275~3000 GHz频段内潜在的典型无线通信应用解析

        一、引言

        2015年10月1日，ITU-R（Radiocommunications sector for InternaTIonal TelecommunicaTIon Union，国际电信联盟无线电通信局）发布了编号为“Report ITU-R SM.2352-0”的研究报告——“Technology trends of acTIve services in the frequency range 275-3000 GHz（《在275~3000 GHz频段内提供有源业务的技术趋势》）”。

        二、国际电信联盟无线电通信局进行相关研究的背景及目的

        该报告的“IntroducTIon（引言）”部分指出：目前，国际电信联盟并未将275 GHz频点以上的物理频段划分给具体的无线电业务使用，但RR（Radio Regulation，《国际无线电规则》）已经确定将其用于无源业务服务的提供，其中包括射电天文业务、卫星地球探测业务（无源）和空间研究业务（无源）等。但是另一方面，并不排除相关的有源业务对于275~3000 GHz频段的使用。

        另外，目前，IEEE（国际电子与电气工程师协会）已经确定由IEEE 802.15.3d任务组来制定IEEE 802标准——包括于275 GHz频点以上物理频段运行的PHY（物理）层，但是尚未确定将275 GHz频点以上物理频段用于有源业务服务的提供，《国际无线电规则》也并未针对275~3000 GHz频段进行划分。

        国际电信联盟无线电通信局认为，迅速地了解全球于275 GHz频点以上物理频段内提供有源业务服务在当前的技术发展趋势是很有必要的，可以及时地掌握THz（Terahertz，太赫兹）物理频段技术在无线电通信领域之中的应用情况。

        而进一步地，从政府相关部门监管的角度，为了避免在275~3000 GHz频段内运行的既有无源业务与正在研发、即将得到部署的有源业务之间出现潜在干扰，需要及时研究有源业务在275~3000 GHz频段内的技术及运行特性。该报告的第3部分“Regulatory information（规制/监管信息）”还着重指出，对于那些希望将275~1000 GHz物理频段内的部分无线频谱资源应用于提供有源业务服务的国家，国际电信联盟无线电通信局敦促其采取一切切实可行措施，在相关的频率划分表确定好之前，保护既有无源业务免受潜在的有害干扰。

        为此，国际电信联盟无线电通信局开展了相关研究，并发布了此份技术报告，介绍了于275~3000 GHz频段内部署有源业务系统的技术趋势（主要讨论了太赫兹频段内的无线通信技术、感应技术以及成像技术），并为后续的共用性研究及兼容性研究提供技术信息。

        三、太赫兹物理频段与相关典型应用发展趋势

        （1）物理特性

        该报告的“THz features， characteristics and typical applications”部分对于太赫兹物理频段的特性、特点与目前的典型应用趋势进行了介绍。

        其中指出，275 GHz频点以上物理频段是太赫兹频段THz的主要组成部分——太赫兹波段（也被业界称为“亚毫米波辐射”）通常是指0.1 THz~10 THz物理频段和0.03 mm~3 mm波长所对应的物理频段。具体如图1所示。

       

        图1、太赫兹频段于整个无线电频谱之内所处的位置

        （2）独特优势

        以传统无线通信技术为基础，全球业界对于太赫兹物理频段无线通信的研发工作经历了微波、毫米波到太赫兹波的过程，其中还部分地考虑到了激光无线通信。

        该报告紧接着指出，现行的微波通信与激光通信最终不会被太赫兹波通信所取代，而太赫兹波通信系统却具有多数微波通信系统与激光通信系统所不具备的独特优势——主要体现在介电常数（对许多介电材料和非极性液体具有良好的渗透性）、水中快速衰减（可为医疗界所用）、安全（此频段内的无线电信号无法穿透人体）、频谱分辨率（很多分子（尤其是有机分子）在此频段具有强大的扩散与吸收特性）、高空间分辨率（此频段的空间分辨率与成像分辨率均高于微波频段）、短波长和良好的指向性（于单位时间内可承载更多的通讯信息）这六大方面。

        原报告对上述六大方面进行了详细描述，有兴趣的读者朋友可以进一步地查阅和研究。

        （3）潜在的典型应用领域

        该报告指出，目前，275~3000 GHz频段主要被应用于天文观测，而随着高功率太赫兹辐射源的出现，该频段将会有着广泛的潜在用途——于其中，典型的应用领域将包括天文应用、分子检测应用、安检应用、生物药品应用、雷达应用以及于无线通信领域的应用。

        原报告对上述六大潜在的典型应用领域进行了详细描述，有兴趣的读者朋友可以进一步地查阅和研究。下面仅介绍与本文主题相关的太赫兹无线通信领域应用。

        从上文中的图1看来，275~3000 GHz频段处于整个无线电频谱内的光区/电区转换部分，从而，太赫兹频段就同时具有微波通信的特性以及光波通信的特性：

        首先，太赫兹波通信可有效地弥补微波通信的不足：随着通信技术的快速发展，传统的微波通信系统就越来越难以满足无线通信对于高速、宽带的发展需求。而275~3000 GHz频段具有潜在可用的大的物理带宽、相关系统潜在具备高无线数据传输速率能力，从而就可以被应用到未来的无线通信系统之中；

        其次，太赫兹波通信可有效地弥补光波通信的不足：在灰尘、墙体、塑料、布匹和其它非金属或者非极化物质中，光波传输的信号衰减严重。而275~3000 GHz频段内的无线电信号可以以极低的电平损耗来穿透这些物质，从而就具背了对于恶劣无线电信号传播环境中的良好穿透能力。

        最后，将太赫兹波物理频段应用于无线电通信领域也有一定的劣势：其中最大的劣势在于，太赫兹波无线电信号容易被大气中的极性分子吸收，从而会形成较为严重的大气衰减（下雨天的信号衰减将会更为严重）。

        该报告紧接着指出，上述特性决定了在未来，太赫兹波物理频段将会主要被应用于星际通信、地面短距离宽带移动通信，并主要将适用于干燥雾霾天气或者战场等恶劣外部环境。

        四、太赫兹频段无线通信的五大潜在典型应用方向

        为了切合本文的主题，下文着重对该报告的第4部分“THz wireless communication（太赫兹无线通信）”进行详细介绍。

        1）四大具体问题

        该报告指出，在研究太赫兹波段无线通信的潜在典型应用方向时，应考虑到以下的具体问题：

        （1）对于具有超宽频段的物理带宽的使用；

        （2）对于通信天线及设备进行小型化处理的可能性；

        （3）高指向性以及大的自由空间传播损耗（相关波长小于60 GHz频段的五分之一。虽然自由空间的传播损耗达到了25倍甚至更高，但是可以通过通信天线的高增益特性进行补偿）；

        （4）研发位于该工作频段内的振荡器、功率放大器和波束控制天线等的制造技术。

        2）潜在典型应用方向之一：芯片之间以及电路板之间的超近距离无线通信

        如图2所示，相互连接的芯片部件与电路板可以采取无线通信方式来消除线缆布设，并最终达到使底层与装置小型化的效应。

       

        图2、芯片之间以及电路版之间的超近距离太赫兹频段无线通信场景

        这一潜在应用场景的典型要求为：

        （1）无线通信的物理距离

        根据相关的总结，在同一物理空间内部署芯片以及/或者部署芯片衬底时，通信距离在数毫米（属于超近距离）到数厘米（属于临近距离）之间。

        （2）无线数据传输速率

        芯片之间以及电路板之间的超近距离无线通信，典型的无线数据传输速率应达到数十Gbit/s。

        在数据传输速率方面：①国际上已确定符合USB 3.1标准的接口采取10 Gbit/s的速率；②而对于PCI Express 4.0接口，国际上已将数据链路层的传输速率标准化（4 GB/s ×8 bit/B= 32 Gbit/s双向）；③如进行64信道PCI Express 4.0接口绑定，相关的数据传输速率还将可被提升至4 GB/s ×64 = 256 GB/s=2048 Gbit/s）。

        该报告紧接着指出，虽然并不总是需要为超过Tbps级别数据传输速率的通信提供相关的支撑，但是在利用太赫兹物理频段进行超近距离无线通信的芯片之间和电路板之间，将需要具备至少数十Gbit/s的超高速数据传输能力。

        （3）无线信号的传播环境

        此方面，宜采取外罩内的超近距离和临近模型（注：此处的“罩”所指的是一种伴有强大反射波的金属外罩），而且必须研究采取LoS（视距）通信与NLoS（非视距）通信的实现方式，还必须要考虑到超近距离排列的设备之间的多路径无线传输以及通过太赫兹频段无线电波穿透芯片衬底而实现的设备外罩内壁多路径效应。

        3）潜在典型应用方向之二：通过近场通信实现内容与“云”的同步

        最近，采用云计算/云存储技术的服务以及智能手机终端与云数据中心之间的协作型服务均在迅速地发展。相关应用场景如图3所示。

       

        图3、通过太赫兹频段近场通信实现内容与“云”的同步

        云存储服务是云服务的典型类型之一，其可在用户主观上感知不到相关同步过程的情况下，通过网络对用户移动智能终端上的图片与视频内容进行云存储。但是，3G（第三代移动通信）系统与LTE（长期演进）移动通信系统采取分组通信技术，在用户不知情的情况下，移动智能终端进行内容的云同步化，会导致蓄电池能耗的增大，缩短每次充电后的使用时长。

        为此，这一使用场景所提出的相关解决方案为：比如，除了火车站自动检票口的IC计费功能之外，用户在外出途中，还可随身携带具有太赫兹物理频段通信功能的智能手机，经过火车站检票口时，通过太赫兹通信同时实现内容的云同步化，减小智能手机的耗电量。

        上述应用场景的典型需求为：（1）无线通信的物理距离——数厘米（属于临近距离）；（2）无线数据传输速率——4 Gbit/s~数十Gbit/s；（3）无线信号的传播环境——设备之间的临近传输模型（视距无线通信）；（4）所需的BER（误码率）：最高为10-12。

        可见，虽然无线通信距离仅为几厘米的量级，而为了使数据或内容在大约1秒钟的极短时间内进行与云端的同步化，无线数据的传输速率应尽可能的快。于是，除了通信速率外，还有必要研发相关的认证系统以及关联系统，以期缩短建立无线通信链路的时间。

        另外，即使超过100 Gbit/s无线数据传输速率的NFC（近场通信）具备技术上的可行性，仍有必要研究这些应用场景之中配备了相关功能的移动智能终端，能否以其内部存储器件的读/写速度来匹配如此高速的无线数据传输——比如说，目前，全球最快的SSD（固态硬盘）的读/写速率约为500 Mbytes/s（即4 Gbit/s）。

        此外，由于该应用场景的无线信号传播环境将是仅适用于视距通信的设备间临近模型，从而就需要进一步地研究临近设备间的多路径反射是否会对如此高速的无线数据传输产生一定的影响。

        4）潜在典型应用方向之三：数据中心服务器之间的无线通信

        最近，利用了“云”端资源的各项服务得到了快速的发展，从而使得全球范围内，数据中心/云数据中心的建设提速。数据中心/云数据中心拥有部署了存储模块和多交换机的不同服务器的物理机架，业界越来越意识到，服务器之间最好采取采用无线方式进行连接与相互通信。相关应用场景如图4所示。

       

        图4、数据中心服务器之间的太赫兹频段无线通信

        这一应用场景的典型需求为：（1）无线通信的物理距离——数厘米到数米（属于临近距离）。具体地，相关的场景假设为“服务器机架内，纵向排列的服务器之间通信距离为数厘米，而机架的连接间距为数米”；（2）无线数据传输速率——数十Gbit/s~数百Gbit/s；（3）无线信号的传播环境——办公室模型（视距无线通信）与两径模型（非视距无线通信）。具体地，可以假设办公室模型中采用了较低渗透性/较高反射性的建筑材料，而服务器机架被部署于靠近墙面的位置并用太赫兹物理频段无线通信链路取代背板电缆连接，则据可在背板之间采取两径模型；（4）所需的BER（误码率）：最高为10-12。

        5）潜在典型应用方向之四：无线移动回程与无线移动前传

        移动回程链路是移动通信基*与更集中化网元之间的线路连接，而移动前传链路则是移动基*无线设备控制器与远程无线头端（无线单元）之间的线路连接。可以预见的是，在未来，随着小基*的大规模部署、CoMP（协作式多点传输）以及/或者C-RAN（“云”无线接入网络）技术的进一步发展与现网部署，蜂窝移动通信系统对于移动回程链路以及移动前传链路所需的数据传输速率就将会随之提高。在无法部署光纤电缆网络的情况下，利用无线网络来组建这类链路的相关解决方案具有实际部署应用的价值。

        上述应用场景的典型需求为：（1）无线通信的物理距离——500米~1000米；（2）无线数据传输速率——最高可达100 Gbit/s；（3）无线信号的传播环境——室外环境；（4）所需的BER（误码率）：目前尚未得到最终确定。

        该报告紧接着指出，在需要数十Gbit/s无线数据传输速率的情况下，可以把太赫物理频段移动回程/移动前传做为具有吸引力的解决方案。2014年元月，J. Antes博士等人在IEEE 802.15-14-0017-00-0thz工作组的洛杉矶会议上，作了题为“High Data Rate Wireless Communication using a 240 GHz Carrier（基于240 GHz频段载波实现高数据传输速率的无线通信）”的报告，其中介绍了其于1公里的无线链路中实现24 Gbit/s的无线数据传输速率的相关演示系统。

        6）潜在典型应用方向之五：太赫兹频段WLAN（无线局域网络）

        随着无线通信技术的不断发展，无线局域网络在人类生活、生产与工作当中所发挥的作用越来越重要，极大程度地免除了由线缆连接所带来的束缚。如今，同因特网和移动通信网络一样，无线局域网络已经成为了人们进行信息传输的重要手段，并广泛地被用于机场、办公室、餐馆和家庭环境之中。

        如图5所示，太赫兹物理频段的频率要高出微波频段1~4个数量级，且其无线数据传输速率将有望达到10 Gbit/s。考虑到太赫兹频段无线局域网络具备高速、大宽带、结构紧凑/小巧、低辐射损耗以及强大抗干扰能力等特性优势，未来，可将其应用于高质量视频通话、视频会议、真实三维立体游戏等商业及军事用途。

       

        图5、太赫兹频段无线局域网络

        上述应用场景的典型需求为：（1）无线通信的物理距离——数十米（不超过100米）；（2）无线数据传输速率——数Mbit/s~数十Mbit/s；（3）无线信号的传播环境——办公室、机场与宾馆等；（4）所需的BER（误码率）：最高为1×10-6。

        5、总结

        该报告的第6部分“THz related activities within the international standard organization（国际标准组织的太赫兹相关研发活动）”指出：IEEE 802.15于2008年成立了太赫兹IG（兴趣组），重点关注将可在275~3 000GHz频段运行的太赫兹通信与相关网络应用，其中包括：

        组件到组件、控制板到控制板、机器到机器、人到机器和人到人（室内与室外）之间的无线通信。根据相关设想，总体上，太赫兹频段无线通信将采取有限复杂度的无线调制方法、全向天线以及/或者定向天线系统，并以10 Gbit/s的倍数在高至100 Gbit/s的范围内提供极高的无线数据传输速率，以适应未来光纤电缆数据容量的增长。太赫兹频段无线通信系统可支持极短距离（数厘米甚至更短）至较长距离（数百米）的高速数据传输。