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    面向6G太赫兹实时传输超高速率较5G提升10至20倍,刷新世界纪录

    发布日期:2022/1/14 16:38:03    来源:南京日报    阅读次数:

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    紫金山实验室。 紫金山实验室供图


    随着第五代(5G)无线通信网络的大规模部署,第六代(6G)无线通信网络的研究正在全球兴起。

    当前,面向6G的太赫兹通信技术是信息领域世界科技竞争的焦点。

    1月4日,紫金山实验室副主任、首席科学家,东南大学信息科学与工程学院尤肖虎教授发布重大原创成果——360—430GHz太赫兹100/200Gbps实时无线传输通信实验系统,通信速率较5G提升10至20倍。这意味着,目前世界上公开报道的太赫兹实时无线通信最高实时传输纪录就此被刷新。

    这项重大原创成果,为何会诞生在南京?背后有怎样的故事?


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    紫金山实验室展示厅。 紫金山实验室供图


    一群天南海北的年轻人


    当前,5G在全球范围内大规模部署,更多关键能力正处于标准化进程中,例如大规模连接、高可靠性和有保障的低时延。但是,5G并不能满足2030年及之后的未来网络需求,6G的研究正在全球兴起。

    在移动通信领域,东南大学拥有雄厚的研发实力。作为移动通信技术的领军者,尤肖虎从上世纪90年代起,就开始负责承担该领域相关技术的研发工作,也见证了我国通信技术从2G落后、3G追赶,到4G并驾齐驱、5G领先的整个过程。

    “随着5G的发展,人们对带宽的要求、传输速率的要求会越来越高,这个时候,无线通信需要光通信的加持来进一步提高它的传输速率。”东南大学信息科学与工程学院副教授朱敏说,在尤肖虎教授的指导下,他们选择了光子太赫兹这条全新技术路线来实现太赫兹无线通信,并成立了光子太赫兹课题组。

    紫金山实验室是江苏省和南京市重点打造的服务国家重大科技战略科研平台,聚焦网络操作系统、毫米波芯片和网络内生安全等关键命脉技术实施科研任务攻关和科技成果转化,构建“中国网络2030”新型体系与综合试验环境,这与尤肖虎团队致力于在太赫兹无线通信领域的研发不谋而合。

    “紫金山实验室一成立,我们课题组就来落户了。”朱敏告诉记者,2020年,他们从复旦大学、北京邮电大学、电子科技大学等“双一流”高校招聘了一批优秀的博士生,2021年初又全力引进复旦大学国家特聘专家余建军教授担任课题组高级技术顾问,初步形成了以专家和教授为领队、博士为中坚力量的技术研发团队。“尤肖虎教授作为实验室首席科学家,在课题设置、技术路线把控等方面给予全程指导,余建军教授在项目攻坚上给予课题组及时的指导点拨。”朱敏说。

    研发团队的绝大部分成员都是来自天南海北的年轻人。张教博士老家在山东,毕业于复旦大学,他告诉记者,选择来紫金山实验室,是因为认定光子太赫兹技术研究非常有前途。蔡沅成博士从成都来到南京,和他一起来的还有妻子和孩子,“紫金山实验室平台很好,收入待遇也不错,我们既可以选择住人才公寓,也可以选择自己租房。如果租房,每月给2000元补贴,可以补贴5年。”

    就这样,近20人的研发团队聚焦面向6G的超宽带光子毫米波太赫兹通信技术,展开了从基础理论、系统架构到样机产品的科研攻关。每位研发人员按照自己的专业和研究方向承担对应课题子任务,大家分工合作、优势互补,全力以赴攻克一道道科研难题。


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    紫金山实验室光子太赫兹课题组研发人员正在进行研发。 


    一间价值千万的实验室


    走进紫金山实验室大楼内的普适通信研究中心,长长的过道两侧,是一间间外观相似的实验室。门框上都挂着一块叫“调试间”的门牌,唯一能区别的,是门框上不同的房间号。

    光子太赫兹课题组的实验室就是其中一间。记者推门而入,看到房间四周和中央都布满了各种实验设备。“2020年6月我们刚来的时候,房间里一颗螺丝钉都没有,前期采购的部分设备都暂存在仓库里。”张教说,研发团队成员首先是组装、调试设备,“真正的白手起家,一边搭建实验室环境,一边着手理论研究与仿真实验。”

    光子太赫兹领域的研究,一些国外先进国家比我国早2—3年,但后起也有后起的优势。“我们直接瞄准国际最新标准,采购设备、开展研发。”朱敏告诉记者,这在很大程度上实现了研发高起点、高效率。同时,紫金山实验室首席科学家负责制等灵活开放的运行机制,为课题组的研发在人员、经费等方面提供了有力保障。“一些小型实验设备,短短几天就能走完审批流程实施采购,重要设备通过专家论证等环节,一个月内就能完成审批进行采购。”朱敏说,目前在这间不大的调试间内,设备投入接近2000万元。

    令人兴奋的第一束光子毫米波!2020年12月,研发团队成功调试出第一束光子毫米波,在100GHz的W频段。“当看到显示屏上实时视频流传输成功的时候,特别兴奋。”张教说,这验证了光子太赫兹这条技术路线是可行的,给了大家极大的信心和鼓励。

    难忘的攻坚克难!2021年6月起,研发团队进入了最后的技术攻关阶段。“当时遇到了好几个技术难题。”张教回忆,首先是信号调不通,研发人员从设备发射端起到接收端,逐段逐段寻找问题,近两个月时间尝试了数十个方案,最终将难题全部消灭。所谓关关难过关关过。然后是9月份的一个晚上,用于检测接收信号质量的“高端示波器”突然发出异常鸣叫,接着蓝屏、死机,罢工了。“我们又紧急联系成都的厂家,送一台样机过来替代使用。研发任务紧迫,耽误的每一天都是一种煎熬。”张教说。

    幸福来得太突然!2021年9月28日,团队的几名研发人员完成了360GHz太赫兹100Gbps实时无线传输通信实验系统调试,实验室显示屏幕上显示:调试成功。“胜利在望了,接着我们从360GHz开始测,到370、380,一直测到430GHz,拿到了整套数据。”当实验调通的那一瞬间,朱敏说,幸福来得太突然。因为10月中旬,研发团队就要把这个成果以论文形式先上报给全球光电、光通讯领域顶级学术盛会OFC,“我们利用国庆假期对整个系统性能进行了优化完善,如期完成各项任务。”

    创造了新的世界纪录!研发团队实验结果远优于国际同行,这意味着创造了一个新的世界纪录。2021年12月,一天凌晨1点多钟,研发团队收到了来自美国的邮件:“360—430GHz太赫兹100Gbps实时无线传输通信实验系统”成果入选2022年全球光电、光通讯领域顶级学术盛会OFC Demo Zone。该学术会议代表当今业界该领域的最高技术水平,研发团队上报的论文也成为太赫兹领域首次大陆学者独立完成的Demo Zone论文。


    一片前景广阔的“蓝海”


    太赫兹无线通信被普遍认为是未来6G核心技术。

    处于微波与可见光之间的太赫兹频段被誉为电磁波谱中尚未开发利用的“处女地”,正好也处于电子学向光子学的过渡区域。太赫兹频段频谱资源极为丰富,可支持100Gbps—1Tbps超高速率无线通信,从而将现有5G的峰值传输速率提升一至两个量级,能满足未来6G全息通信、“元宇宙”等新型应用需求。

    传统基于电子学的太赫兹技术受困于电子器件的固有属性,高频电子器件的参数逐渐接近理论极限,面临传输损耗大、频率和带宽受限等系列难以解决的挑战问题,而采用光子辅助技术,由于光学器件具有高载频、大带宽、传输损耗低等特点,可以突破电子器件瓶颈。

    尤肖虎介绍,紫金山实验室选择光子太赫兹无线通信作为6G全新突破方向,发挥体制机制优势,联合东南大学、鹏城实验室、复旦大学和中国移动等优势力量,在国家重点研发计划6G专项等项目的支持下,搭建了国内领先、国际一流的光子太赫兹实验环境,并持续开展攻坚克难,致力于抢占6G太赫兹无线通信技术与产业发展先机,获得6G通信话语权。

    经过3年多的攻坚克难,紫金山实验室光子太赫兹研发团队首创光子太赫兹光纤一体融合的实时传输架构;开创性结合光子上变频太赫兹产生和光子下变频太赫兹接收技术,解决了超高容量6G太赫兹实时无线通信难题;搭建出首个360—430GHz太赫兹100/200Gbps实时无线传输通信实验系统,首次实现单波长净速率103Gbps、双波长净速率206Gbps的太赫兹实时无线传输,较5G提升10—20倍;创造出目前世界上太赫兹无线通信的最高实时传输纪录。

    该项光子太赫兹成果能与目前快速发展中的200—800Gbps光接入网系统实现系统构架与基础器件上的完美融合,构建一体化、灵活性、易于部署的“光纤—无线”混合接入网络;推动并加速Tbps量级6G移动通信系统走向商用的进程,引领6G太赫兹无线通信发展。“这项成果应用前景广阔。”尤肖虎说,一方面可应用于超高速无线接入和光纤替代场景,与现有光纤网络融合,实现6G超高速室内、室外广覆盖;代替光纤或电缆,实现移动通信回传/中传,节省光纤部署成本,加速推进B5G/6G新基建;替换数据中心的巨量线缆,降低空间成本和维护成本,降低功耗。另一方面可应用于星间通信和空天一体化接入,太赫兹波在外层空间中基本可做到无损传播,通过极低的功率就可实现超远距离传输;太赫兹高频特性利于太赫兹系统实现小型化、轻量化,易于部署在星载平台;搭载卫星、无人机、飞艇等天机平台和空基平台,作为无线通信和中继设备,应用于卫星集群间、天地间和千公里以上的星间高速无线通信场景,实现未来的空天地海一体化通信。

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