迈向Beyond 5G/6G的实现，自愈光束展示了太赫兹无线传输，可抵抗障碍物阻挡无线电波

国立大学法人东海国立大学组织岐阜大学
软银公司
国立信息通信技术研究所
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演示要点

〇世界首次演示太赫兹无线传输，利用自愈光束抵抗障碍物阻挡无线电波
〇对实现即使障碍物越过波束中心也难以打破的太赫兹无线通信的期待
〇​超越5G/6G时代超高速无线通信实际应用的重要一步

研究概述

岐阜大学工学部、软银公司、国立信息通信技术研究所教授 Shintaro Hisatake (NICT) 研究小组包括研究经理 Isao Morohashi 和V体育工学研究生院 Atsushi Kanno 教授。超越5G/6G※1紧盯时代，坚决抵御障碍物阻挡电波300GHz带※2太赫兹无线传输（以下简称“太赫兹无线*3'') 自愈光束*4证明
　近年来，由于对更快、更大的无线通信的需求，100Gbps实现超过20359_20373|的传输速度超越 5G/6G有关技术的研究和开发正在世界范围内积极进展。300GHz腰带是5G使用进度28GHz奥比(微波频段)相比，可以使用更宽的频带，因此有望成为超高速无线系统的候选者，并且正在考虑将其用作当前光纤通信的补充。另一方面，300GHz腰带是28GHz波长与波段相比1因为它短了一个数量级以上，所以光束发散角是1小了一个数量级以上，并且光束直径变得更窄。例如，28GHz腰带编号1菲涅尔区*5大约5%是300GHz腰带编号1大约菲涅耳区50%将被屏蔽，并且由于这种屏蔽，接收到的功率将是6dB将减少大约20915_20938|前厅/回程*6固定无线通信应用前景*7可以轻松地与附近的系统共享频率，但有人担心，如果鸟类等障碍物穿过狭窄的波束横截面，可能会出现通信错误，并且在某些情况下，通信可能会被切断(见图)。
　这个研究小组是300GHz腰带中的贝塞尔光束※8并通过实验证实，贝塞尔光束截面中受到障碍物干扰的光束形状在传播时会自我修复，并且与普通高斯光束相比，由障碍物引起的通信错误不太可能发生。该研究结果表明，利用自愈波束可以形成抗障碍物阻挡无线电波阻挡的太赫兹无线通信路径，解决了一直被认为是太赫兹无线电一大弱点的波束易受障碍物阻挡的问题。超越 5G/6G它被定位为这个时代超高速无线通信实际应用的重要一步。

　这个研究结果是2023年份12月18周日（当地时间）发表在杂志的网络版上。

　未来，我们将扩展这项研究成果，研究更长距离的户外数据通信用例，以及生成能够应对更大障碍物的自愈光束。

所开发技术的详细信息

　图 1 显示了受光束横截面内的障碍物干扰的高斯光束的功率分布的测量结果。频率为300GHz高斯光束由介质透镜产生，障碍物来自透镜49毫米图2所示为金属物体(SMA插头适配器)和电介质 (75毫米角立方体）组成的障碍物。图1红色部分是太赫兹波功率高的地方，蓝色部分是功率低的地方。障碍X您可以看到，当放置在轴上的不同位置时，功率分布会相应变化。例如Z=98毫米、X=0mm位置（光束中心），对于金属物体，X=0mm(图1(e))，用于电介质X=4毫米附近(图1(g))处放置障碍物时，接收到的功率变得极小。另一方面，图3所示，在具有自愈特性的贝塞尔光束的情况下，假设无论金属和介电材料在光束横截面内的位置如何都可以安装接收器Z=98毫米、X=0毫米下降很小。由于接收功率的降低会导致通信质量恶化，因此预计贝塞尔光束将能够实现比高斯光束更能抵抗障碍物无线电波阻挡的太赫兹无线通信。

图1　受障碍物干扰的正常太赫兹光束（高斯光束）的功率分布的实际测量示例。(a)无障碍配电。 (b)-(e)金属障碍物 (SMA插头适配器)穿过梁横截面时的功率分配。(f)-(i)介质障碍物穿过光束横截面时的功率分布。

　

图2安装在梁横截面内的障碍物。黄色夹具中的白色物体是镜头，相当于无线通信中的发射天线。 λ(波长)是1毫米。

　

图3受障碍物干扰的自愈太赫兹光束（贝塞尔光束）功率分布的实际测量示例。 (a) 无障碍物时的功率分配。 (b)-(e) 金属障碍物（SMA 插头适配器）穿过光束横截面时的功率分布。 (f)-(i) 电介质障碍物穿过光束横截面时的功率分布。

　

图4 通信实验系统示意图。脉冲模式发生器(PPG)来自1Gbps的信号叠加在太赫兹波上。接收信号的误码率由误码率测量装置测量(BERT)。障碍是X方向。

　

图 5 障碍物穿过波束横截面时的误码率 (BER)。对于高斯光束（普通光束）来说，当光束中心放置障碍物时，通信就会被切断。另一方面，在贝塞尔光束表现出自愈特性的情况下，无论障碍物的位置如何，BER 均为 38 × 10^-3（小于此即可纠正误码的指标之一）。

　

　图5给出了障碍物位置与当时获得的误码率之间的关系。X=0毫米指的是梁的中心。蓝色圆圈代表高斯光束，红色圆圈代表贝塞尔光束。对于高斯光束，障碍物距离光束中心越近 (X=0)，误码率越高。特别是X=-4mm来自+4毫米范围内有障碍物，则通信断开（图5中蓝白色圆圈所示）。另一方面，在贝塞尔光束的情况下，可以确认无论障碍物的位置如何，都可以保持通信。
　这样，本研究结果表明，利用贝塞尔光束的自愈特性，可以形成抗障碍物无线电波屏蔽的太赫兹无线通信路径，解决了一直被认为是太赫兹无线一大弱点的易受障碍物波束屏蔽的问题，超越 5G/6G这是这个时代超高速无线通信实际应用的重要一步。

术语表

*1 超越5G/6G：指第五代移动通信系统（5G）之后的下一代无线接入系统。除了5G特性（超高速、超低延迟、多个同时连接）的进一步进步之外，更高的可靠性和超低功耗等新的技术创新也值得期待。

*2 300GHz频段：200GHz至300GHz是被称为大气窗口的低吸收频率区域，预计是可在中距离（约1公里）使用的频段。

*3 太赫兹无线：使用100GHz至3THz频率范围的无线通信技术，100GHz至300GHz尤其有望用于Beyond 5G/6G。

※4 自愈光束：当正常电磁波束被障碍物部分遮挡时，光束截面内的强度分布受到干扰，与原来的光束分布不同。另一方面，自愈光束具有这样的特性：受障碍物干扰的强度分布在传播时得到修复，恢复到接近原始光束强度分布的分布。

*5 第一菲涅尔区：相对于以直线连接发射和接收天线的路径（视线）的传播，由于传播而产生的相位差在180度以内的范围。提供确保可见性的指南。

※6 前传/回传：连接基站配置中的设备的线路。连接基站处理单元和无线单元的线路称为前传，连接基站和核心网的线路称为回传。

*7 视距固定无线通信：通过在柱子等上安装通信设备和天线来进行通信的系统的总称。许多系统使用毫米波，允许无线电波沿直线传播，并且由于需要安装在可以看到每个天线的位置（视距），因此被称为视距通信。

※8 贝塞尔光束：光束截面内的振幅分布遵循贝塞尔函数的光束。具有自愈特性。

各机构的角色分工

岐阜大学：研究主管、概念想法、实验
软银：太赫兹通信系统应用研究
NICT：太赫兹通信系统应用研究
V体育：太赫兹通信系统应用研究

论文信息

期刊名称：应用物理快报
论文标题：使用自愈贝塞尔光束的容障太赫兹无线链路
作者：胜植优，¹矢吹步，²诸桥功，³菅野敦志，⁴关根典彦，³中岛淳一，²和久武慎太郎^1
1)日本岐阜县岐阜大学
²⁾软银公司，日本东京
³⁾日本国家信息通信技术研究所，小金井
⁴⁾日本V体育
DOI：

联系信息

研究相关事宜

东海国立大学组织岐阜大学工学部
久武慎太郎教授
电话：058-293-2732
电子邮件：hisatakeshintarof4[at]fgifu-uacjp

国家信息通信技术研究所 (NICT)
Beyond5G研发推进部太赫兹研究中心
太赫兹协作实验室研究经理 Isao Morohashi
电子邮件：morohashi[at]nictgojp

V体育工学研究科工学部（电气机械工程）
菅野敦教授
电话：052-735-7689
电子邮件：kannoatsushi[at]nitechacjp

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