赵先明：亚太赫兹通信将在6G时代发挥举足轻重的作用
C114讯 4月17日消息（南山）在昨日开幕的2024全球6G技术大会上，哈尔滨工业大学未来信息技术研究院院长赵先明教授发表主题演讲，探讨了亚太赫兹通信技术的研究进展。
亚太赫兹通信目前主要在学术界展开研究，产业界较少提及。赵先明指出，基于D波段（110GHz~170GHz）的亚太赫兹通信技术，不仅具备超宽带的优势，还表现出较强的大气穿透性，非常适合地基、空基和天基网络之间的长距离链路的全天候通信，在未来的6G大容量长距离通信中具有广阔的应用前景。
“相较于激光通信与微波通信，D波段毫米波通信具有波束适中，易于校准；带宽大，传输容量大；设备小巧，便于集成等优点，是实现大容量、长距离亚太赫兹通信的有效方案。”赵先明表示。
在亚太赫兹通信的诸多研究成果中，目前仅有哈工大和复旦大学联合课题组能够同时实现超大容量、超长距离和超高频段的D波段毫米波传输。赵先明介绍，高路径损耗和严重的非线性畸变是限制传输速率与距离进一步提升的主要因素。为此，课题组在MIMO空间分集接收与各类高效的非线性补偿算法上进行了深入研究。
难题一：提升传输距离
提升亚太赫兹传输距离的方法有两种：首先可以降低调制格式，提升接收机灵敏度，从而提高传输距离，但此方法会降低传输容量；其次，可以在发射端使用高增益的功率放大器，提高发射功率，提升传输距离，但超高频段的功放十分昂贵，导致商用成本大幅增加。
课题组重点研究基于高增益天线和外差相干探测的MIMO分集增益算法。赵先明介绍，其一，采用MIMO技术，在发送端与接收端布置天线阵列，提高系统的空时分集复用能力。其二，可以与光偏振复用和天线极化复用结合实现多维复用，提高资源利用率。此外，为了进一步实现长距离无线通信，可以在MIMO的多条链路中传输同一符号，在接收端合并。
比较三种合并方式后，可以看到最大比合并算法可以获得最高增益。经过公式推导，在2x2 MIMO系统中，最大比合并可以获得最高9dB的信噪比。
上述理论在课题组的实验中得到了验证。在W波段2X2MIMO光纤-无线融合毫米波相干传输系统中，与单发单收系统相比，课题组实现了7.1dB的信噪比增益，误码率提升了一个量级。赵先明指出，这为远距离光载无线通信奠定了扎实基础。
赵先明介绍，课题组进一步实验验证了极化复用与MIMO技术结合后的多维复用方案的有效性，结合高增益天线、透镜与相干接收系统，在D波段创造出4.6km远距离无线通信的最高速率传输记录，速率高达200Gbps。
难题2：抑制非线性效应
在大容量长距离亚太赫兹通信系统中，除了长距离传输造成的功率损耗，还会受到诸多非线性效应的影响，包括光电探测器的饱和效应、光纤非线性以及光、电放大器的非线性等。
赵先明认为，高效率的DSP对于大容量长距离亚太赫兹通信系统至关重要，可以有效地减轻或补偿由于组件和传输链路不完善而造成的各种线性和非线性损伤，从而显著提高系统性能。在演讲中，他介绍了五种方法抑制亚太赫兹通信系统的非线性效应。
其一，在发送端，可以采用概率整形技术可以调整星座点上的概率分布，降低外圈的星座点分布概率。通过这种概率优化来匹配任何给定的信道条件，在一定传输距离下增加容量或延长传输距离。
其二，在接收端，针对带宽受限信号的非线性损伤恢复，可以采用数字预均衡方案，从而提升通信质量，提升接收机灵敏度。
其三，采用LUT（查找表）预失真技术对功率饱和导致的星座点畸变以及传输中的非线性噪声进行补偿，特别是对于有限状态的高电平QAM信号。
其四，采用多种补偿频、相偏算法克服非线性。
其五，采用DD-LMS算法改善带宽不足导致的滤波效应，同时有效克服相位噪声，提高接收机灵敏度。
赵先明介绍，除了上述五种传统的非线性补偿算法，Delta-Sigma调制（DSM）与数模混合-光载无线（DA-RoF)等技术的广泛研究，也较好地克服了大容量长距离亚太赫兹通信系统中的诸多非线性效应，为大容量长距离通信提供了保障。目前，课题组均进行了针对性研究，并取得了良好的进展。
进一步扩展传输容量
在上述研究的基础上，课题组思考如何进一步扩展亚太赫兹通信系统的传输容量。
一是MIMO多天线的扩容技术。在多天线传输方案中，多个天线之间往往会发生串扰，影响信号的接收。如果一对收发天线工作在水平极化，另一对天线工作在垂直极化，则可以实现两个独立的物理信道，两路传输信号之间不会发生串扰。
基于这种天线极化复用技术，课题组可以实现两路毫米波信号的无串扰传输，构建双偏振光到双极化毫米波的传输链路，实现有线光纤链路与无线毫米波链路传输的无缝融合。
基于天线极化复用技术，课题组搭建了双极化强度调制直接检测毫米波信号的传输链路。同时，考虑到饱和效应的影响，传输采用了单个功放（PA）的传输架构。通过结合光子辅助技术与天线极化复用技术，演示系统的线速率达到了32Gbit/s，这应该是目前强度调制毫米波公里级无线传输的最高速率。
通过采用天线极化复用技术，课题组还搭建了2x2 MIMO架构的无线传输，测试实验显示，双极化传输系统的最大线速率达到了（25x4x2=200Gbit/s），这是目前D波段长距离传输的最高记录。
基于上述研究成果，赵先明认为，得益于亚太赫兹信号自身的大带宽和低大气衰减的优良特性，以及各类高效的非线性补偿算法与空间分集增益算法的不断成熟，大容量长距离亚太赫兹通信将在6G时代发挥举足轻重的作用。
