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一文读懂刚刚突破的6G新技术

来源: 发布时间:2023-04-26 22154 次浏览

本周,国内6G技术有了重大突破。

4月20日,中国航天科工二院二十五所称,完成国内太赫兹(THz)轨道角动量的实时无线传输通信实验,可用于支持6G通信。该技术利用高精度螺旋相位板天线在110GHz频段实现4种不同波束模态,通过4模态合成在10GHz的传输带宽上完成100Gbps无线实时传输,更大限度提升了带宽利用率,为我国6G通信技术发展提供重要保障和支撑。


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图源 | 环球时报

记者此前曾分析过5G技术。就目前来说,5G对于工控、安防以及自动驾驶领域产生了重大影响,也间接的提升了人们的生活质量。此外,由于包括华为在内的中国5G基站产品受到美国的技术封锁,很多人都在密切关注下一代通信技术的研发。

技术突破后,6G就要来了吗?别急着聊6G何时应用,今天我们先看看新技术。


什么是6G?

6G同5G一样,本质上是第六代蜂窝数据网络无线通信技术的简称,6G即5G的继任者。就像5G之于4G,6G的通信速度会更快,延时更低。由此带来的技术变革对中国影响颇深,其中最关键的参数变化就是6G的传输能力相比5G能提升100倍,网络延时也从毫秒级降到微秒级。不吹牛的说,若6G技术真的能像设想的这样,它将会颠覆我们对于“上网”这个概念的认知。

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图源 | 51CTO


比如说,在5G刚刚提出的时候,该技术被认为能够大规模提升工业智能化水平,加速数字化转型、促进新消费模式等,这些改变确实是已经发生的。例如大规模厂房里的独立5G组网,极大的提升了物流的效率和安全性;应用5G网络的自动驾驶汽车,已经能实时接入城市NOA,在部分道路上实现了真实的无人驾驶;流媒体上,5G早已实现8K实时转播。

当初5G画的饼,是真真实实的实现了的,6G呢?

“如果用一句话来形容,6G将改变世界。” 中国工程院院士、复旦大学大数据研究院院长邬江兴曾在乌镇大会上这样说。“(6G带来的)改变是建设性、包容性的改变,是用科技创新的力量,弥合数字鸿沟、连接信息孤岛、兼顾各方诉求、以智慧化赋能可持续发展。”

总的来说,6G真正能实现“万物智联、数字孪生、智慧涌现、健康有序”的美好愿景。不过当时的大会上,关于何时能做到突破6G关键技术,专家们还没能达成一致。彼时6G技术发展面临的核心就是解决“太赫兹波”传播的问题。

什么是太赫兹波?

太赫兹波,又称太赫辐射,是6G通信网络主要使用的通信波段,包含了频率为0.3到3 THz的电磁波。此频段属远红外光,高于微波波段的频率,对应的波长范围从1mm到0.1mm(或100μm),所以也叫作“亚毫米波段”。


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图源 | 知乎

在2012年5月,日本东京工业大学的研究团队使用T-射线的无线数据传输创下新的纪录,并建议在未来以此做为数据传输的频率。2022年1月,中国紫金山实验室在太赫兹频段的实验室环境中实现了每秒206.25 Gbit/s数据速率的世界纪录。同年2月,中国研究人员又使用涡旋毫米波(Vortex millimetre waves)实现了在1公里的距离内1秒传输1 TB的数据。

然而,我们曾在中学物理学到,波长越短的波,能量越高,但穿透力越弱(不易发生衍射)。太赫兹波拥有更高的能量密度和信息承载力,但相比5G和Wi-Fi中使用的微波(约2-30GHz)更难绕过障碍物,同理5G也比1G、2G、3G和4G中使用的波段更难绕障。更关键的一点是,太赫兹级别的频率已经接近分子转动能级的光谱,很容易被空气中的水分子吸收掉,所以在空间中传播距离远小于5G电磁波,这就需要更多6G基站来维持通信。这时又面临一个问题,基站越来越多,频谱不够用怎么办?因此,应该如何利用有限的频谱成为6G技术突破的关键。

但是,中国6G啪一下就突破了,很快啊!在太赫兹的发射与传播难题上,中国团队再次引领全世界技术进步。

轨道角动量是什么意思?

这里要再重复一下这个技术的名字,太赫兹轨道角动量的实时无线传输通信。明明每个字都认识,怎么组合在一起就看不懂了呢?

经过1G到5G的迭代发展,我们已经充分利用时域、频域、码域等多维度来提升传播效率。专家针对电磁波的传播原理入手,于是轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)通信技术被提了出来。


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图源 | 通信学报《轨道角动量通信技术的研究》论文

由于5G电磁波的传播范围较短,因此需要更大功率的信号发射装置。5G基站应用了相控阵技术,通过调整不同天线发射的电磁波参数,让不同波形相互干涉制造能量更大的波峰,以此提升信号传播范围。6G新技术也利用了电磁波相互干涉的原理,只不过这次的目的主要是复用空间,而不是加强传播距离。

这里放一段《涡旋电磁波轨道角动量传输技术》(《邮电设计技术》2022年1月13日 谢翔东,何耀宇,张超)论文中关于轨道角动量(OAM)的解释:OAM是电磁波的固有物理属性,OAM的物理量纲(ML2T-1)和电场强度的物理量纲(MLT-3I-1)线性无关(其中M为质量,L为长度,T为温度,I为电流),所以彼此独立。经典电动力学和量子电动力学(QED)理论均指出,电磁波角动量包括自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。自旋角动量表征了电磁波极化,OAM则表征了电磁波的波包在空间中的旋转特性。具有OAM的电磁波又被称为涡旋电磁波,携带不同OAM模态的涡旋电磁波具备正交特性,利用该特性进行无线传输可以极大地提升频谱效率和传输容量。

好了,我们直接跳过这段,来简单理解一下。

轨道角动量通信技术是一种基于电磁波自旋角动量和轨道角动量的新型通信技术。电磁辐射既携带线动量也携带角动量,可以理解为在往前走的时候还自转,轨道角动量即电磁波“自转”的动量。携带有轨道角动量的电磁波也被称为涡旋电磁波。因此,在正常的电磁波中添加相位旋转因子,电磁波就不再是平面结构,而是绕着波束传播方向旋转,呈现出一种螺旋的相位结构。涡旋波每绕传输轴旋转一圈,相位波就前进。

由于不同模态的波彼此正交,通过改变波段间相互干涉参数,就可以制造出不同的螺旋状波阵面,因此就可以在不依赖于如时间和频率等传统资源的情况下发送多个同轴数据流,提供了更多无线传输的复用维度,从而提升频谱效率,频谱利用率可提升两倍以上。


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图源 | 邮电设计技术《涡旋电磁波轨道角动量传输技术》论文

总结

太赫兹轨道角动量的实时无线传输通信实验的完成,很大程度上缓解了太赫兹波段频谱资源不足的问题,为6G通信的发展提供新的技术支持。不过该技术还需要解决信道建模、信号检测、多天线设计等多个方面的问题,是一项具有前沿性、难度大、应用广泛的技术。

目前该技术还处于初期实验阶段,此外OAM量子发射器与传感器还存在价格较高,体积较大的问题,因此6G在商业化的道路上还有更多挑战等待着解决。