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全球THz通信标准化的进展及展望

供稿人:李远东  供稿时间:2015-3-23   关键字:THz  近距离通信  ITU-R  
笔者注:大量的研究表明,与微波通信和光纤通信相比,THz频段在通信领域的应用在传输速率、方向性、安全性、穿透性等方面具有较大的优势。虽然很多国家和机构都在大力进行THz频段通信的研究,并取得了一定的阶段性成果,但是依然有很多的难题需要解决。所以,目前主要是发展近距离、大容量的THz频段无线通信系统,该类型的系统有望被广泛地应用于无线接入网络以及近距离大数据量无线传输等方面。
 
ITU日本的官方刊物New Breeze的“技术趋势”栏目于2015年元月发布的Recent Standardization Activities in the Terahertz Communication Field一文(有3位来自NICT Advanced ICT Research Institute(NICT高级信息通信技术研究所)的共同作者,分别为:研究所“THz与毫米波信息通信技术实验室”主任Akifumi Kasamatsu先生、研究所主任Iwao Hosako先生、研究所客座专家研究员Hiroyo Ogawa先生),综合介绍了全球THz通信标准化的最新进展,并对未来要做的工作进行了展望,具有一定的参考价值,所以进行编译介绍,具体如下文所述。
 
1、引言
 
RR(Radio Regulation,《国际无线电法规》)的脚注No. 5.565明确指出,275 GHz频点以上的频段可被用于试验各种被动服务与主动服务。但是依据Resolution 950(Rev.WRC-07),2012年全世界无线电通信大会WRC-12的议题1.6对脚注No. 5.565进行了修订,为卫星地球探测业务、空间研究业务、射电天文业务这三大被动服务应用指配了特定的通信频段,并在未来完成面向275~1000 GHz频段的主动服务的频率指配表之前,对这些被动服务应用进行干扰保护。
 
另一方面,可工作于275 GHz及以上频段的器件/设备的研发在最近取得了快速的进展,对于这些频段的无线电传播特性的研究也取得了一定的进展,基于这些频段的短距离、大容量无线通信系统也已在最近获得了超过100 Gbps的数据传输速率。此处尤其值得一提的是,在短距离无线通信领域,IEEE 802.15.3d(IEEE所制定的WPAN(Wireless Personal Area Network,无线个域网)系统国际标准)有望在未来的几年制定完成(笔者注:无线个域网是具有重要的现实意义和产业化前景,受到全球工业界、学术界和标准化组织的广泛关注,全球已有很多相关的研究项目)。业界所设想的是,IEEE 802.15.3d标准将被应用于构建基于60 GHz频段及其他更多频段、数据传输速率可以达到1~100 Gbps、有着包括信息亭与收费站下载系统。
 
为了将这些研发与标准化活动的成果应用于ITU-R关于275 GHz频点以上频段的使用方式的研究之中,ITU-R WP 1A已经启动了一项旨在促进相关主动服务业务与各项被动服务业务在275 GHz频点以上频段的兼容性与资源共享的前期初步研究。
 
本报告就介绍ITU-R WP 1A相关工作在近期所取得的进展,并对各项主动服务业务在275 GHz频点以上频段的频率指配进行讨论。
 
2ITU-R WP 1A的研究方向
 
1)新的研究课题
 
由于其他一些国际标准化组织也正在研究275 GHz频点以上频段无线频谱资源的使用方式,对于ITU-R而言,研究各项主动服务业务运行于275~1000 GHz频段所需要解决哪些技术问题与运行问题、如何与No. 5.565修订版本中卫星地球探测业务、空间研究业务、射电天文业务这三大被动服务应用相共存(互不干扰)的问题,就成了当务之急。为此,在ITU-R WP 1A于2012年6月所举行的一个会议上,NICT的相关研究团队提议了一个新的研究课题,专门用以研究各项主动服务业务运行于275~1000 GHz频段的技术特征与运行特征,及其与该频段中各项被动服务业务的兼容性。这一新的研究课题的相关信息也被ITU-R WP 1A提供给了ITU-R其他的WPs(Working Parties,工作组),并发出了征询以下三大方面的信息的相关文件:
 
(1)各项主动服务业务运行于275~1000 GHz频段的相关规划所需的无线传播数据;
 
(2)各项主动服务业务运行于275~1000 GHz频段的技术特征、运行特征、技术参数以及运行参数;
 
(3)各项主动服务业务与各项被动服务业务运行于275~1000 GHz频段所需的共享性。
 
相关信息征询获得了反馈:ITU-R WP 3M以ITU-R P.676、P.838 以及P.840输出了相关建议,ITU-R WP 7D也输出了ITU-R RA.2189报告。
 
基于这些反馈回来的信息,2013年6月,NICT的相关研究团队再次将相关课题的可行性报告提交给ITU-R WP 1A,并获得了批准,然后被ITU-R SG1采用,再分发至国际电信联盟ITU的各个成员国征求是否同意立项的意见。最终在2013年11月,该项新的研究课题的立项获得了正式批准。
 
2)新的草案报告——ITU-R SM.[THZ.TREND]
 
2013年6月,NICT的相关研究团队为新的草案报告ITU-R SM.[THZ.TREND]提交了一份工作文档,介绍了在275~1000 GHz频段发展各项主动服务业务的技术趋势(比如THz无线通信、传感与成像的技术趋势)。
 
2014年6月,又新增了以下5项新的提案:
 
(1)对ITU-R WP 1A的主席报告进行修改,把THz无线通信作为其主要的主题。并根据相关事务的发展现状、Resolution 118、Resolution 950(Rev.WRC-07)以及对于有关THz频谱问题与IEEE802.15.3d标准化的最新进展,修改主席报告的序言。
 
(2)在WRC-12大会议题1.6中已被修订的RR脚注No. 5.565中加入一个新的包含RR信息的部分。
 
(3)利用“亚THz频段multi-Gbps无线通信技术”研发项目的研究成果,增加300 GHz频段收发器技术以及THz频段无线通信的应用场景。
 
(4)利用“ICT之于社会安全与保障——THz频段技术”研发项目的研究成果,增加THz摄像机技术。
 
(5)增加能发射THz光的光源、材料分析趋势、非接触式评估方式等其他关键的THz技术趋势。
 
上述新增的提案获得了ITU-R WP 1A的通过。但是对有关各项主动服务业务与各项被动服务业务在275~1000 GHz频段的兼容共存进行初步研究,则要延后进行。
 
由于课题的研究内容发生了很大的变化,ITU-R WP 1A就以“联络声明”的形式向ITU-R中与THz频段研究的相关工作组ITU-R WP7C 以及ITU-R WP7D发布了RFC(Requests For Comments,请求评论)文档。此外,NICT的相关研究团队也面向ITU-R SM.[THZ.TREND]递交了一份涉及工作文档更新的提案。ITU-R SM.[THZ.TREND]也被附加到了ITU-R WP 1A的主席报告之中。
 
3AWGAPT/Asia-Pacific Telecommunity Wireless Group,亚太电信组织无线工作组)的相关工作成果
 
由于衰减太大(笔者注:即无线传播损耗很大),工作于高于275 GHz频点的频段的信号的传输距离就很短,但是却具有很大的物理带宽资源(如表1所示)。因此,ITU-R的草案报告就引用了3个短距离、大容量的无线通信系统,以此作为THz频段通信的示例。
 
1  THz频段的频率范围以及具有连续频谱资源的物理带宽
 
频率范围
连续的带宽
衰减值
200~320 GHz
120 GHz
<10 dB/km
275~320 GHz
45 GHz
<10 dB/km
335~360 GHz
25 GHz
<10 dB/km
275~370 GHz
95 GHz
<100 dB/km
380~445 GHz
65 GHz
<100 dB/km
455~525 GHz
70 GHz
<100 dB/km
625~725 GHz
100 GHz
<100 dB/km
780~910 GHz
130 GHz
<100 dB/km
 
与此同时,虽然AWG下面的一个任务组——TG-SRD(TG-Short Range Devices,短距离通信设备任务组)正在研究与短距离通信设备的相关技术,但是在于2014年9月举行的AWG-17会议上,NICT也向TG-SRD提交了一个新的工作项目提议——研究近距离无线通信系统。
 
假设诸如运行于275~1000 GHz频段的近距离无线通信系统等主动服务在几年之后能在全球范围内获得推广,相关的提案对ITU-R、IEEE 802、NICT以及其他组织目前正在研究的275~1000 GHz频段近距离无线通信系统的技术发展趋势进行了总结,并建议AWG也开展275~1000 GHz频段近距离无线通信系统的相关研究,还支持亚太电信组织APT的各个成员国家讨论运行于275~1000 GHz频段的各项主动服务的新频段的指配。
 
4、关于频谱识别与指配的未来工作
 
今年11月的WRC-15(2015年全世界无线电通信大会)将会对RR进行修改。但是WRC-15大会没有涉及到275~1000 GHz频段的相关议题,因此,275~1000 GHz频段的相关议题有望在WRC-19(2019年全世界无线电通信大会)上确立。
 
在亚洲,一般地,当面向全世界无线电通信大会WRC提出一项新的议题时,要先召开APG(APT Conference Preparatory Group,APT会议筹备组)会议,然后,以APC(APT Common Proposal,APT共同建议)的形式提交给WRC。在此过程之中,APT各成员国需要同步进行相关的准备与协商工作。
 
在未来,基于ITU-R WP1A以及AWG的研究成果,一份新的关于频谱识别以及/或者275 GHz频段的频谱指配的WRC决议将会被提交给APG,并在WRC-15大会期间与全球其他洲的代表以协商的形式进行讨论。
 
5、结论
 
NICT已经率先研究了毫米波频段(包括60 GHz频段、70 GHz频段以及90 GHz频段)无线通信技术,但是目前急切需要发展各类移动终端的大容量无线通信,因此,就不仅需要为相关应用提供可用的新的无线频谱资源,而且还需要修改《国际无线电法规》,以在高于275 GHz频点的物理频段上提供新兴类型的主动服务。在考虑到上述这些因素的同时,NICT计划将进行THz频段近距离无线通信系统的研发。
 
参考文献
 
[1] Akifumi Kasamatsu, Iwao Hosako, Hiroyo Ogawa. Recent Standardization Activities in the Terahertz Communication Field [J]. New Breeze, 2015, (1): 22-23.

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