首页时事民生政务教育文化科技财富体娱健康情感

旅行百科职场楼市企业乐活学术汽车时尚创业美食幽默美体文摘

浅谈太赫兹高速通信在空间网络中的应用

学术 2024-10-29 20:17 山东

电话 | 010-82030532 手机 | 18501361766

微信 | tech9999 邮箱 | yw@techxcope.com

来源：国际太空

作者：李宁宋瑞良郑翔

1 概述

太赫兹指的是频率介于微波和红外之间的电磁波，通常在0.1～10THz的频率范围内，太赫兹因其具有波长短、穿透力强、非破坏性等特点，被广泛用于无损检测、成像及安全检查等领域。由于太赫兹频带范围很宽，所以还可以用于实现高速无线数据传输。2019年，世界无线电通信大会（WRC-19）批准了275GHz以上的4个频段用于固定和陆地移动业务应用，总带宽137GHz。2024年2月，国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）5D工作组通过了“100GHz以上的国际移动通信”（IMT Above100GHz）可行性工作报告，标志着太赫兹通信技术开始向实用迈进。

由于大气中的水蒸气对太赫兹波具有比较强的吸收效应，所以太赫兹在地面只能实现较短距离的通信，但是在空间环境下，太赫兹波不受大气影响，有望在超远距离上实现吉比特量级以上的高速通信。目前，卫星互联网快速发展，海量卫星的布设以及卫星容量、链路速率的提高都需要更多更宽频率资源支持，太赫兹频率资源是传统微波频段的上百倍，因此受到广泛关注。ITU已将100～300GHz范围内的多个频段划分给卫星通信使用，总带宽超过30GHz（见表1）。2021年以后，100GHz以上频段的非对地静止轨道（NGSO）和对地静止轨道（GSO）网络申请数量开始显著增加，以123～130GHz和130～134GHz为主，主要用于通信业务。

表1 ITU与卫星相关的频率划分（100 ～ 300GHz）

2 太赫兹通信的空间应用

太赫兹的优势

目前，空间通信所使用的频段主要在100GHz以下，以S、C、Ku、Ka等频段为主，Q、V、E等频段也开始逐步投入使用，由于自由空间光通信（FSO）的传输速率非常高，被用于实现星间/星地的超高速骨干链路。太赫兹的独特优势令其可以对上述技术形成有效补充，共同构建宽带大容量的下一代空间信息网络。

1）太赫兹频段的可用频率资源丰富。太赫兹频段覆盖了近10THz的频率范围，达到目前在使用中的微波、毫米波频段的百倍以上，即使采用简单的OOK、BPSK或QPSK等调制方式也可以轻松实现吉比特量级的通信速率，与FSO能力相当，可以满足宽带大容量空间信息网络的建设需求。

2）短波长易于实现更紧凑、小型化的天线。由于天线的增益与波长的平方成反比，因此，对于给定的天线增益，太赫兹天线的尺寸可以变得更小、质量更轻，易于实现大规模阵列，从而提高天线增益、满足远距离传输需要，更有利于空间应用。

3）波束对准难度低。在同等情况下，太赫兹通信对跟踪对准系统的精度要求远低于FSO系统，差距在百倍以上。通过基于电子相控体制的太赫兹天线，可以实现灵活宽角度的波束扫描与快速跟踪，具有更高的组网灵活性，不仅可以用于实现骨干链路，也可以实现用户接入链路。

太赫兹空间通信的应用场景

基于上述优点，太赫兹通信在许多空间场景中可以实现多方面应用。图1给出了太赫兹空间通信应用的主要场景。

图1 太赫兹空间通信的应用场景

1）星间链路：由于在太空中不会受到大气的影响，太赫兹可以用来实现卫星间的远距离高速通信，这也是被关注最多的太赫兹空间通信应用场景。尤其在低轨星座中，由于卫星相对位置高速变化，需要实现快速的跟踪瞄准，太赫兹星间链路载荷的跟瞄系统复杂度较低，可以节省星上资源。低轨卫星的星间距离大多在数百到数千千米，通过计算与仿真可知，太赫兹链路可以在这个量级的通信距离上实现吉比特量级的通信速率。

2）星地链路：与星间链路不同，大气会对太赫兹星地通信链路产生很大影响，因此在频段选择上应考虑大气吸收较低的窗口频段。相比星地FSO链路，太赫兹的一个显著优点是能够更好地抵抗云雾散射，同时，由于大气湍流造成的闪烁效应，其在太赫兹域的影响比光学域的影响低几个数量级。需要注意的是，地面站的选址应尽量在气候干燥的沙漠地带，减少水汽对传播的影响。

3）其他场景：大气中的水蒸气是制约太赫兹传播的主要原因，由于水蒸气95%集中在距离地面6km以下的大气中，因此在高空飞行的飞艇或飞机等平台可以基本不受影响，可以使用太赫兹实现空中平台到卫星的接入链路，满足空中用户高速率数据通信的需求。相比FSO链路，太赫兹可以采用相控体制天线，实现对空中飞行平台的动态灵活跟踪。除此之外，太赫兹还可以用于低轨卫星与空间站之间的高速通信，或者用于实现空间站内高速无线局域网（WLAN）及行星表面近距离通信。

3 关键技术挑战

尽管太赫兹通信有种种优点，在空间环境中应用场景广泛，但是也仍然有一系列的技术问题亟待解决。

（1）高效率高功率输出太赫兹器件

空间通信最显著的特点之一是距离较远。例如，“星链”（Starlink）第一批1584颗卫星同轨道面相邻卫星的距离约为1970km，异轨道面相邻卫星的距离大约为450～660km，星地最小距离也超过了300km；我国建设中的星网互联网卫星轨道高度则在1100km左右；而对于GEO卫星来说，无论星间距离还是星地距离都超过了上万千米。尽管在空间环境中较少受到大气吸收效应的影响，但是太赫兹波的路径损耗也远远高于低频段。因此，高功率输出太赫兹源与功率放大器的技术水平是制约太赫兹空间远距离通信的主要原因。要实现空间太赫兹通信，功率输出需要达到瓦级，但目前太赫兹固态器件的单片输出功率还比较小。例如：在220GHz频段，国内研制的芯片单片输出功率约为40mW，如果通过功率合成实现10W的输出，需要约360片芯片，总功耗在200W以上；行波管功放在220GHz输出功率可以达到20W，但是功率效率低于10%，这给星上散热设计带来很大挑战。因此，高效率高功率输出的太赫兹器件是太赫兹空间通信应用需要解决的首要问题。

（2）高增益波束捷变天线

在空间太赫兹通信系统中，需要采用高增益天线来弥补远距离传播损耗的影响。反射面天线是最成熟的技术方案，在地面站可以通过增大天线口径提高增益，但是在星上，由于卫星体积、质量的限制，难以装配大口径的天线，并且机械伺服体制也难以实现波束的灵活控制。大规模阵列天线能够在不增加发射功率的条件下实现高增益，同时可以实现灵活的多波束、大角度扫描，传统相控阵体制在太赫兹频段硬件复杂度高、损耗大、加工难度大，可重构智能超表面（RIS）通过对超材料阵面的软件编程，无需移相器就可以实现对入射波束角度的调控，可以辅助实现星间太赫兹通信。

（3）宽带高速信号处理

一方面，太赫兹信号带宽大，信道幅频、相频非理想特性均比低频段有所恶化，信号处理需要高精度、高采样率的数模、模数器件支持，高速信号处理资源也相应成倍提升，其中成形滤波、匹配滤波、低采样率下定时同步、均衡及IQ不平衡校正等，均需要大量的硬件资源。另一方面，星上处理资源和功率资源都受限，难以支持复杂信号处理的开销，并且目前商用最高的可用AD/DA采样速率仅为5～12Gsps，制约了可用信号带宽，进而限制了单流可达速率，过低的采样率会带来定时同步性能的降低，由此引入严重的符号间干扰。因此，只有设计低复杂度、低开销的宽带高速信号处理架构和新型信号处理算法，才能解决宽带高速信号处理的需求和可用硬件资源受限的矛盾，推进太赫兹通信技术在空间环境中的实用化和工程化。

（4）太赫兹空间组网

随着巨型星座星间链路的逐步布设，卫星间的通信将从点对点逐步向网络化方向发展。太赫兹卫星网络是一个新的技术命题，呈现出新的特点。首先，为了提高天线增益，太赫兹通信波束非常窄，在通信之前需要先进行波束搜索与对准，所需要的信令开销不可忽视。一方面，可以根据星历表预知卫星的位置，节约扫描开销；另一方面，空间太赫兹接入链路可以采用业务驱动的连接模式，即有业务传输需求的时候再建立链路，传输完毕即断链。另外，由于太赫兹链路速率远高于传统微波链路，因远距离信令响应不及时出现拥塞的概率大大增加。如何通过路由规划实现负载均衡，避免拥塞的产生以及拥塞后的快速恢复机制也是需要解决的重要问题。最后，未来的空间信息网络不会仅采用单一体制，而会是太赫兹、激光、微波等多种体制异构融合的网络，需要从网络顶层架构设计上考虑多种体制的共存与兼容。例如，太赫兹波束控制相比FSO系统更灵活，可以将太赫兹用于用户链路，激光通信用于骨干链路。

4 结论

太赫兹通信技术能够缓解空间频率资源紧张的现状，其宽带、高速率的特点可以在空间信息网络中发挥多方面应用，高功率输出太赫兹器件、相控阵天线、宽带超高速信号处理及太赫兹空间组网等技术是太赫兹空间通信面向实际应用需要解决的主要技术问题。近年来，太赫兹通信在6G及其他地面应用中开始逐步布局，这将推动核心器件、信号处理技术及天线技术的快速进步，对于太赫兹空间通信也将起到有力推动作用。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5MTkwOTQyMg==&mid=2247651444&idx=3&sn=432e7c82bf162d093c0d6e9253b80faa

空天大视野

远望智库航天研究院旗下航天领域前沿资讯平台

最新文章

美空军前参谋长：取得胜利的关键是战斗机和轰炸机而非四轴飞行器

人工智能和机器学习在防御性太空对抗中的应用

美空军B-21轰炸机或在未来空中优势计划中扮演更重要角色

NASA的焦虑：新总统会继续推进载人登月吗？

国外防空武器建构原则及发展趋势

未来冲突中空中威胁的演变

美国空军启动第950频谱战大队和第17电子战中队

俄罗斯借助“急使”低轨卫星控制“地理扫描”侦察无人机

HAPS联盟推出首个HAPS参考架构系列：空中蜂窝塔

推演报告：美国如何应对与X国发生的重大太空对抗事件

美国陆军无人机战略转型

美国在“奥库斯”活动中演示各种无人机、高空气球等系统

运输航空与低空经济融合的商业前景与实践

太空探索技术公司的“星链”卫星 | 新品推荐

电子战的数字化演变

俄乌战争：诱饵无人机

集成"蝰蛇 "综合电子战系统的F-16 战斗机完成首飞

台湾推出自主研发的高空通讯气球

美太空系统司令部发布《指挥计划》

美军2025年开始部署Meadowland卫星对抗系统

美国太空部队试图打破中国远程精确打击杀伤链

陆军即将正式将“微型高空气球”作为监视行动的新要求

浅谈太赫兹高速通信在空间网络中的应用

兰德公司研究军用有人及无人驾驶飞机出厂成本参数化成本估算

隐身飞机并非完全看不见

俄乌战场上的对敌防空压制系统（SEAD）

HAPS联盟白皮书为建立高空平台系统可接受的风险水平提供指导

美太空军“草场”电子战系统通过系统验证测试

“第六代战机”——B-21“突袭者”

“星链”系统发展及发射部署情况分析

美航母舰载无人空战中心发展概览

面向手机直连的星载相控阵：关键技术与未来展望

美军的新型垂直起降运输机面向印太地区分布式作战

俄乌战场上的对敌防空压制系统（SEAD）

美国陆军牵头研发用于战场防空的高超音速火炮系统

浅析电子战下无人机的新出路

日本将在北约太空战略中发挥作用

美国空军的电动垂直起降飞机

巴基斯坦的歼-31 PK 印度的苏-30MKI，结果会怎样？

乌克兰的电子战：北约空中力量能力发展的初步经验教训

国外卫星互联网相关技术及规则发展分析

超近程/近程防空雷达：卷土重来

关岛陆基宙斯盾导弹防御系统初探

全球反卫星武器（ASAT）综述

第二届临近空间领域技术与产业大会会议通知

太空系统在俄乌冲突中的应用

美军未来空战利器——协同作战飞机

智能化无人装备发展现状及趋势研究

美陆军V-280“勇士”飞机将催生“远程突击”新型作战概念

五角大楼的新高超音速技术

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉