会有差异。实际上,毫米波通信一般定位于nx10 Gbit/s的高速率,而太赫兹通信将定位于nx100 Gbit/s甚至Tbit/s的超高速通信。多年前,就有将太赫兹应用于星际通信的说法,其理由是带宽大、尺寸小、大气层外无大气吸收损耗、天线容易获得40dB以上的高增益等。近年来,开始讨论太赫兹超高速近距通信,以代替高速有线互连,如高速处理平台的背板,服务器无线互连等。至于太赫兹通信最终的核心应用是什么,还需要随着时间的推移逐渐显现。
电子科技大学教授陈智、张雅鑫、李少谦认为,太赫兹通信具有高速数据无线传输能力、强通信跟踪捕获能力、高保密性等优点,是发展未来beyond5G大容量数据最重要技术手段,是推动、发展新一代高速大容量无线通信的重要基础,对于发展中国先进科学技术,提升中国科技创新能力具有重大的战略意义。