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科研进展

2021年12月20日
中国科大提出拍赫兹通信新框架,助力6G移动通信

12月17日,中国科学技术大学徐正元教授联合其博士后研究员刘伟杰博士和清华大学王昭诚教授以及英国南开普敦大学Lajos Hanzo教授,在国际学术期刊《数字通信与网络(英文)》(Digital Communications and Networks)上发表了“拍赫兹通信:用于无线通信的光谱融合”(“Petahertz communication: harmonizing optical spectra for wireless communications”)的研究成果,为第六代(6G)移动通信提供了新思路。

目前,第五代(5G)移动通信已进入商用化部署,各国纷纷瞄准未来6G移动通信展开研究工作,力图抢占技术快车道。为了实现全频谱和空间全覆盖的终极目标,有必要梳理人类所有可用的无线通信频段,在排除具有强辐射且对人体有害的X光波段以及太赫兹(Terahertz)频段之后,拍赫兹(Petahertz)频段成为仅剩的可用通信频谱资源。

图1拍赫兹频谱及其相邻的太赫兹和X光谱

近年来,针对特定应用场景,学术界和产业界曾尝试以多种光波作为信息载体的无线光通信(OWC)技术,包括基于照明LED的可见光通信(VLC)、室内红外光通信(IRC)、车载紫外光通信(UVC)、空间激光通信(FSOC)、光保真(LiFi)、水下蓝绿光通信等。上述技术仅使用拍赫兹频段内的碎片化频谱,严重制约了通信网络全局资源优化性能,也不能很好地适应多种应用环境和不同类型终端,甚至无法满足用户特殊的信息安全和抗干扰要求,比如VLC往往还要借助于IRC或WiFi技术来实现网络双向通信和区域覆盖功能,不可避免带来信息泄露和视觉干扰。

拍赫兹通信拥有超大带宽和超高空间分辨能力,能兼容匹配多种形态的新型移动终端和空-天-地-海的全空间应用场景,比如室内超大带宽互联、高精度定位、大规模工业机器通信、车联网、水下物联网、空间互联网等等,满足人-机-物互通互联。

图2全空间拍赫兹通信场景

论文首次提出了拍赫兹通信新体系框架,突破了传统肉眼视觉的光谱分段方法,有机融合红外光、可见光和紫外光多段频谱,实现拍赫兹全频段的有效开发利用。通过频谱感知智能选择波长与空间通道,揭示了全频段信号传输特性和环境噪声影响,展现了拍赫兹通信在室内、室外和水下等全空间场景下的通信距离和数据速率性能极限,比如室内速率高达几十太比特每秒(Tbps)、水下距离远至500米,并挖掘了拍赫兹载波潜在的偏振和角动量维度特征以用于信号调制与复用,能实现通信链路和网络的灵活智能配置,服务于全息通信等新型高速业务与应用。

图3拍赫兹通信在典型场景下的通信速率与距离性能

(A:室内多种发射功率和光束角下的性能,B:水下三种类型水体和四种波长下的性能)

作为2010年IEEE通信学会无线光通信国际研讨会的创始主席和国家重点基础研究发展计划(973)首席科学家,徐正元教授自2014年起逐年入选爱思唯尔中国高被引学者榜单,带领团队在无线光通信研究方面已取得了一系列科研成果,包括作为第一作者或者共同作者出版的三部专著:《水下无线光通信》(人民邮电出版社,2021),《室外可见光通信与智能交通》(人民邮电出版社,2019),以及《Visible Light Communications: Modulation and Signal Processing》(Wiley-IEEE Press, 2017),其中中文专著入选国之重器出版工程,英文专著入选IEEE数字和移动通信系列丛书,部分成果还入选了科技部编著的《中国基础研究发展报告》 (科学出版社,2019),为拍赫兹通信的研究工作奠定了良好基础。

《数字通信与网络(英文)》是国内主办的英文开源季刊,自2014年创刊起,对标信息与通信工程学科的国际一流期刊,由中国工程院前院长和国家信息化专家组咨询委员会委员邬贺铨院士出任荣誉编辑,编委会成员有一半以上是海外通信领域知名专家,其中绝大部分是IEEE Fellow。该期刊被列为SCI数据库收录Q1区,每年出版四期,每期出版论文数量控制在十五篇左右,2021年入选中国通信学会T1级期刊。

中国科学技术大学徐正元教授为论文第一作者,清华大学王昭诚教授为论文通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金委重点项目(61631018)、中科院前沿科学重点项目(QYZDY-SSW-JSC003)和先导专项(XDA22000000)支持。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.dcan.2021.08.001


(信息科学技术学院、科研部)

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