趙先明：亞太赫茲通信將在6G時代發(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)大會上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)未來信息技術(shù)研究院院長趙先明教授發(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，還表現(xiàn)出較強的大氣穿透性，非常適合地基、空基和天基網(wǎng)絡(luò)之間的長距離鏈路的全天候通信，在未來的6G大容量長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，是實現(xiàn)大容量、長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)能夠同時實現(xiàn)超大容量、超長距離和超高頻段的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，提升接收機靈敏度，從而提高傳輸距離，但此方法會降低傳輸容量；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。

哈工大重點研究基于高增益天線和外差相干探測的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)合實現(xiàn)多維復(fù)用，提高資源利用率。此外，為了進(jìn)一步實現(xiàn)長距離無線通信，可以在MIMO的多條鏈路中傳輸同一符號，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驗中得到了驗證。在W波段2X2MIMO光纖-無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，哈工大實現(xiàn)了7.1dB的信噪比增益，誤碼率提升了一個量級。趙先明指出，這為遠(yuǎn)距離光載無線通信奠定了扎實基礎(chǔ)。

趙先明介紹，哈工大進(jìn)一步實驗驗證了極化復(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)

在大容量長距離亞太赫茲通信系統(tǒng)中，除了長距離傳輸造成的功率損耗，還會受到諸多非線性效應(yīng)的影響，包括光電探測器的飽和效應(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對于大容量長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)整星座點上的概率分布，降低外圈的星座點分布概率。通過這種概率優(yōu)化來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傳輸距離。

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

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

其四，采用多種補償頻、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)，同時有效克服相位噪聲，提高接收機靈敏度。

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

進(jìn)一步擴展傳輸容量

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

一是MIMO多天線的擴容技術(shù)。在多天線傳輸方案中，多個天線之間往往會發(fā)生串?dāng)_，影響信號的接收。如果一對收發(fā)天線工作在水平極化，另一對天線工作在垂直極化，則可以實現(xiàn)兩個獨立的物理信道，兩路傳輸信號之間不會發(fā)生串?dāng)_。

基于這種天線極化復(fù)用技術(shù)，哈工大可以實現(xiàn)兩路毫米波信號的無串?dāng)_傳輸，構(gòu)建雙偏振光到雙極化毫米波的傳輸鏈路，實現(xiàn)有線光纖鏈路與無線毫米波鏈路傳輸?shù)臒o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度調(diào)制直接檢測毫米波信號的傳輸鏈路。同時，考慮到飽和效應(yīng)的影響，傳輸采用了單個功放（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)該是目前強度調(diào)制毫米波公里級無線傳輸?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)的無線傳輸，測試實驗顯示，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償算法與空間分集增益算法的不斷成熟，大容量長距離亞太赫茲通信將在6G時代發(fā)揮舉足輕重的作用。

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