據北京大學官微介紹，近日，北京大學電子學院教授王興軍團隊與香港城市大學教授王騁團隊通過創(chuàng)新光電融合架構，首次實現全頻段、靈活可調諧的高速無線通信，克服了帶寬、噪聲性能與可重構性之間難以兼顧的挑戰(zhàn)，有望為未來更暢通可靠的6G無線通信提供保障。相關成果已于8月27日晚在線發(fā)表于《自然》。
未來下一代無線通信網絡將著眼于滿足日益增長的泛在接入需求，尋找動態(tài)實時利用全頻譜資源支持多樣化應用場景。這項現實的應用需求，對于所應用的材料提出了全新的挑戰(zhàn)：高頻毫米波和太赫茲波段將提供更高的數據速率和更低的時延，從而支持擴展現實（XR）、遠程手術等新興數據密集型業(yè)務；而低傳播損耗的Sub-6 GHz、微波等波段則繼續(xù)為城市或偏遠區(qū)域提供廣域覆蓋。此外，系統(tǒng)還需具備實時頻譜重構能力，以確保在復雜頻譜環(huán)境中的高效利用和穩(wěn)定連接。
無線網絡全域覆蓋愿景與傳統(tǒng)方案局限性分析示意圖
然而，為實現這種自適應全頻段靈活無線通信的愿景，還需要一種兼顧“全頻段無線信號”、“小型化或輕量化集成”及“低功耗運行”等多種功能的通用型硬件解決方案。目前，由于傳統(tǒng)電子學硬件之間頻段不同，其所依賴的設計規(guī)則、結構方案、材料體系均有所不同，僅可在單個頻段工作，難以實現跨頻段乃至全頻段范圍的工作。這個顛覆性的技術問題已困擾行業(yè)多年，此前，美國芯片巨頭英特爾曾嘗試與日本電信運營商NTT及韓國芯片生產商SK Hynix合作，試圖解決功耗、計算速度等問題，半導體基板公司新光電氣和半導體存儲器公司鎧俠也將啟動類似技術的研究。
兼顧多重功能突破技術難關
為此，研究團隊提出了“通用型光電融合無線收發(fā)引擎”的概念，基于先進的薄膜鈮酸鋰光子材料平臺，成功研制出超寬帶光電融合集成芯片，實現了超過110 GHz覆蓋范圍的自適應可重構高速無線通信。這種芯片在11 mm × 1.7 mm的微小功能區(qū)域內，對寬帶無線-光信號轉換、可調諧低噪聲載波或本振源產生以及數字基帶調制等完整無線信號處理功能進行了集成，實現了系統(tǒng)級的高度集成。
超寬帶光電融合集成技術賦能超寬帶泛在接入無線網絡示意圖
團隊進一步基于該核心芯片提出了高性能光學微環(huán)諧振器的集成光電振蕩器（OEO）架構。該架構通過高精度微環(huán)的頻率精確選擇振蕩模式，從而產生在超寬帶范圍內任意頻點的低噪聲載波與本振信號。相比傳統(tǒng)基于倍頻器的電子學方案，OEO系統(tǒng)首次實現了0.5 GHz至115 GHz中心頻率的實時、靈活、快速重構能力。其跨越近8個倍頻程的低噪聲信號調諧性能，是迄今為止任何其他平臺或技術方案均無法企及的突破。這一方案同時從原理上規(guī)避了傳統(tǒng)倍頻鏈因噪聲累積而導致高頻段相位噪聲急劇惡化的問題，從而徹底克服了以往系統(tǒng)在帶寬、噪聲性能與可重構性之間難以兼顧的根本挑戰(zhàn)。
團隊的實驗驗證表明，該系統(tǒng)可實現>120 Gbps的超高速無線傳輸速率，滿足6G通信的峰值速率要求。尤為關鍵的是，得益于光電融合集成芯片的超寬帶特性，端到端無線通信鏈路在全頻段內展現出卓越的性能一致性，且高頻段性能未見劣化。這一突破性成果為6G通信高效開發(fā)太赫茲及乃至更高頻段的頻譜資源掃清了關鍵障礙。
進一步，得益于光電融合集成的可調諧特性，該系統(tǒng)支持工作頻率的實時重構。即使在信道受噪聲干擾或多徑效應等被動影響而劣化時，仍能通過動態(tài)切換至安全頻段確保通信可靠性。以萬人聚集的演唱會、體育賽事等場景為例，傳統(tǒng)無線設備往往采用相同且固定的頻率，導致用戶之間相互干擾，網絡體驗大打折扣。而該技術則如同搭建了一條“寬闊的高速公路”。在其賦能下，周圍基站與用戶手機能夠智能地在不同頻段間進行切換以實現通信。每一臺用戶設備都能找到“專屬通道”，自由且高效地選擇不擁堵、通暢的頻段開展通信，有效避免了信號擁堵和干擾問題，極大提升了通信質量與效率。
全頻段無線通信星座圖及誤碼率結果
開創(chuàng)未來領跑行業(yè)發(fā)展
這項發(fā)現提出全頻段重構的解決方案，將催生更為靈活、智能的AI無線網絡，并重塑未來無線通信的格局。其不僅能夠基于“AI原生“的理念，通過植入AI算法實現硬件參數的動態(tài)自適應調整，從而應對復雜多變的通信環(huán)境，還能夠被應用于通信感知一體化場景，通過加載線性調頻信號，同步實現實時數據傳輸與環(huán)境精準感知。該方案還將產生顯著的產業(yè)鏈帶動效應，特別是為寬頻帶可重構天線等關鍵器件的創(chuàng)新發(fā)展注入新動力。
研究團隊表示，未來將著力提升系統(tǒng)集成度，以實現激光器、光電探測器和天線的單片集成，最終實現可適配任何系統(tǒng)的"即插即用"型智能無線通信模組。團隊期待這項研究能成為下一代無線通信技術革命的技術引擎，帶動整個產業(yè)生態(tài)的協(xié)同創(chuàng)新與跨越式發(fā)展，實現我國在該領域從跟跑、并跑到領跑的跨越式發(fā)展。
本文鏈接：我國科學家在6G無線通信領域取得新突破http://www.sq15.cn/show-3-153697-0.html
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