太赫茲無線通信

本書系統介紹了太赫茲器件技術、太赫茲傳播和通道建模方法、太赫茲通信物理層信號處理的關鍵技術，以及上層潛在無線電資源分配和優化方法。鑒於研究領域的廣泛性，本書列舉了待解決的問題、面臨的主要挑戰以及未來的研究方向。本書還介紹了太赫茲通信在3GPP、 IEEE 和 ITU 標準的應用，及其在物理實驗測試臺中的現場實驗性能。本書通過介紹太赫茲通信的原理、關鍵技術及其在 6G 系統中的應用，反映了太赫茲無線通信技術的前沿進展，使讀者對太赫茲無線通信的發展有整體認識。

本書聚焦前沿技術，註重理論聯系實際，內容豐富，既可供從事太赫茲通信技術領域研究與應用的科技人員學習參考，也可作為高等院校信息與通信工程、電子科學與技術等學科師生的參考用書。

陈智

电子科技大学教授、博士生导师，太赫兹技术重点实验室副主任。主要研究方向无线与移动通信、无线通信网络、通信抗干扰技术。发表SCI收录论文90余篇，撰写学术专著3部，授权国家发明专利20余项。主持和承担国家科研项目30余项。

李玲香

电子科技大学副教授、硕士生导师，国家科技创新团队核心成员。长期从事无线通信技术领域的科研与教学工作，主要研究方向包括太赫兹通信技术、通信感知一体化技术、无线安 全传输等。主持、参与多项国家、省部级科研项目。

韩充

上海交通大学副教授、博士生导师，依托区域光纤通信网和新型光纤通信系统国家重点实验室。主要研究方向为太赫兹无线通信信道建模、物理层通信技术。承担和参与6个太赫兹相关的国家、上海市级科研项目。

张波，国家优青，电子科技大学教授、博士生导师，主要研究方向为全固态太赫兹关键技术与系统。目前承担多项国家、省部级科研项目。2015年与英方学 者共同进行国家国际合作专项，突破太赫兹分谐波混频器宇航级应用的关键技术。

张雅鑫

电子科技大学教授、博士生导师，四川省杰出青年学术技术带头人、电子科技大学百人计划入选者。现任“中国电子学会太赫兹分会”秘书长、四川省太赫兹科学技术重点实验室副主任。长期从事太赫兹波段无线通信系统研制以及电子与人工微结构互作用产生和高速调控太赫兹辐射的新机制及器件的研究；主持多项国家、省部级科研项目，获国防科技进步二等奖1项。

文岐业

电子科技大学教授、博士生导师，四川省学术和技术带头人后备人选。主要从事电子材料与功能器件的研究工作。近年来致力于太赫兹波传输/调控技术和功能器件的研究，以及太赫兹通信和成像系统的开发。主持和主研多项国家、省部级科研项目。获得授权国家发明专利8件。获得教 育部自然科学1等奖等奖励6项，获电子科技大学第 一届“学术新人奖”

李少谦

电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室，历任副教授、教授、博士生导师，历任副主任、主任，通信与信息工程学院院长。长期从事先进无线与移动通信技术研究。主持完成了三十余项国家科研项目。获国家技术发明奖一次，国防科技奖和部级科技进步奖六次，申请发明专利六十余项，获专利授权四十余项；在国内外学术期刊和国际国内学术会议上发表学术论文百余篇，出版专著多部，培养硕士、博士研究生百余名。

第 1章 研究動機及應用 001

1.1　無線通信的發展歷程　005

1.1.1　1G　006

1.1.2　2G　006

1.1.3　3G　007

1.1.4　4G　007

1.1.5　5G　008

1.1.6　6G　009

1.2　下一代無線通信系統願景與需求　009

1.2.1　6G願景與發展規劃　009

1.2.2　面向6G的太赫茲通信應用場景　014

1.3　太赫茲無線通信的優勢　019

1.3.1　毫米波與太赫茲　019

1.3.2　紅外線與太赫茲　020

1.3.3　可見光與太赫茲　021

1.4　本章小結　022

參考文獻　023

第　2章 全球合作及標準化　027

2.1　國內外發展現狀　028

2.1.1　美國　028

2.1.2　歐洲　030

2.1.3　日韓　032

2.1.4　中國　033

2.2　太赫茲通信標準化進程　035

2.3　本章小結　038

參考文獻　038

第3章　太赫茲無線通信信號產生　041

3.1　真空電子學太赫茲輻射源　042

3.1.1　新型慢波結構切倫科夫太赫茲輻射源　042

3.1.2　電子迴旋諧振脈塞太赫茲輻射源　048

3.1.3　史密斯 珀塞爾效應太赫茲輻射源　049

3.2　光子學太赫茲輻射源　052

3.3　固態半導體電子學太赫茲輻射源　059

3.4　太赫茲量子級聯激光器　062

3.5　本章小結　064

參考文獻　064

第4章　太赫茲固態通信系統射頻收發前端　071

4.1　太赫茲肖特基勢壘二極管　072

4.1.1　太赫茲肖特基勢壘二極管基本原理　073

4.1.2　太赫茲二極管基本特性　075

4.1.3　太赫茲平面肖特基二極管　080

4.1.4　太赫茲平面肖特基二極管建模　082

4.1.5　太赫茲平面肖特基二極管的改進　085

4.2　太赫茲混頻器　088

4.2.1　太赫茲混合集成混頻技術　088

4.2.2　太赫茲GaAs單片集成混頻技術　105

4.2.3　太赫茲異質集成混頻技術　112

4.2.4　太赫茲高次諧波混頻技術　120

4.3　太赫茲倍頻器　134

4.3.1　太赫茲頻段二倍頻技術　135

4.3.2　太赫茲頻段三倍頻技術　160

4.4　太赫茲分支波導定向耦合器　172

4.4.1　分支波導定向耦合器基本理論　172

4.4.2　基於模式匹配法（MMM）的新型耦合器精確建模方法　178

4.4.3　改進型小型化耦合器電路研究　185

4.5　太赫茲腔體濾波器　191

4.6　本章小結　194

參考文獻　195

第5章　太赫茲天線　199

5.1　太赫茲天線的基本類型　202

5.1.1　金屬天線　202

5.1.2　介質天線　203

5.1.3　新材料天線　204

5.2　典型的太赫茲天線　208

5.2.1　太赫茲光導天線　208

5.2.2　太赫茲喇叭天線　213

5.2.3　太赫茲透鏡天線　218

5.2.4　太赫茲微帶天線　220

5.2.5　太赫茲片上天線　223

5.3　太赫茲天線的加工技術　228

5.3.1　太赫茲微機械加工技術　228

5.3.2　新型太赫茲工藝技術　229

5.4　本章小結　230

參考文獻　230

第6章　納米微細結構超材料　237

6.1　納米微細結構超材料概述　239

6.2　被動型超材料結構　241

6.2.1　具有單一功能的太赫茲波前調制超材料　241

6.2.2　具有復用功能的太赫茲波前調制超材料　263

6.3　主動型超材料結構　268

6.3.1　溫控超材料器件　269

6.3.2　電控超材料器件　273

6.3.3　光控超材料器件　278

6.4　本章小結　282

參考文獻　282

第7章　太赫茲實驗測試台　289

7.1　太赫茲分諧波混頻器測試　291

7.1.1　太赫茲分諧波混頻器變頻損耗測試　291

7.1.2　太赫茲分諧波混頻器等效噪聲溫度測試　293

7.2　太赫茲倍頻器測試　296

7.3　太赫茲無源電路測試　298

7.4　太赫茲固態高速通信實驗　301

7.4.1　220 GHz高速通信實驗驗證系統　301

7.4.2　220 GHz雙通道高速通信實驗驗證系統　320

7.5　本章小結　331

參考文獻　332

第8章　基本傳播特性　335

8.1　自由空間傳播　336

8.2　太赫茲反射、散射等傳播機制　337

8.2.1　反射、散射、繞射以及透射效應　337

8.2.2　太赫茲頻段內的反射射線傳播　337

8.2.3　太赫茲頻段內的散射射線傳播　339

8.2.4　太赫茲頻段內的繞射射線傳播　340

8.3　大氣分子吸收及雨霧衰減　342

8.3.1　大氣分子吸收效應　342

8.3.2　天氣因素的影響　346

8.4　本章小結　348

參考文獻　348

第9章　通道建模　351

9.1　太赫茲通道建模概述　352

9.2　確定性通道建模　353

9.2.1　單輸入單輸出系統的射線追蹤法　354

9.2.2　單輸入單輸出系統的時域有限差分法　355

9.2.3　超密集多輸入多輸出系統的射線追蹤法　356

9.3　統計性通道建模　358

9.3.1　單輸入單輸出系統的統計性通道模型　358

9.3.2　超密集多輸入多輸出系統的統計性通道模型　360

9.4　常用的太赫茲通道模型　364

9.4.1　多徑傳播模型　364

9.4.2　無線片上通道模型　366

9.4.3　車載通道模型　373

9.5　本章小結　378

9.5.1　單輸入單輸出通道建模　378

9.5.2　超密集多輸入多輸出通道建模　380

參考文獻　381

第　10章 通道測量　387

10.1　太赫茲通道測量概述　388

10.2　室內通道測量　389

10.2.1　基於矢量網絡分析儀的通道測量與通道測量系統　389

10.2.2　基於太赫茲時域光譜儀的通道測量與通道測量系統　398

10.3　室外通道測量　400

10.3.1　基於滑動相關法的通道測量　400

10.3.2　基於滑動相關法的太赫茲通道測量系統　401

10.4　本章小結　403

參考文獻　404

第　11章 通道編碼、調制與波形設計　407

11.1　通道編碼　409

11.1.1　通道誤差模型　411

11.1.2　低權重通道編碼　414

11.2　飛秒脈沖調制　415

11.2.1　基於飛秒脈沖的TS-OOK調制　416

11.2.2　單用戶場景性能分析　418

11.2.3　多用戶場景性能分析　421

11.3　分層調制　422

11.3.1　調制器、解調器結構　423

11.3.2　分層帶寬調制星座圖　425

11.3.3　性能分析　426

11.4　寬帶波形設計　427

11.4.1　太赫茲頻段中的多寬帶通信　427

11.4.2　寬帶波束設計　430

11.5　本章小結　433

參考文獻　433

第　12章 超大規模MIMO傳輸　435

12.1　超大規模天線陣列　436

12.1.1　等離子體納米天線陣列　437

12.1.2　超大規模MIMO通信　441

12.1.3　UM-MIMO通信系統　445

12.2　通道狀態信息獲取　447

12.2.1　傳統通道估計方法　448

12.2.2　通道反饋方法分析　452

12.3　波束成形技術　453

12.3.1　基於UM-MIMO的聯合兩級波束成形　454

12.3.2　波束控制碼本的寬帶波束成形　460

12.4　本章小結　464

參考文獻　464

第　13章 波束對準和追蹤　467

13.1　稀疏編碼　468

13.1.1　稀疏編碼算法　469

13.1.2　稀疏信號處理問題　470

13.1.3　基於稀疏性的波束空間MIMO　470

13.2　波束快速對準　472

13.2.1　基於DoA的波束對準　472

13.2.2　基於PBS的BDMA波束對準　478

13.3　寬帶波束追蹤　489

13.3.1　基於AoSA-MUSIC-T的DoA追蹤　489

13.3.2　先驗輔助通道追蹤　493

13.4　本章小結　497

參考文獻　498

第　14章 無源智能超錶面反射　501

14.1　IRS應用場景　503

14.1.1　IRS覆蓋增強場景　503

14.1.2　IRS安全通信場景　505

14.1.3　IRS無人機通信場景　507

14.1.4　IRS邊緣計算場景　508

14.1.5　IRS感知與定位場景　510

14.1.6　IRS非正交多址接入場景　511

14.2　IRS關鍵技術　512

14.2.1　IRS硬件設計　512

14.2.2　IRS通道估計　514

14.3　IRS容量優化　516

14.3.1　IRS波束成形　518

14.3.2　IRS資源分配　519

14.3.3　IRS穩健設計　521

14.4　IRS面臨的挑戰與機遇　522

14.4.1　IRS通道測量與建模　522

14.4.2　IRS測試平臺搭建　523

14.4.3　IRS部署與組網　525

14.5　本章小結　527

參考文獻　527

第　15章 無線網絡乾擾和覆蓋　529

15.1　隨機幾何理論和無線網絡　531

15.1.1　一般點過程和泊松點過程　532

15.1.2　泊松點過程的性質　534

15.2　二維空間場景乾擾及覆蓋　536

15.2.1　一般網絡下乾擾和覆蓋的建模　536

15.2.2　太赫茲網絡乾擾和覆蓋模型　539

15.3　三維空間場景乾擾及覆蓋　542

15.4　太赫茲網絡性能參數　544

15.5　本章小結　545

參考文獻　545

第　16章 媒體接入控制與多址接入　547

16.1　太赫茲MAC協議特性　548

16.1.1　物理層相關設計要點　549

16.1.2　MAC層相關設計要點　553

16.1.3　MAC協議決策和設計挑戰　557

16.2　太赫茲MAC協議性能參數　560

16.3　多址接入技術　564

16.3.1　調度訪問多址接入技術　565

16.3.2　隨機訪問多址接入技術　571

16.4　本章小結　577

參考文獻　578

第　17章 定向組網技術　579

17.1　鄰居節點發現技術　580

17.1.1　定向天線使用模式　581

17.1.2　經典的鄰居節點發現技術　583

17.1.3　利用旁瓣信息的鄰居節點發現算法　584

17.1.4　性能評估　588

17.2　多連接技術　590

17.2.1　多連接技術概念　591

17.2.2　技術要點及分析　597

17.2.3　多頻段共存的太赫茲MAC協議　603

17.3　高低頻協作技術　608

17.3.1　高低頻協作的重要性　608

17.3.2　低頻輔助的MAC協議　609

17.3.3　性能分析　614

17.4　本章小結　617

參考文獻　618

第　18章 物理層安全傳輸　619

18.1　定向波束安全傳輸　622

18.1.1　太赫茲傳輸模型　622

18.1.2　問題描述　624

18.1.3　大規模陣列天線增強指向性　624

18.1.4　定向波束的安全性分析　625

18.2　基於距離自適應的跳頻技術　626

18.2.1　系統模型　627

18.2.2　優化問題表述　628

18.2.3　優化問題的次最優解　629

18.2.4　距離自適應跳頻的安全性分析　632

18.3　IRS輔助的物理層安全傳輸　633

18.3.1　系統模型和問題描述　634

18.3.2　預編碼設計以及針對IRS相位的連續設計方法　636

18.3.3　基於交替優化思想的聯合設計方法　638

18.3.4　模擬結果　639

18.4　本章小結　643

參考文獻　643

名詞索引　645