4306
本周，國(guó)內(nèi)6G技術(shù)有了重大突破。
4月20日，中國(guó)航天科工二院二十五所稱，完成國(guó)內(nèi)首次太赫茲（THz）軌道角動(dòng)量的實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸通信實(shí)驗(yàn)，可用于支持6G通信。該技術(shù)利用高精度螺旋相位板天線在110GHz頻段實(shí)現(xiàn)4種不同波束模態(tài)，通過(guò)4模態(tài)合成在10GHz的傳輸帶寬上完成100Gbps無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸，最大限度提升了帶寬利用率，為我國(guó)6G通信技術(shù)發(fā)展提供重要保障和支撐。
圖源：環(huán)球時(shí)報(bào)
記者此前曾分析過(guò)5G技術(shù)。就目前來(lái)說(shuō)，5G對(duì)于工控、安防以及自動(dòng)駕駛領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，也間接的提升了人們的生活質(zhì)量。此外，由于包括華為在內(nèi)的中國(guó)5G基站產(chǎn)品受到美國(guó)的技術(shù)封鎖，很多人都在密切關(guān)注下一代通信技術(shù)的研發(fā)。
技術(shù)突破后，6G就要來(lái)了嗎？別急著聊6G何時(shí)應(yīng)用，今天我們先看看新技術(shù)。
什么是6G？
6G同5G一樣，本質(zhì)上是第六代蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，6G即5G的繼任者。就像5G之于4G，6G的通信速度會(huì)更快，延時(shí)更低。由此帶來(lái)的技術(shù)變革對(duì)中國(guó)影響頗深，其中最關(guān)鍵的參數(shù)變化就是6G的傳輸能力相比5G能提升100倍，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)也從毫秒級(jí)降到微秒級(jí)。不吹牛的說(shuō)，若6G技術(shù)真的能像設(shè)想的這樣，它將會(huì)顛覆我們對(duì)于“上網(wǎng)”這個(gè)概念的認(rèn)知。
圖源：51CTO
比如說(shuō)，在5G剛剛提出的時(shí)候，該技術(shù)被認(rèn)為能夠大規(guī)模提升工業(yè)智能化水平，加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型、促進(jìn)新消費(fèi)模式等，這些改變確實(shí)是已經(jīng)發(fā)生的。例如大規(guī)模廠房里的獨(dú)立5G組網(wǎng)，極大的提升了物流的效率和安全性；應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)駕駛汽車，已經(jīng)能實(shí)時(shí)接入城市NOA，在部分道路上實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的無(wú)人駕駛；流媒體上，5G早已實(shí)現(xiàn)8K實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播。
當(dāng)初5G畫的餅，是真真實(shí)實(shí)的實(shí)現(xiàn)了的，6G呢？
“如果用一句話來(lái)形容，6G將改變世界?！?中國(guó)工程院院士、復(fù)旦大學(xué)大數(shù)據(jù)研究院院長(zhǎng)鄔江興曾在烏鎮(zhèn)大會(huì)上這樣說(shuō)?！埃?G帶來(lái)的）改變是建設(shè)性、包容性的改變，是用科技創(chuàng)新的力量，彌合數(shù)字鴻溝、連接信息孤島、兼顧各方訴求、以智慧化賦能可持續(xù)發(fā)展?！?/p>
總的來(lái)說(shuō)，6G真正能實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物智聯(lián)、數(shù)字孿生、智慧涌現(xiàn)、健康有序”的美好愿景。不過(guò)當(dāng)時(shí)的大會(huì)上，關(guān)于何時(shí)能做到突破6G關(guān)鍵技術(shù)，專家們還沒(méi)能達(dá)成一致。彼時(shí)6G技術(shù)發(fā)展面臨的核心就是解決“太赫茲波”傳播的問(wèn)題。
什么是太赫茲波？
太赫茲波，又稱太赫輻射，是6G通信網(wǎng)絡(luò)主要使用的通信波段，包含了頻率為0.3到3 THz的電磁波。此頻段屬遠(yuǎn)紅外光，高于微波波段的頻率，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍從1mm到0.1mm（或100μm），所以也叫作“亞毫米波段”。
圖源：知乎
在2012年5月，日本東京工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用T-射線的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)下新的紀(jì)錄，并建議在未來(lái)以此做為數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率。2022年1月，中國(guó)紫金山實(shí)驗(yàn)室在太赫茲頻段的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中首次實(shí)現(xiàn)了每秒206.25 Gbit/s數(shù)據(jù)速率的世界紀(jì)錄。同年2月，中國(guó)研究人員又使用渦旋毫米波（Vortex millimetre waves）實(shí)現(xiàn)了在1公里的距離內(nèi)1秒傳輸1 TB的數(shù)據(jù)。
然而，我們?cè)谥袑W(xué)物理學(xué)到，波長(zhǎng)越短的波，能量越高，但穿透力越弱（不易發(fā)生衍射）。太赫茲波擁有更高的能量密度和信息承載力，但相比5G和Wi-Fi中使用的微波（約2-30GHz）更難繞過(guò)障礙物，同理5G也比1G、2G、3G和4G中使用的波段更難繞障。更關(guān)鍵的一點(diǎn)是，太赫茲級(jí)別的頻率已經(jīng)接近分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的光譜，很容易被空氣中的水分子吸收掉，所以在空間中傳播距離遠(yuǎn)小于5G電磁波，這就需要更多6G基站來(lái)維持通信。這時(shí)又面臨一個(gè)問(wèn)題，基站越來(lái)越多，頻譜不夠用怎么辦？因此，應(yīng)該如何利用有限的頻譜成為6G技術(shù)突破的關(guān)鍵。
但是，中國(guó)6G啪一下就突破了，很快??！在太赫茲的發(fā)射與傳播難題上，中國(guó)團(tuán)隊(duì)再次引領(lǐng)全世界技術(shù)進(jìn)步。
軌道角動(dòng)量……是什么意思？
這里要再重復(fù)一下這個(gè)技術(shù)的名字，太赫茲軌道角動(dòng)量的實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸通信。明明每個(gè)字都認(rèn)識(shí)，怎么組合在一起就看不懂了呢？
經(jīng)過(guò)1G到5G的迭代發(fā)展，我們已經(jīng)充分利用時(shí)域、頻域、碼域等多維度來(lái)提升傳播效率。專家針對(duì)電磁波的傳播原理入手，于是軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum, OAM）通信技術(shù)被提了出來(lái)。
圖源：通信學(xué)報(bào)《軌道角動(dòng)量通信技術(shù)的研究》論文
由于5G電磁波的傳播范圍較短，因此需要更大功率的信號(hào)發(fā)射裝置。5G基站應(yīng)用了相控陣技術(shù)，通過(guò)調(diào)整不同天線發(fā)射的電磁波參數(shù)，讓不同波形相互干涉制造能量更大的波峰，以此提升信號(hào)傳播范圍。6G新技術(shù)也利用了電磁波相互干涉的原理，只不過(guò)這次的目的主要是復(fù)用空間，而不是加強(qiáng)傳播距離。
這里放一段《渦旋電磁波軌道角動(dòng)量傳輸技術(shù)》（《郵電設(shè)計(jì)技術(shù)》2022年1月13日 謝翔東，何耀宇，張超）論文中關(guān)于軌道角動(dòng)量（OAM）的解釋：OAM是電磁波的固有物理屬性，OAM的物理量綱（ML2T-1）和電場(chǎng)強(qiáng)度的物理量綱（MLT-3I-1）線性無(wú)關(guān)（其中M為質(zhì)量，L為長(zhǎng)度，T為溫度，I為電流），所以彼此獨(dú)立。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)（QED）理論均指出，電磁波角動(dòng)量包括自旋角動(dòng)量（SAM）和軌道角動(dòng)量（OAM）。自旋角動(dòng)量表征了電磁波極化，OAM則表征了電磁波的波包在空間中的旋轉(zhuǎn)特性。具有OAM的電磁波又被稱為渦旋電磁波，攜帶不同OAM模態(tài)的渦旋電磁波具備正交特性，利用該特性進(jìn)行無(wú)線傳輸可以極大地提升頻譜效率和傳輸容量。
好了，我們直接跳過(guò)這段，來(lái)簡(jiǎn)單理解一下。
軌道角動(dòng)量通信技術(shù)是一種基于電磁波自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的新型通信技術(shù)。電磁輻射既攜帶線動(dòng)量也攜帶角動(dòng)量，可以理解為在往前走的時(shí)候還自轉(zhuǎn)，軌道角動(dòng)量即電磁波“自轉(zhuǎn)”的動(dòng)量。攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波也被稱為渦旋電磁波。因此，在正常的電磁波中添加相位旋轉(zhuǎn)因子，電磁波就不再是平面結(jié)構(gòu)，而是繞著波束傳播方向旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出一種螺旋的相位結(jié)構(gòu)。渦旋波每繞傳輸軸旋轉(zhuǎn)一圈，相位波就前進(jìn)。
由于不同模態(tài)的波彼此正交，通過(guò)改變波段間相互干涉參數(shù)，就可以制造出不同的螺旋狀波陣面，因此就可以在不依賴于如時(shí)間和頻率等傳統(tǒng)資源的情況下發(fā)送多個(gè)同軸數(shù)據(jù)流，提供了更多無(wú)線傳輸?shù)膹?fù)用維度，從而提升頻譜效率，頻譜利用率可提升兩倍以上。
圖源：郵電設(shè)計(jì)技術(shù)《渦旋電磁波軌道角動(dòng)量傳輸技術(shù)》論文
總結(jié)
太赫茲軌道角動(dòng)量的實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸通信實(shí)驗(yàn)的完成，很大程度上緩解了太赫茲波段頻譜資源不足的問(wèn)題，為6G通信的發(fā)展提供新的技術(shù)支持。不過(guò)該技術(shù)還需要解決信道建模、信號(hào)檢測(cè)、多天線設(shè)計(jì)等多個(gè)方面的問(wèn)題，是一項(xiàng)具有前沿性、難度大、應(yīng)用廣泛的技術(shù)。
目前該技術(shù)還處于初期實(shí)驗(yàn)階段，此外OAM量子發(fā)射器與傳感器還存在價(jià)格較高，體積較大的問(wèn)題，因此6G在商業(yè)化的道路上還有更多挑戰(zhàn)等待著解決。
參考文獻(xiàn)：
http://www.infocomm-journal.com/txxb/CN/10.11959/j.issn.1000-436x.2020108
通信學(xué)報(bào)《軌道角動(dòng)量通信技術(shù)的研究》
https://www.c114.com.cn/topic/6053/a1185441.html
郵電設(shè)計(jì)技術(shù)《渦旋電磁波軌道角動(dòng)量傳輸技術(shù)》
https://zhuanlan.zhihu.com/p/410719565
未來(lái)瞭望 | “神秘的”軌道角動(dòng)量
https://mp.weixin.qq.com/s/LNWvC8SAMLRNTNsmskTh_w
環(huán)球時(shí)報(bào)-中國(guó)6G，重要突破！
