[论文解读] Full-Spectrum Wireless Communications for 6G and Beyond: From Microwave, Millimeter-Wave, Terahertz to Lightwave

Wei Jiang, Hans D. Schotten|arXiv (Cornell University)|May 11, 2023

Advanced Photonic Communication Systems被引用 6

一句话总结

本文提出了全谱无线通信（FSWC）——一种面向6G及未来的创新框架，整合了从微波到光波波段的整个电磁频谱，以应对频谱稀缺问题并实现极高的数据速率。通过利用尚未充分使用的太赫兹和光波波段，FSWC能够实现高光谱效率的新通信范式，但其在传播建模、硬件设计和跨频段协调方面仍面临挑战。

ABSTRACT

As of today, 5G is rolling out across the world, but academia and industry have shifted their attention to the sixth generation (6G) cellular technology for a full-digitalized, intelligent society in 2030 and beyond. 6G demands far more bandwidth to support extreme performance, exacerbating the problem of spectrum shortage in mobile communications. In this context, this paper proposes a novel concept coined Full-Spectrum Wireless Communications (FSWC). It makes use of all communication-feasible spectral resources over the whole electromagnetic (EW) spectrum, from microwave, millimeter wave, terahertz (THz), infrared light, visible light, to ultraviolet light. FSWC not only provides sufficient bandwidth but also enables new paradigms taking advantage of peculiarities on different EW bands. This paper will define FSWC, justify its necessity for 6G, and then discuss the opportunities and challenges of exploiting THz and optical bands.

研究动机与目标

• 通过利用整个电磁频谱，解决5G及未来6G网络日益严重的频谱稀缺问题。
• 通过将通信扩展至太赫兹和光波波段，克服当前射频波段的局限性。
• 实现能够利用不同频段独特传播与传输特性的新型通信范式。
• 为微波、毫米波、太赫兹和光波波段之间的跨频段资源分配与信号处理提供统一框架。
• 证明全谱集成在技术与系统层面的可行性，以支持下一代无线系统。

提出的方法

• 提出一个整体性框架——全谱无线通信（FSWC），统一实现整个电磁频谱的通信。
• 将微波、毫米波、太赫兹和光波波段（红外、可见光、紫外）整合为一个连贯的通信系统。
• 分析不同频段的传播特性与路径损耗模型，包括自由空间路径损耗和大气吸收效应。
• 通过讨论太赫兹和光波波段的潜在收发器设计，解决硬件限制，包括调制与波束成形技术。
• 引入跨频段信号处理与资源分配策略，实现频段间无缝切换与复用。
• 运用信息论与信号处理原理，对全频谱范围内的频谱效率与容量增益进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地利用整个电磁频谱，以满足6G的极端带宽需求？
• RQ2 太赫兹与光波波段具有哪些可被用于高速通信的独特传播与信道特性？
• RQ3 设计太赫兹与光波波段收发器与波形的关键技术挑战是什么？
• RQ4 如何在微波、毫米波、太赫兹与光波波段之间实现无缝集成与动态资源分配？
• RQ5 全谱接入在传统基于射频的系统之外，能催生哪些潜在的新通信范式？

主要发现

• 通过利用太赫兹与光波波段丰富的带宽，FSWC可实现每秒太比特级的数据速率。
• 本文指出，太赫兹与光波波段存在显著的路径损耗与大气吸收，是主要的传播挑战。
• 光波波段（可见光与红外）具有高光谱效率与视 Line-of-Sight 优势，适用于短距离、高容量链路。
• 太赫兹波段（0.1–10 THz）是一个前景广阔但尚未充分探索的领域，具备实现每秒千兆比特至太比特级传输的潜力。
• 跨频段协调与动态频谱共享对于实现无缝连接与最大化频谱效率至关重要。
• 多频段集成需要新型信号处理与硬件架构，以管理不同频率区域之间的干扰与波束成形。