太赫兹无线通信

　　本书系统介绍了太赫兹器件技术、太赫兹传播和信道建模方法、太赫兹通信物理层信号处理的关键技术，以及上层潜在无线电资源分配和优化方法。鉴于研究领域的广泛性，本书列举了待解决的问题、面临的主要挑战以及未来的研究方向。本书还介绍了太赫兹通信在3GPP、 IEEE 和 ITU 标准的应用，及其在物理实验测试台中的现场实验性能。本书通过介绍太赫兹通信的原理、关键技术及其在 6G 系统中的应用，反映了太赫兹无线通信技术的前沿进展，使读者对太赫兹无线通信的发展有整体认识。本书聚焦前沿技术，注重理论联系实际，内容丰富，既可供从事太赫兹通信技术领域研究与应用的科技人员学习参考，也可作为高等院校信息与通信工程、电子科学与技术等学科师生的参考用书。

　　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 研究动机及应用001
1.1 无线通信的发展历程 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 下一代无线通信系统愿景与需求 009
1.2.1 6G愿景与发展规划 009
1.2.2 面向6G的太赫兹通信应用场景 014
1.3 太赫兹无线通信的优势 019
1.3.1 毫米波与太赫兹 019
1.3.2 红外线与太赫兹 020
1.3.3 可见光与太赫兹 021
1.4 本章小结 022
参考文献 023
第 2章 全球合作及标准化 027
2.1 国内外发展现状 028
2.1.1 美国 028
2.1.2 欧洲 030
2.1.3 日韩 032
2.1.4 中国 033
2.2 太赫兹通信标准化进程 035
2.3 本章小结 038
参考文献 038
第3章 太赫兹无线通信信号产生 041
3.1 真空电子学太赫兹辐射源 042
3.1.1 新型慢波结构切伦科夫太赫兹辐射源 042
3.1.2 电子回旋谐振脉塞太赫兹辐射源 048
3.1.3 史密斯 珀塞尔效应太赫兹辐射源 049
3.2 光子学太赫兹辐射源 052
3.3 固态半导体电子学太赫兹辐射源 059
3.4 太赫兹量子级联激光器 062
3.5 本章小结 064
参考文献 064
第4章 太赫兹固态通信系统射频收发前端 071
4.1 太赫兹肖特基势垒二极管 072
4.1.1 太赫兹肖特基势垒二极管基本原理 073
4.1.2 太赫兹二极管基本特性 075
4.1.3 太赫兹平面肖特基二极管 080
4.1.4 太赫兹平面肖特基二极管建模 082
4.1.5 太赫兹平面肖特基二极管的改进 085
4.2 太赫兹混频器 088
4.2.1 太赫兹混合集成混频技术 088
4.2.2 太赫兹GaAs单片集成混频技术 105
4.2.3 太赫兹异质集成混频技术 112
4.2.4 太赫兹高次谐波混频技术 120
4.3 太赫兹倍频器 134
4.3.1 太赫兹频段二倍频技术 135
4.3.2 太赫兹频段三倍频技术 160
4.4 太赫兹分支波导定向耦合器 172
4.4.1 分支波导定向耦合器基本理论 172
4.4.2 基于模式匹配法（MMM）的新型耦合器精确建模方法 178
4.4.3 改进型小型化耦合器电路研究 185
4.5 太赫兹腔体滤波器 191
4.6 本章小结 194
参考文献 195
第5章 太赫兹天线 199
5.1 太赫兹天线的基本类型 202
5.1.1 金属天线 202
5.1.2 介质天线 203
5.1.3 新材料天线 204
5.2 典型的太赫兹天线 208
5.2.1 太赫兹光导天线 208
5.2.2 太赫兹喇叭天线 213
5.2.3 太赫兹透镜天线 218
5.2.4 太赫兹微带天线 220
5.2.5 太赫兹片上天线 223
5.3 太赫兹天线的加工技术 228
5.3.1 太赫兹微机械加工技术 228
5.3.2 新型太赫兹工艺技术 229
5.4 本章小结 230
参考文献 230
第6章 纳米微细结构超材料 237
6.1 纳米微细结构超材料概述 239
6.2 被动型超材料结构 241
6.2.1 具有单一功能的太赫兹波前调制超材料 241
6.2.2 具有复用功能的太赫兹波前调制超材料 263
6.3 主动型超材料结构 268
6.3.1 温控超材料器件 269
6.3.2 电控超材料器件 273
6.3.3 光控超材料器件 278
6.4 本章小结 282
参考文献 282
第7章 太赫兹实验测试台 289
7.1 太赫兹分谐波混频器测试 291
7.1.1 太赫兹分谐波混频器变频损耗测试 291
7.1.2 太赫兹分谐波混频器等效噪声温度测试 293
7.2 太赫兹倍频器测试 296
7.3 太赫兹无源电路测试 298
7.4 太赫兹固态高速通信实验 301
7.4.1 220 GHz高速通信实验验证系统 301
7.4.2 220 GHz双通道高速通信实验验证系统 320
7.5 本章小结 331
参考文献 332
第8章 基本传播特性 335
8.1 自由空间传播 336
8.2 太赫兹反射、散射等传播机制 337
8.2.1 反射、散射、绕射以及透射效应 337
8.2.2 太赫兹频段内的反射射线传播 337
8.2.3 太赫兹频段内的散射射线传播 339
8.2.4 太赫兹频段内的绕射射线传播 340
8.3 大气分子吸收及雨雾衰减 342
8.3.1 大气分子吸收效应 342
8.3.2 天气因素的影响 346
8.4 本章小结 348
参考文献 348
第9章 信道建模 351
9.1 太赫兹信道建模概述 352
9.2 确定性信道建模 353
9.2.1 单输入单输出系统的射线追踪法 354
9.2.2 单输入单输出系统的时域有限差分法 355
9.2.3 超密集多输入多输出系统的射线追踪法 356
9.3 统计性信道建模 358
9.3.1 单输入单输出系统的统计性信道模型 358
9.3.2 超密集多输入多输出系统的统计性信道模型 360
9.4 常用的太赫兹信道模型 364
9.4.1 多径传播模型 364
9.4.2 无线片上信道模型 366
9.4.3 车载信道模型 373
9.5 本章小结 378
9.5.1 单输入单输出信道建模 378
9.5.2 超密集多输入多输出信道建模 380
参考文献 381
第 10章 信道测量 387
10.1 太赫兹信道测量概述 388
10.2 室内信道测量 389
10.2.1 基于矢量网络分析仪的信道测量与信道测量系统 389
10.2.2 基于太赫兹时域光谱仪的信道测量与信道测量系统 398
10.3 室外信道测量 400
10.3.1 基于滑动相关法的信道测量 400
10.3.2 基于滑动相关法的太赫兹信道测量系统 401
10.4 本章小结 403
参考文献 404
第 11章 信道编码、调制与波形设计 407
11.1 信道编码 409
11.1.1 信道误差模型 411
11.1.2 低权重信道编码 414
11.2 飞秒脉冲调制 415
11.2.1 基于飞秒脉冲的TS-OOK调制 416
11.2.2 单用户场景性能分析 418
11.2.3 多用户场景性能分析 421
11.3 分层调制 422
11.3.1 调制器、解调器结构 423
11.3.2 分层带宽调制星座图 425
11.3.3 性能分析 426
11.4 宽带波形设计 427
11.4.1 太赫兹频段中的多宽带通信 427
11.4.2 宽带波束设计 430
11.5 本章小结 433
参考文献 433
第 12章 超大规模MIMO传输 435
12.1 超大规模天线阵列 436
12.1.1 等离子体纳米天线阵列 437
12.1.2 超大规模MIMO通信 441
12.1.3 UM-MIMO通信系统 445
12.2 信道状态信息获取 447
12.2.1 传统信道估计方法 448
12.2.2 信道反馈方法分析 452
12.3 波束成形技术 453
12.3.1 基于UM-MIMO的联合两级波束成形 454
12.3.2 波束控制码本的宽带波束成形 460
12.4 本章小结 464
参考文献 464
第 13章 波束对准和追踪 467
13.1 稀疏编码 468
13.1.1 稀疏编码算法 469
13.1.2 稀疏信号处理问题 470
13.1.3 基于稀疏性的波束空间MIMO 470
13.2 波束快速对准 472
13.2.1 基于DoA的波束对准 472
13.2.2 基于PBS的BDMA波束对准 478
13.3 宽带波束追踪 489
13.3.1 基于AoSA-MUSIC-T的DoA追踪 489
13.3.2 先验辅助信道追踪 493
13.4 本章小结 497
参考文献 498
第 14章 无源智能超表面反射 501
14.1 IRS应用场景 503
14.1.1 IRS覆盖增强场景 503
14.1.2 IRS安全通信场景 505
14.1.3 IRS无人机通信场景 507
14.1.4 IRS边缘计算场景 508
14.1.5 IRS感知与定位场景 510
14.1.6 IRS非正交多址接入场景 511
14.2 IRS关键技术 512
14.2.1 IRS硬件设计 512
14.2.2 IRS信道估计 514
14.3 IRS容量优化 516
14.3.1 IRS波束成形 518
14.3.2 IRS资源分配 519
14.3.3 IRS稳健设计 521
14.4 IRS面临的挑战与机遇 522
14.4.1 IRS信道测量与建模 522
14.4.2 IRS测试平台搭建 523
14.4.3 IRS部署与组网 525
14.5 本章小结 527
参考文献 527
第 15章 无线网络干扰和覆盖 529
15.1 随机几何理论和无线网络 531
15.1.1 一般点过程和泊松点过程 532
15.1.2 泊松点过程的性质 534
15.2 二维空间场景干扰及覆盖 536
15.2.1 一般网络下干扰和覆盖的建模 536
15.2.2 太赫兹网络干扰和覆盖模型 539
15.3 三维空间场景干扰及覆盖 542
15.4 太赫兹网络性能参数 544
15.5 本章小结 545
参考文献 545
第 16章 媒体接入控制与多址接入 547
16.1 太赫兹MAC协议特性 548
16.1.1 物理层相关设计要点 549
16.1.2 MAC层相关设计要点 553
16.1.3 MAC协议决策和设计挑战 557
16.2 太赫兹MAC协议性能参数 560
16.3 多址接入技术 564
16.3.1 调度访问多址接入技术 565
16.3.2 随机访问多址接入技术 571
16.4 本章小结 577
参考文献 578
第 17章 定向组网技术 579
17.1 邻居节点发现技术 580
17.1.1 定向天线使用模式 581
17.1.2 经典的邻居节点发现技术 583
17.1.3 利用旁瓣信息的邻居节点发现算法 584
17.1.4 性能评估 588
17.2 多连接技术 590
17.2.1 多连接技术概念 591
17.2.2 技术要点及分析 597
17.2.3 多频段共存的太赫兹MAC协议 603
17.3 高低频协作技术 608
17.3.1 高低频协作的重要性 608
17.3.2 低频辅助的MAC协议 609
17.3.3 性能分析 614
17.4 本章小结 617
参考文献 618
第 18章 物理层安全传输 619
18.1 定向波束安全传输 622
18.1.1 太赫兹传输模型 622
18.1.2 问题描述 624
18.1.3 大规模阵列天线增强指向性 624
18.1.4 定向波束的安全性分析 625
18.2 基于距离自适应的跳频技术 626
18.2.1 系统模型 627
18.2.2 优化问题表述 628
18.2.3 优化问题的次最优解 629
18.2.4 距离自适应跳频的安全性分析 632
18.3 IRS辅助的物理层安全传输 633
18.3.1 系统模型和问题描述 634
18.3.2 预编码设计以及针对IRS相位的连续设计方法 636
18.3.3 基于交替优化思想的联合设计方法 638
18.3.4 仿真结果 639
18.4 本章小结 643
参考文献 643
名词索引 645