6G及太赫兹关键技术

 

 

 

 

 

 

 

目录

6G概念... 2

6G发展趋势... 3

6G关键技术... 5

高安全性，保密性和私密性.... 5

高承受力和完全定制.... 6

能耗低，电池寿命长.... 6

高智能.... 6

与5G相比，带宽极高.... 7

6G一项关键技术——太赫兹到光纤的转换... 7

原理介绍.... 7

技术方案分析——使用超宽带等离子体调制器的无线通信中的太赫兹到光纤的转换.... 7

 

 

 

 

 

6G概念

6G（第六代无线技术）是5G蜂窝技术的后继者。6G网络将能够使用比5G网络更高的频率，并提供更高的容量和更低的延迟。6G网络的目标之一是支持1微秒的延迟通信，这意味着比1毫秒的吞吐量快1000倍(或延迟的千分之一)。

预计6G技术市场将促进图像、在线状态技术和位置感知领域的重大改进。与AI结合使用，6G的计算基础架构将能够自主确定发生计算的最佳位置；这包括有关数据存储，处理和共享的决策。

6G有望支持每秒1 TB（Tbps）的速度。这种级别的容量和延迟将是空前的，它将扩展5G应用的性能，并扩展功能范围，以支持无线认知，感测和成像领域中越来越多的创新应用。6G的更高频率除了提供明显更好的吞吐量外，还将实现更快的采样速率。 亚毫米波（例如，小于一毫米的波长）的组合以及使用频率选择性来确定相对电磁吸收率的组合有望在无线传感解决方案中带来潜在的重大进步。

此外，虽然考虑将移动边缘计算（MEC）作为5G网络的补充，但MEC将内置于所有6G网络中。到部署6G网络时，边缘和核心计算将成为无缝集成的通信/计算基础架构框架的一部分。随着6G技术的投入运营，这将提供许多潜在的优势，包括改善对人工智能（AI）功能的访问。

       预计6G无线传感解决方案将选择性地使用不同的频率来测量吸收并相应地调整频率。这是可能的，因为原子和分子以特征频率发射和吸收电磁辐射，并且任何给定物质的发射和吸收频率都相同。

预计6G通信将在覆盖范围和数据速率方面提供改进的服务，并允许用户在任何地方相互连接。预计6G将采用非常规的通信网络来访问多种类型的数据，并通过传统的改进的射频网络进行传输，从而在虚拟存在和参与任何地方的情况下提供新的通信体验。

预计6G通信将支持五个应用场景：增强型移动宽带Plus（eMBB-Plus），大通信（BigCom），安全的超可靠低延迟通信（SURLLC），三维集成通信（3D-InteCom）和非常规的数据通信（UCDC）。如图1所示。

图 1 6G通信将支持的五个应用场景

 

6G发展趋势

自从日本电报电话公共公司(NTT)在1979年12月发起了世界上第一个蜂窝移动通信服务以来，移动通信技术每十年就发展到新一代系统。随着技术的进步，服务也在不断发展。从第一代(1G)到第二代(2G)，语音通话是主要的通信方式，简单的电子邮件成为可能。然而，从第三代(3G)开始，数据通信(如i-mode)和多媒体信息(如照片、音乐和视频)可以通过移动设备进行通信。从第四代(4G)开始，由于采用了长期演进(Long Term Evolution, LTE)技术，超过100Mbps的高速通信技术使智能手机得到了爆炸性的普及，出现了各种各样的多媒体通信服务。4G技术继续以LTE-Advanced的形式发展，目前已达到接近最高1 Gbps的通信速度。

第五代（5G）通信的标准化已完成，该5G网络应于2020年投入商业化。因此，对6G通信的愿景和规划已开始，旨在为未来的5G通信需求提供通信服务。随着人工智能(Al)和物联网(IoT),以及多媒体通信服务的进一步升级的技术特性,比如高速、高容量、低延迟,巨大的连通性，5G预计将称为未来工业和社会的一个基本的技术。如图2所示，移动通信系统技术上每10年发展一次，而移动通信业务的变化周期约为20年。因此，由5G引发的“第三次浪潮”有望通过5G演进和第六代(6G)技术成为更大的浪潮，并将在21世纪30年代支撑产业和社会。

 

图 2移动通信系统技术发展周期

 

图3显示了过去几代移动通信技术发展到6G。在前几代中，每一代都有一种代表性的技术。然而，自4G以来，基于正交频分复用(OFDM)的无线电接入技术(RAT)已经包含了多种新技术的组合，而在6G中，技术领域被认为变得更加多样化。这是因为基于OFDM的技术已经实现了接近Shannon极限的通信质量，同时，需求和使用场景将在前一代中进一步扩展。

 

图 3 1G到6G移动通信技术发展

 

图4显示了1G到6G通信的详细比较。

 

图 4 1G到6G通信比较

 

后5G时代的通信系统研究必须考虑电路和设备制造能力，6G中需要特别关注的是移动设备和服务类别的电池寿命，而不是数据速率和延迟。2030年代未来网络中将出现许多新通信场景，其中包括空间通信、智能交互、触觉互联网、情感和触觉交流、多感官混合现实、机器间协同、全自动交通等。此外，可以预见的是，将来的无线通信将提供与有线通信相同水平的可靠性。基于区块链技术的网络去中心化被认为是简化网络管理并在6G中提供令人满意的性能的关键。

在与6G有关的所有技术工作中，太赫兹通信、人工智能（AI）和可重新配置的智能表面是最引人注目的想法，它们被视为无线通信中的革命性技术。AI增强的6G被认为能够提供一系列的新特性，例如，自聚合、上下文感知、自配置等。此外，具有AI功能的6G将释放无线电信号的全部潜力，并实现从认知无线电到智能无线电的转变。从算法的角度来看，机器学习对于实现基于AI的6G尤其重要

 

6G关键技术

受香农限制的限制，很难大规模提高6G的频谱效率。相反，新技术应大大增强6G通信的安全性，保密性和隐私性。尽管其他应用场景将变得无处不在并且越来越重要，但传统的移动通信仍将是2030年代6G最重要的应用。因此，6G网络应以人为中心，而不是以机器、应用程序或数据为中心。按照这一原理，高安全性、保密性和私密性应该是6G的关键特征。此外，用户体验将被用作6G通信网络中的关键指标。

高安全性，保密性和私密性

在5G网络中，仍在使用基于RSA公钥密码系统的传统加密算法来提供传输安全性和保密性。在大数据和AI技术的压力下，RSA密码系统已经变得不安全，但是在5G时代，新颖的隐私保护机制还远远不够完善。能源效率，智能性，可负担性和定制性将逐步提高。能源效率的提高将通过能源收集技术和绿色通信的成熟来实现。6G中的智能可分为运营，环境和服务级别，这将受益于AI开发的推动力。

改善通信中的网络吞吐量、可靠性、延迟和服务用户数量的最有效的方法是致密化网络并使用更高的频率来传输信号。物理层安全技术和通过可视光通信(VLC)的量子密钥分发将是解决6G数据安全挑战的解决方案。更先进的量子计算和量子通讯技术也可能被部署来提供对各种网络攻击的严密保护。

高承受力和完全定制

从以人为本的角度来看，技术成功不应直接或间接增加财务负担或剥夺用户的选择权。因此，高承受能力和完全定制化应该是6G通信的两个重要技术指标。

完全定制允许用户选择服务模式并调整个人偏好。例如，某些用户可能希望获得低速但可靠的数据服务；其他人可能会容忍不可靠的数据服务，以换取较低的通信费用；其他人可能仍然只关心其设备的能耗；由于担心数据安全性和隐私性，有些人甚至可能希望摆脱智能功能。将授予所有用户选择6G中他们喜欢的内容的权利，并且不应因智能技术或不必要的系统配置而减少这些权利。因此，6G通信系统的性能分析也应将多个性能指标整合为一个整体，而不是独立对待它们。用户体验将被明确定义并作为6G时代性能评估的关键指标。

能耗低，电池寿命长

4G / LTE网络中智能手机和平板电脑的每日充电需求将继续。为了克服大多数通信设备的日常充电限制并促进通信服务，低能耗和长电池寿命是6G通信的两个研究重点。

为了降低能耗，可以将用户设备的计算任务卸载到具有可靠电源或普及的智能无线电空间的智能基站。协作中继通信和网络的致密化也将有助于减少移动设备的发射功率通过降低每跳信号传播距离。为了获得较长的电池寿命，将在6G中应用各种能量收集方法，不仅可以从周围的射频信号中收集能量，而且还可以从微振动和太阳光中收集能量。远程无线充电也将是延长电池寿命的一种有前途的方法

高智能

6G的高智能将有利于网络运营、无线传播环境和通信服务，分别指运营智能、环境智能和服务智能。

常规的网络操作涉及许多受一系列复杂约束的多目标性能优化问题。需要以适当的方式布置包括通信设备，频带，传输功率等在内的资源，以实现令人满意的网络操作水平。此外，这些多目标性能优化问题通常很难解决，并且难以实时获得最优解决方案。随着机器学习技术（尤其是深度学习）的发展，配备有图形处理单元的基站或核心网络的控制中心可以执行相关的学习算法，以高效地分配资源，以达到接近最佳的性能。

与5G相比，带宽极高

定义在0.1 THz到10 THz之间的太赫兹波段被称为微波和光学光谱之间的间隙带，但是太赫兹电子、光子和混合电子-光子方法现在已经发展了。因此，混合太赫兹/自由空间光学系统预计将使用混合电子-光子收发器在6G中实现，其中光学激光可用于产生太赫兹信号或发送光学信号。

 

6G一项关键技术——太赫兹到光纤的转换

原理介绍

未来的无线数据网络将必须达到更高的传输速率和更短的延迟，同时还要提供越来越多的终端设备。为此，将需要由许多小型无线电小区组成的网络结构。为了连接这些电池，将需要高达太赫兹范围的高频高性能传输线。此外，如果可能的话，必须确保与玻璃纤维网络的无缝连接。

太赫兹波是指频谱在0.1～10 THz之间的电磁波，波长为30至3000微米。频谱介于微波与远红外光之间，在其低波段与毫米波相邻，而在其高波段与红外光相邻，位于宏观电子学与微观光子学的过渡区域。太赫兹作为一个介于微波与光波之间的全新频段尚未被完全开发，太赫兹通信具有频谱资源丰富、传输速率高等优势，是未来移动通信中极具优势的宽带无线接入（Tb/s级通信）技术。正是因为其特殊性，让其具有频率高、脉冲短、穿透性强，且能量很小，对物质与人体的破坏较小等特质。

 

 

太赫兹波以其独有的特性，使太赫兹通信比微波和无线光通信拥有许多优势，决定了太赫兹波在高速短距离宽带无线通信、宽带无线安全接入、空间通信等方面均有广阔的应用前景，但同时面临着多方面的挑战。

为了使6G无线成为现实，它必须克服一些技术障碍，例如将太赫兹频谱连接到硬光传输线。

到目前为止，技术发展的一个漏洞一直存在于太赫兹频谱和硬光传输线之间的接口上。如何将太赫兹（THz）（基本上是微波和红外线之间的空中频谱）连接到长距离数据发送所需的传输线上？一方面，地球的曲率会限制视线，因此距离必须硬接线。短距离也可能受到环境障碍的阻碍：随着波长的变短，光谱越高，被物体（甚至是雨或雾）的阻挡就越明显。

 

技术方案分析——使用超宽带等离子体调制器的无线通信中的太赫兹到光纤的转换

未来的无线通信网络必须处理每条链路上几十甚至几百个Gbit/s的数据速率，这就需要在未分配的太赫兹(THz)频谱上使用载波频率。在这种情况下，无缝集成THz链路到现有的光纤基础设施是非常重要的，以补充固有的可移植性和灵活性优势的无线网络的可靠和几乎无限的能力，光传输系统。在技术层面上，这需要新的设备和信号处理概念来直接转换数据流。

无缝集成到光网络的无线链路，通过在THz Rx上的直接T/ O转换补充了在THz Tx上的直接O/ T转换。该无线链路以0.2885 THz的载波频率运行，最大线路速率为50 Gbit/s，桥接距离为16米。THz信号是由UTC光电二极管中的O/T转换产生的。在接收端，利用超宽带POH调制器将太赫兹信号转换为光域。该概念依赖于通过广泛部署的光纤网络基础设施，将分布式THz收发器(TRx)前端连接到强大的中央数字信号处理(DSP)站点，这些网络基础设施利用光载波来有效地远距离传输数据信号。该结构依赖于TRx前端的直接O/T和T/O转换，这是实现光纤与THz天线有效接口的关键。模拟光信号和THz波形之间的直接转换大大降低了天线位置的复杂性，提高了对大量地理分布的高性能THz链路或蜂窝网络的可伸缩性。类似地，将计算昂贵的基带(BB)信号的数字处理转移到大型数据中心等集中地的概念提供了前所未有的网络可伸缩性、关键资源的灵活和高效共享以及改进的网络弹性。短距离THz链路与长程光纤网络的无缝结合，可能是克服无线通信基础设施容量瓶颈的关键一步。

下图显示了THz无线链路通过直接光到THz (O/T)和THz到光(O/T)转换无缝集成到光纤基础设施中。

图 5 THz无线链路通过直接光到THz (O/T)和THz到光(O/T)转换无缝集成到光纤基础设施

 

图1a所示的结构依赖于THz发射机(Tx)和接收机(Rx)前端，允许光和THz信号之间的直接转换。基本概念如图1b和c所示。在DSP站点产生数据信号的模拟基带波形后，通过光学发射机(Opt. Tx)将其调制到频率为f0的光载体上，然后通过光纤网络发送到THz Tx。在THz Tx，见图1b，然后用连续波(CW)本振(LO) 通过UTC光电二极管在fTx,LO频率上进行掩模，将光信号转换为THz波形，见图1b。然后，以差频为中心的THz数据信号通过天线传输到自由空间。图1c，在T/O转换器上，THz数据信号由另一天线接收并馈送至THz放大器。为了转换成光载波，放大后的信号被耦合到POH马赫-曾德尔调制器(MZM)，该调制器由频率为fRx,LO的光载体提供。该MZM产生一个上和一个下调制边带使用光带通滤波器(BPF)抑制载波并选择其中一个边带，如图1c所示。该方案允许在大范围的THz频率范围内进行操作，并且在将数据编码到光学载波之前不需要进行任何下变频转换到中频，从而大大降低了THz前端的复杂性。经过T/O转换后，模拟信号通过光纤网络返回到集中的DSP站点上的光接收器(Opt. Rx)。

图1c所示的方案主要依靠超宽带电光调制器，提供延伸到THz频谱的调制带宽。图1d用伪色扫描电子显微镜(SEM)观察了制备的POH MZM。光通过片上光栅耦合器(未显示)耦合到硅光子(SiP)芯片上，并以准横向电(准-TE)模式在硅条形波导(蓝色)中传播。多模干涉(MMI)耦合器将光从输入波导中分离出来，并将其发射到一个不平衡的MZM的两个臂中。在MZM的另一端有一个MMI耦合器，它将调制后的信号组合成一个输出波导，并与另一个光栅耦合器相连。MZM的每条臂都包含一个POH相位调制器部分，在金电极(黄色)之间有一个窄的金属槽(宽度w=75 nm)，如图1e所示。在每个臂上使用一对锥形的硅波导将硅带波导的光子模式转换为金属槽波导中的表面等离子激元(SPP)模式，反之亦然，见图1e插图。槽内填满了有机EO材料SEO100。应用于电浆子MZM的地-地(GSG)接点的THz信号会在两个臂的槽中产生THz电场，从而产生光学相移。从图1f和图g可以看出，准-TE光场和THz电场都紧紧地束缚在电浆子缝隙波导中，使得二者具有很强的重叠性和较高的调制效率。MZM被配置成在推拉模式下工作，在每只手臂上的相移大小相等，但符号相反。这是通过适当选择EO材料的极化方向来实现的，该极化方向与两个槽波导内的THz场调制有关。