趙先明：亞太赫茲通信將在6G時(shí)代發(fā)揮舉足輕重的作用

4月17日消息 在昨日開幕的2024全球6G技術(shù)大會(huì)上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)未來(lái)信息技術(shù)研究院院長(zhǎng)趙先明教授發(fā)表主題演講，探討了亞太赫茲通信技術(shù)的研究進(jìn)展。

亞太赫茲通信目前主要在學(xué)術(shù)界展開研究，產(chǎn)業(yè)界較少提及。趙先明指出，基于D波段（110GHz~170GHz）的亞太赫茲通信技術(shù)，不僅具備超寬帶的優(yōu)勢(shì)，還表現(xiàn)出較強(qiáng)的大氣穿透性，非常適合地基、空基和天基網(wǎng)絡(luò)之間的長(zhǎng)距離鏈路的全天候通信，在未來(lái)的6G大容量長(zhǎng)距離通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。

“相較于激光通信與微波通信，D波段毫米波通信具有波束適中，易于校準(zhǔn)；帶寬大，傳輸容量大；設(shè)備小巧，便于集成等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)大容量、長(zhǎng)距離亞太赫茲通信的有效方案。”趙先明表示。

在亞太赫茲通信的諸多研究成果中，目前僅有哈工大和復(fù)旦大學(xué)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離和超高頻段的D波段毫米波傳輸。趙先明介紹，高路徑損耗和嚴(yán)重的非線性畸變是限制傳輸速率與距離進(jìn)一步提升的主要因素。為此，哈工大在MIMO空間分集接收與各類高效的非線性補(bǔ)償算法上進(jìn)行了深入研究。

難題一：提升傳輸距離

提升亞太赫茲傳輸距離的方法有兩種：首先可以降低調(diào)制格式，提升接收機(jī)靈敏度，從而提高傳輸距離，但此方法會(huì)降低傳輸容量；其次，可以在發(fā)射端使用高增益的功率放大器，提高發(fā)射功率，提升傳輸距離，但超高頻段的功放十分昂貴，導(dǎo)致商用成本大幅增加。

哈工大重點(diǎn)研究基于高增益天線和外差相干探測(cè)的MIMO分集增益算法。趙先明介紹，其一，采用MIMO技術(shù)，在發(fā)送端與接收端布置天線陣列，提高系統(tǒng)的空時(shí)分集復(fù)用能力。其二，可以與光偏振復(fù)用和天線極化復(fù)用結(jié)合實(shí)現(xiàn)多維復(fù)用，提高資源利用率。此外，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)線通信，可以在MIMO的多條鏈路中傳輸同一符號(hào)，在接收端合并。

比較三種合并方式后，可以看到最大比合并算法可以獲得最高增益。經(jīng)過公式推導(dǎo)，在2x2 MIMO系統(tǒng)中，最大比合并可以獲得最高9dB的信噪比。

上述理論在哈工大的實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。在W波段2X2MIMO光纖-無(wú)線融合毫米波相干傳輸系統(tǒng)中，與單發(fā)單收系統(tǒng)相比，哈工大實(shí)現(xiàn)了7.1dB的信噪比增益，誤碼率提升了一個(gè)量級(jí)。趙先明指出，這為遠(yuǎn)距離光載無(wú)線通信奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

趙先明介紹，哈工大進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了極化復(fù)用與MIMO技術(shù)結(jié)合后的多維復(fù)用方案的有效性，結(jié)合高增益天線、透鏡與相干接收系統(tǒng)，在D波段創(chuàng)造出4.6km遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的最高速率傳輸記錄，速率高達(dá)200Gbps。

難題2：抑制非線性效應(yīng)

在大容量長(zhǎng)距離亞太赫茲通信系統(tǒng)中，除了長(zhǎng)距離傳輸造成的功率損耗，還會(huì)受到諸多非線性效應(yīng)的影響，包括光電探測(cè)器的飽和效應(yīng)、光纖非線性以及光、電放大器的非線性等。

趙先明認(rèn)為，高效率的DSP對(duì)于大容量長(zhǎng)距離亞太赫茲通信系統(tǒng)至關(guān)重要，可以有效地減輕或補(bǔ)償由于組件和傳輸鏈路不完善而造成的各種線性和非線性損傷，從而顯著提高系統(tǒng)性能。在演講中，他介紹了五種方法抑制亞太赫茲通信系統(tǒng)的非線性效應(yīng)。

其一，在發(fā)送端，可以采用概率整形技術(shù)可以調(diào)整星座點(diǎn)上的概率分布，降低外圈的星座點(diǎn)分布概率。通過這種概率優(yōu)化來(lái)匹配任何給定的信道條件，在一定傳輸距離下增加容量或延長(zhǎng)傳輸距離。

其二，在接收端，針對(duì)帶寬受限信號(hào)的非線性損傷恢復(fù)，可以采用數(shù)字預(yù)均衡方案，從而提升通信質(zhì)量，提升接收機(jī)靈敏度。

其三，采用LUT（查找表）預(yù)失真技術(shù)對(duì)功率飽和導(dǎo)致的星座點(diǎn)畸變以及傳輸中的非線性噪聲進(jìn)行補(bǔ)償，特別是對(duì)于有限狀態(tài)的高電平QAM信號(hào)。

其四，采用多種補(bǔ)償頻、相偏算法克服非線性。

其五，采用DD-LMS算法改善帶寬不足導(dǎo)致的濾波效應(yīng)，同時(shí)有效克服相位噪聲，提高接收機(jī)靈敏度。

趙先明介紹，除了上述五種傳統(tǒng)的非線性補(bǔ)償算法，Delta-Sigma調(diào)制（DSM）與數(shù)?；旌?光載無(wú)線（DA-RoF)等技術(shù)的廣泛研究，也較好地克服了大容量長(zhǎng)距離亞太赫茲通信系統(tǒng)中的諸多非線性效應(yīng)，為大容量長(zhǎng)距離通信提供了保障。目前，哈工大均進(jìn)行了針對(duì)性研究，并取得了良好的進(jìn)展。

進(jìn)一步擴(kuò)展傳輸容量

在上述研究的基礎(chǔ)上，哈工大思考如何進(jìn)一步擴(kuò)展亞太赫茲通信系統(tǒng)的傳輸容量。

一是MIMO多天線的擴(kuò)容技術(shù)。在多天線傳輸方案中，多個(gè)天線之間往往會(huì)發(fā)生串?dāng)_，影響信號(hào)的接收。如果一對(duì)收發(fā)天線工作在水平極化，另一對(duì)天線工作在垂直極化，則可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的物理信道，兩路傳輸信號(hào)之間不會(huì)發(fā)生串?dāng)_。

基于這種天線極化復(fù)用技術(shù)，哈工大可以實(shí)現(xiàn)兩路毫米波信號(hào)的無(wú)串?dāng)_傳輸，構(gòu)建雙偏振光到雙極化毫米波的傳輸鏈路，實(shí)現(xiàn)有線光纖鏈路與無(wú)線毫米波鏈路傳輸?shù)臒o(wú)縫融合。

基于天線極化復(fù)用技術(shù)，哈工大搭建了雙極化強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)毫米波信號(hào)的傳輸鏈路。同時(shí)，考慮到飽和效應(yīng)的影響，傳輸采用了單個(gè)功放（PA）的傳輸架構(gòu)。通過結(jié)合光子輔助技術(shù)與天線極化復(fù)用技術(shù)，演示系統(tǒng)的線速率達(dá)到了32Gbit/s，這應(yīng)該是目前強(qiáng)度調(diào)制毫米波公里級(jí)無(wú)線傳輸?shù)淖罡咚俾省?/p>

通過采用天線極化復(fù)用技術(shù)，哈工大還搭建了2x2 MIMO架構(gòu)的無(wú)線傳輸，測(cè)試實(shí)驗(yàn)顯示，雙極化傳輸系統(tǒng)的最大線速率達(dá)到了（25x4x2=200Gbit/s），這是目前D波段長(zhǎng)距離傳輸?shù)淖罡哂涗洝?/p>

基于上述研究成果，趙先明認(rèn)為，得益于亞太赫茲信號(hào)自身的大帶寬和低大氣衰減的優(yōu)良特性，以及各類高效的非線性補(bǔ)償算法與空間分集增益算法的不斷成熟，大容量長(zhǎng)距離亞太赫茲通信將在6G時(shí)代發(fā)揮舉足輕重的作用。

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