275~3000 GHz頻段內(nèi)潛在的典型無(wú)線通信應(yīng)用解析

一、引言

2015年10月1日，ITU-R（Radiocommunications sector for International Telecommunication Union，國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信局）發(fā)布了編號(hào)為“Report ITU-R SM.2352-0”的研究報(bào)告——“Technology trends of active services in the frequency range 275-3000 GHz（《在275~3000 GHz頻段內(nèi)提供有源業(yè)務(wù)的技術(shù)趨勢(shì)》）”。

二、國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信局進(jìn)行相關(guān)研究的背景及目的

該報(bào)告的“Introduction（引言）”部分指出：目前，國(guó)際電信聯(lián)盟并未將275 GHz頻點(diǎn)以上的物理頻段劃分給具體的無(wú)線電業(yè)務(wù)使用，但RR（Radio Regulation，《國(guó)際無(wú)線電規(guī)則》）已經(jīng)確定將其用于無(wú)源業(yè)務(wù)服務(wù)的提供，其中包括射電天文業(yè)務(wù)、衛(wèi)星地球探測(cè)業(yè)務(wù)（無(wú)源）和空間研究業(yè)務(wù)（無(wú)源）等。但是另一方面，并不排除相關(guān)的有源業(yè)務(wù)對(duì)于275~3000 GHz頻段的使用。

另外，目前，IEEE（國(guó)際電子與電氣工程師協(xié)會(huì)）已經(jīng)確定由IEEE 802.15.3d任務(wù)組來(lái)制定IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)——包括于275 GHz頻點(diǎn)以上物理頻段運(yùn)行的PHY（物理）層，但是尚未確定將275 GHz頻點(diǎn)以上物理頻段用于有源業(yè)務(wù)服務(wù)的提供，《國(guó)際無(wú)線電規(guī)則》也并未針對(duì)275~3000 GHz頻段進(jìn)行劃分。

國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信局認(rèn)為，迅速地了解全球于275 GHz頻點(diǎn)以上物理頻段內(nèi)提供有源業(yè)務(wù)服務(wù)在當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是很有必要的，可以及時(shí)地掌握THz（Terahertz，太赫茲）物理頻段技術(shù)在無(wú)線電通信領(lǐng)域之中的應(yīng)用情況。

而進(jìn)一步地，從政府相關(guān)部門(mén)監(jiān)管的角度，為了避免在275~3000 GHz頻段內(nèi)運(yùn)行的既有無(wú)源業(yè)務(wù)與正在研發(fā)、即將得到部署的有源業(yè)務(wù)之間出現(xiàn)潛在干擾，需要及時(shí)研究有源業(yè)務(wù)在275~3000 GHz頻段內(nèi)的技術(shù)及運(yùn)行特性。該報(bào)告的第3部分“Regulatory information（規(guī)制/監(jiān)管信息）”還著重指出，對(duì)于那些希望將275~1000 GHz物理頻段內(nèi)的部分無(wú)線頻譜資源應(yīng)用于提供有源業(yè)務(wù)服務(wù)的國(guó)家，國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信局敦促其采取一切切實(shí)可行措施，在相關(guān)的頻率劃分表確定好之前，保護(hù)既有無(wú)源業(yè)務(wù)免受潛在的有害干擾。

為此，國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信局開(kāi)展了相關(guān)研究，并發(fā)布了此份技術(shù)報(bào)告，介紹了于275~3000 GHz頻段內(nèi)部署有源業(yè)務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)趨勢(shì)（主要討論了太赫茲頻段內(nèi)的無(wú)線通信技術(shù)、感應(yīng)技術(shù)以及成像技術(shù)），并為后續(xù)的共用性研究及兼容性研究提供技術(shù)信息。

三、太赫茲物理頻段與相關(guān)典型應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

（1）物理特性

該報(bào)告的“THz features， characteristics and typical applications”部分對(duì)于太赫茲物理頻段的特性、特點(diǎn)與目前的典型應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行了介紹。

其中指出，275 GHz頻點(diǎn)以上物理頻段是太赫茲頻段THz的主要組成部分——太赫茲波段（也被業(yè)界稱(chēng)為“亞毫米波輻射”）通常是指0.1 THz~10 THz物理頻段和0.03 mm~3 mm波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的物理頻段。具體如圖1所示。

圖1、太赫茲頻段于整個(gè)無(wú)線電頻譜之內(nèi)所處的位置

（2）獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

以傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，全球業(yè)界對(duì)于太赫茲物理頻段無(wú)線通信的研發(fā)工作經(jīng)歷了微波、毫米波到太赫茲波的過(guò)程，其中還部分地考慮到了激光無(wú)線通信。

該報(bào)告緊接著指出，現(xiàn)行的微波通信與激光通信最終不會(huì)被太赫茲波通信所取代，而太赫茲波通信系統(tǒng)卻具有多數(shù)微波通信系統(tǒng)與激光通信系統(tǒng)所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)——主要體現(xiàn)在介電常數(shù)（對(duì)許多介電材料和非極性液體具有良好的滲透性）、水中快速衰減（可為醫(yī)療界所用）、安全（此頻段內(nèi)的無(wú)線電信號(hào)無(wú)法穿透人體）、頻譜分辨率（很多分子（尤其是有機(jī)分子）在此頻段具有強(qiáng)大的擴(kuò)散與吸收特性）、高空間分辨率（此頻段的空間分辨率與成像分辨率均高于微波頻段）、短波長(zhǎng)和良好的指向性（于單位時(shí)間內(nèi)可承載更多的通訊信息）這六大方面。

原報(bào)告對(duì)上述六大方面進(jìn)行了詳細(xì)描述，有興趣的讀者朋友可以進(jìn)一步地查閱和研究。

（3）潛在的典型應(yīng)用領(lǐng)域

該報(bào)告指出，目前，275~3000 GHz頻段主要被應(yīng)用于天文觀測(cè)，而隨著高功率太赫茲輻射源的出現(xiàn)，該頻段將會(huì)有著廣泛的潛在用途——于其中，典型的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ㄌ煳膽?yīng)用、分子檢測(cè)應(yīng)用、安檢應(yīng)用、生物藥品應(yīng)用、雷達(dá)應(yīng)用以及于無(wú)線通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

原報(bào)告對(duì)上述六大潛在的典型應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)描述，有興趣的讀者朋友可以進(jìn)一步地查閱和研究。下面僅介紹與本文主題相關(guān)的太赫茲無(wú)線通信領(lǐng)域應(yīng)用。

從上文中的圖1看來(lái)，275~3000 GHz頻段處于整個(gè)無(wú)線電頻譜內(nèi)的光區(qū)/電區(qū)轉(zhuǎn)換部分，從而，太赫茲頻段就同時(shí)具有微波通信的特性以及光波通信的特性：

首先，太赫茲波通信可有效地彌補(bǔ)微波通信的不足：隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的微波通信系統(tǒng)就越來(lái)越難以滿(mǎn)足無(wú)線通信對(duì)于高速、寬帶的發(fā)展需求。而275~3000 GHz頻段具有潛在可用的大的物理帶寬、相關(guān)系統(tǒng)潛在具備高無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率能力，從而就可以被應(yīng)用到未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)之中；

其次，太赫茲波通信可有效地彌補(bǔ)光波通信的不足：在灰塵、墻體、塑料、布匹和其它非金屬或者非極化物質(zhì)中，光波傳輸?shù)?a target="_blank">信號(hào)衰減嚴(yán)重。而275~3000 GHz頻段內(nèi)的無(wú)線電信號(hào)可以以極低的電平損耗來(lái)穿透這些物質(zhì)，從而就具背了對(duì)于惡劣無(wú)線電信號(hào)傳播環(huán)境中的良好穿透能力。

最后，將太赫茲波物理頻段應(yīng)用于無(wú)線電通信領(lǐng)域也有一定的劣勢(shì)：其中最大的劣勢(shì)在于，太赫茲波無(wú)線電信號(hào)容易被大氣中的極性分子吸收，從而會(huì)形成較為嚴(yán)重的大氣衰減（下雨天的信號(hào)衰減將會(huì)更為嚴(yán)重）。

該報(bào)告緊接著指出，上述特性決定了在未來(lái)，太赫茲波物理頻段將會(huì)主要被應(yīng)用于星際通信、地面短距離寬帶移動(dòng)通信，并主要將適用于干燥霧霾天氣或者戰(zhàn)場(chǎng)等惡劣外部環(huán)境。

四、太赫茲頻段無(wú)線通信的五大潛在典型應(yīng)用方向

為了切合本文的主題，下文著重對(duì)該報(bào)告的第4部分“THz wireless communication（太赫茲無(wú)線通信）”進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1）四大具體問(wèn)題

該報(bào)告指出，在研究太赫茲波段無(wú)線通信的潛在典型應(yīng)用方向時(shí)，應(yīng)考慮到以下的具體問(wèn)題：

（1）對(duì)于具有超寬頻段的物理帶寬的使用；

（2）對(duì)于通信天線及設(shè)備進(jìn)行小型化處理的可能性；

（3）高指向性以及大的自由空間傳播損耗（相關(guān)波長(zhǎng)小于60 GHz頻段的五分之一。雖然自由空間的傳播損耗達(dá)到了25倍甚至更高，但是可以通過(guò)通信天線的高增益特性進(jìn)行補(bǔ)償）；

（4）研發(fā)位于該工作頻段內(nèi)的振蕩器、功率放大器和波束控制天線等的制造技術(shù)。

2）潛在典型應(yīng)用方向之一：芯片之間以及電路板之間的超近距離無(wú)線通信

如圖2所示，相互連接的芯片部件與電路板可以采取無(wú)線通信方式來(lái)消除線纜布設(shè)，并最終達(dá)到使底層與裝置小型化的效應(yīng)。

圖2、芯片之間以及電路版之間的超近距離太赫茲頻段無(wú)線通信場(chǎng)景

這一潛在應(yīng)用場(chǎng)景的典型要求為：

（1）無(wú)線通信的物理距離

根據(jù)相關(guān)的總結(jié)，在同一物理空間內(nèi)部署芯片以及/或者部署芯片襯底時(shí)，通信距離在數(shù)毫米（屬于超近距離）到數(shù)厘米（屬于臨近距離）之間。

（2）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率

芯片之間以及電路板之間的超近距離無(wú)線通信，典型的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到數(shù)十Gbit/s。

在數(shù)據(jù)傳輸速率方面：①?lài)?guó)際上已確定符合USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)的接口采取10 Gbit/s的速率；②而對(duì)于PCI Express 4.0接口，國(guó)際上已將數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)化（4 GB/s ×8 bit/B= 32 Gbit/s雙向）；③如進(jìn)行64信道PCI Express 4.0接口綁定，相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸速率還將可被提升至4 GB/s ×64 = 256 GB/s=2048 Gbit/s）。

該報(bào)告緊接著指出，雖然并不總是需要為超過(guò)Tbps級(jí)別數(shù)據(jù)傳輸速率的通信提供相關(guān)的支撐，但是在利用太赫茲物理頻段進(jìn)行超近距離無(wú)線通信的芯片之間和電路板之間，將需要具備至少數(shù)十Gbit/s的超高速數(shù)據(jù)傳輸能力。

（3）無(wú)線信號(hào)的傳播環(huán)境

此方面，宜采取外罩內(nèi)的超近距離和臨近模型（注：此處的“罩”所指的是一種伴有強(qiáng)大反射波的金屬外罩），而且必須研究采取LoS（視距）通信與NLoS（非視距）通信的實(shí)現(xiàn)方式，還必須要考慮到超近距離排列的設(shè)備之間的多路徑無(wú)線傳輸以及通過(guò)太赫茲頻段無(wú)線電波穿透芯片襯底而實(shí)現(xiàn)的設(shè)備外罩內(nèi)壁多路徑效應(yīng)。

3）潛在典型應(yīng)用方向之二：通過(guò)近場(chǎng)通信實(shí)現(xiàn)內(nèi)容與“云”的同步

最近，采用云計(jì)算/云存儲(chǔ)技術(shù)的服務(wù)以及智能手機(jī)終端與云數(shù)據(jù)中心之間的協(xié)作型服務(wù)均在迅速地發(fā)展。相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景如圖3所示。

圖3、通過(guò)太赫茲頻段近場(chǎng)通信實(shí)現(xiàn)內(nèi)容與“云”的同步

云存儲(chǔ)服務(wù)是云服務(wù)的典型類(lèi)型之一，其可在用戶(hù)主觀上感知不到相關(guān)同步過(guò)程的情況下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶(hù)移動(dòng)智能終端上的圖片與視頻內(nèi)容進(jìn)行云存儲(chǔ)。但是，3G（第三代移動(dòng)通信）系統(tǒng)與LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）移動(dòng)通信系統(tǒng)采取分組通信技術(shù)，在用戶(hù)不知情的情況下，移動(dòng)智能終端進(jìn)行內(nèi)容的云同步化，會(huì)導(dǎo)致蓄電池能耗的增大，縮短每次充電后的使用時(shí)長(zhǎng)。

為此，這一使用場(chǎng)景所提出的相關(guān)解決方案為：比如，除了火車(chē)站自動(dòng)檢票口的IC計(jì)費(fèi)功能之外，用戶(hù)在外出途中，還可隨身攜帶具有太赫茲物理頻段通信功能的智能手機(jī)，經(jīng)過(guò)火車(chē)站檢票口時(shí)，通過(guò)太赫茲通信同時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的云同步化，減小智能手機(jī)的耗電量。

上述應(yīng)用場(chǎng)景的典型需求為：（1）無(wú)線通信的物理距離——數(shù)厘米（屬于臨近距離）；（2）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率——4 Gbit/s~數(shù)十Gbit/s；（3）無(wú)線信號(hào)的傳播環(huán)境——設(shè)備之間的臨近傳輸模型（視距無(wú)線通信）；（4）所需的BER（誤碼率）：最高為10-12。

可見(jiàn)，雖然無(wú)線通信距離僅為幾厘米的量級(jí)，而為了使數(shù)據(jù)或內(nèi)容在大約1秒鐘的極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行與云端的同步化，無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸速率應(yīng)盡可能的快。于是，除了通信速率外，還有必要研發(fā)相關(guān)的認(rèn)證系統(tǒng)以及關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，以期縮短建立無(wú)線通信鏈路的時(shí)間。

另外，即使超過(guò)100 Gbit/s無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率的NFC（近場(chǎng)通信）具備技術(shù)上的可行性，仍有必要研究這些應(yīng)用場(chǎng)景之中配備了相關(guān)功能的移動(dòng)智能終端，能否以其內(nèi)部存儲(chǔ)器件的讀/寫(xiě)速度來(lái)匹配如此高速的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸——比如說(shuō)，目前，全球最快的SSD（固態(tài)硬盤(pán)）的讀/寫(xiě)速率約為500 Mbytes/s（即4 Gbit/s）。

此外，由于該應(yīng)用場(chǎng)景的無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境將是僅適用于視距通信的設(shè)備間臨近模型，從而就需要進(jìn)一步地研究臨近設(shè)備間的多路徑反射是否會(huì)對(duì)如此高速的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生一定的影響。

4）潛在典型應(yīng)用方向之三：數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的無(wú)線通信

最近，利用了“云”端資源的各項(xiàng)服務(wù)得到了快速的發(fā)展，從而使得全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心/云數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提速。數(shù)據(jù)中心/云數(shù)據(jù)中心擁有部署了存儲(chǔ)模塊和多交換機(jī)的不同服務(wù)器的物理機(jī)架，業(yè)界越來(lái)越意識(shí)到，服務(wù)器之間最好采取采用無(wú)線方式進(jìn)行連接與相互通信。相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景如圖4所示。

圖4、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的太赫茲頻段無(wú)線通信

這一應(yīng)用場(chǎng)景的典型需求為：（1）無(wú)線通信的物理距離——數(shù)厘米到數(shù)米（屬于臨近距離）。具體地，相關(guān)的場(chǎng)景假設(shè)為“服務(wù)器機(jī)架內(nèi)，縱向排列的服務(wù)器之間通信距離為數(shù)厘米，而機(jī)架的連接間距為數(shù)米”；（2）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率——數(shù)十Gbit/s~數(shù)百Gbit/s；（3）無(wú)線信號(hào)的傳播環(huán)境——辦公室模型（視距無(wú)線通信）與兩徑模型（非視距無(wú)線通信）。具體地，可以假設(shè)辦公室模型中采用了較低滲透性/較高反射性的建筑材料，而服務(wù)器機(jī)架被部署于靠近墻面的位置并用太赫茲物理頻段無(wú)線通信鏈路取代背板電纜連接，則據(jù)可在背板之間采取兩徑模型；（4）所需的BER（誤碼率）：最高為10-12。

5）潛在典型應(yīng)用方向之四：無(wú)線移動(dòng)回程與無(wú)線移動(dòng)前傳

移動(dòng)回程鏈路是移動(dòng)通信基站與更集中化網(wǎng)元之間的線路連接，而移動(dòng)前傳鏈路則是移動(dòng)基站無(wú)線設(shè)備控制器與遠(yuǎn)程無(wú)線頭端（無(wú)線單元）之間的線路連接?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，在未來(lái)，隨著小基站的大規(guī)模部署、CoMP（協(xié)作式多點(diǎn)傳輸）以及/或者C-RAN（“云”無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與現(xiàn)網(wǎng)部署，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)于移動(dòng)回程鏈路以及移動(dòng)前傳鏈路所需的數(shù)據(jù)傳輸速率就將會(huì)隨之提高。在無(wú)法部署光纖電纜網(wǎng)絡(luò)的情況下，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)組建這類(lèi)鏈路的相關(guān)解決方案具有實(shí)際部署應(yīng)用的價(jià)值。

上述應(yīng)用場(chǎng)景的典型需求為：（1）無(wú)線通信的物理距離——500米~1000米；（2）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率——最高可達(dá)100 Gbit/s；（3）無(wú)線信號(hào)的傳播環(huán)境——室外環(huán)境；（4）所需的BER（誤碼率）：目前尚未得到最終確定。

該報(bào)告緊接著指出，在需要數(shù)十Gbit/s無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率的情況下，可以把太赫物理頻段移動(dòng)回程/移動(dòng)前傳做為具有吸引力的解決方案。2014年元月，J. Antes博士等人在IEEE 802.15-14-0017-00-0thz工作組的洛杉磯會(huì)議上，作了題為“High Data Rate Wireless Communication using a 240 GHz Carrier（基于240 GHz頻段載波實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率的無(wú)線通信）”的報(bào)告，其中介紹了其于1公里的無(wú)線鏈路中實(shí)現(xiàn)24 Gbit/s的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率的相關(guān)演示系統(tǒng)。

6）潛在典型應(yīng)用方向之五：太赫茲頻段WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)）

隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)在人類(lèi)生活、生產(chǎn)與工作當(dāng)中所發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，極大程度地免除了由線纜連接所帶來(lái)的束縛。如今，同因特網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)一樣，無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了人們進(jìn)行信息傳輸?shù)闹匾侄?，并廣泛地被用于機(jī)場(chǎng)、辦公室、餐館和家庭環(huán)境之中。

如圖5所示，太赫茲物理頻段的頻率要高出微波頻段1~4個(gè)數(shù)量級(jí)，且其無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率將有望達(dá)到10 Gbit/s。考慮到太赫茲頻段無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)具備高速、大寬帶、結(jié)構(gòu)緊湊/小巧、低輻射損耗以及強(qiáng)大抗干擾能力等特性?xún)?yōu)勢(shì)，未來(lái)，可將其應(yīng)用于高質(zhì)量視頻通話、視頻會(huì)議、真實(shí)三維立體游戲等商業(yè)及軍事用途。

圖5、太赫茲頻段無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)

上述應(yīng)用場(chǎng)景的典型需求為：（1）無(wú)線通信的物理距離——數(shù)十米（不超過(guò)100米）；（2）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率——數(shù)Mbit/s~數(shù)十Mbit/s；（3）無(wú)線信號(hào)的傳播環(huán)境——辦公室、機(jī)場(chǎng)與賓館等；（4）所需的BER（誤碼率）：最高為1×10-6。

5、總結(jié)

該報(bào)告的第6部分“THz related activities within the international standard organization（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的太赫茲相關(guān)研發(fā)活動(dòng)）”指出：IEEE 802.15于2008年成立了太赫茲IG（興趣組），重點(diǎn)關(guān)注將可在275~3 000GHz頻段運(yùn)行的太赫茲通信與相關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，其中包括：

組件到組件、控制板到控制板、機(jī)器到機(jī)器、人到機(jī)器和人到人（室內(nèi)與室外）之間的無(wú)線通信。根據(jù)相關(guān)設(shè)想，總體上，太赫茲頻段無(wú)線通信將采取有限復(fù)雜度的無(wú)線調(diào)制方法、全向天線以及/或者定向天線系統(tǒng)，并以10 Gbit/s的倍數(shù)在高至100 Gbit/s的范圍內(nèi)提供極高的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率，以適應(yīng)未來(lái)光纖電纜數(shù)據(jù)容量的增長(zhǎng)。太赫茲頻段無(wú)線通信系統(tǒng)可支持極短距離（數(shù)厘米甚至更短）至較長(zhǎng)距離（數(shù)百米）的高速數(shù)據(jù)傳輸。