撰稿人 | 启墨
论文题目 | 太赫兹无线网络的单发链路发现
Single-shot link discovery for terahertz wireless networks
作者 | Yasaman Ghasempour, Rabi Shrestha, Aaron Charous, Edward Knightly & Daniel M. Mittleman
完成单位 | 莱斯大学电气与计算机工程系，布朗大学工程学院
概述
2020年4月24日，莱斯大学电气与计算机工程系Edward Knightly教授团队和布朗大学工程学院Daniel M. Mittleman教授团队合作在国际著名期刊《自然·通讯》发表了题为“太赫兹无线网络的单发链路发现（Single-shot link discovery for terahertz wireless networks）”的研究成果。该论文报道了使用漏波波导解决太赫兹波段通信链路快速发现和移动设备追踪难题的方法，对于推进太赫兹通信网络的协议构建及实际应用具有重要意义。
研究背景
近年来，随着移动互联网的发展，数据流量的需求呈现爆炸式增长，对无线网络的传输速率提出了越来越高的要求。太赫兹波段（0.1-10 THz）通信技术由于其超高的传输速率（10 Gbps-1 Tbps）有望应用于下一代无线通信网络。然而，在太赫兹无线网络建立过程中，链路发现仍然是最关键和亟待研究的问题之一。在无线网络中，节点之间的方向信息对于波束的赋形和控制至关重要，也是保持链路质量的基础。当前无线网络中使用的无线电波可以通过全向广播传输数据，链路发现和保持相对较为容易。随着载波频率增加，衍射效应逐渐减弱，通信链路中的波束越来越窄，方向性增强，这使得发射器和接收器之间的链路快速建立和保持更具挑战性。现有网络使用的链路发现方法在太赫兹通信中会变得非常耗时，因此需要一种替代策略。
技术突破
研究人员设计了如图1所示的实验装置，其中发射器和移动接收器都配备有漏波波导。漏波波导由两块间距为1.04 mm的铝板构成（对应TE1模式截止频率~144 GHz），其中一块铝板上有开口，允许太赫兹波从开口处向外辐射。发射器使用宽带脉冲光源激发波导的TE1模式，宽带太赫兹波通过漏波波导以“太赫兹彩虹”的形式在一定频率范围内填充空间。不同传播方向上的太赫兹波频率满足如下条件：
其中φ是传播方向与波导传播轴之间的夹角，fc为波导的截止频率。这意味着频谱内的每个频率都应以某个唯一的角度从缝隙孔中出射。因而位于不同角度方位的接收器会接收到不同频率的太赫兹波，通过接收器反馈其接收的太赫兹波频率便可精确地确定其角度方位。接收器在不同角度方位可以接收的太赫兹波频率信息如图2所示。
如果接收器的波导与发射器的波导平行，则特定频率范围的信号将耦合到其波导中；如果接收器旋转某一角度，则接收到的太赫兹信号频率范围也会相应地发生变化。这样通过分析接收器接收到的太赫兹频率即可判断接收器相对于发射器的角度方位以及旋转信息，因而可以一次性、被动地完成整个链路发现过程。此外，此方案采用脉冲信号进行链路发现，且不依赖于太赫兹信号波的相位信息，可以快速进行多次测量，当接收器位置发生移动时，也可以对接收器的位置进行跟踪。
图1 a.漏波波导被宽带输入信号激发后发出的“太赫兹彩虹”。同时采用漏波波导的接收器捕获此宽带信号的一部分。b.实验示意图：阐明了接收器波导平行于发射器波导以及出现一定角度旋转的情况。接收器所接收频谱的范围不仅可以用于确定接收器所处的角度方位信息，而且可以用于确定接收器相对于发射器的旋转角度。（TX：发射器；RX：接收器）
图2 a.用宽带输入激发后，漏波波导以发射角ϕ0（在图1b中定义）发射的辐射光谱图（左下区域的弧线对应于TE1波导模式，右上方的较弱部分对应于高阶TE波导模式。TE1模式信号约占总辐射能的90％。）。b.对在a中测得的光谱角度关系的两种不同预测。
观点评述
相比于目前的微波通信，太赫兹通信拥有超高带宽、高方向性等优势。太赫兹波的高方向性使得太赫兹通信具有更好的保密性和抗干扰性，但是却对太赫兹通信网络的链路发现带来了巨大挑战。太赫兹通信中为了实现设备之间的连接，收发两端波束必须同时对准对方，由于太赫兹波束的高方向性，通过扫描方式寻找接收器的时间成本将非常高昂，且不易实现对移动接收器的跟踪。
该工作使用漏波波导将宽带脉冲太赫兹波以不同角度发射，根据接收器接收到的频率信息，可以一次性地精确确定覆盖范围内所有接收器的位置，快速完成链路发现过程。该过程的实现仅仅依赖于频率信息，具有错误率低、速度快的优势，兼容未来网络低时延的要求，并且对于实现移动通讯设备的实时跟踪以及高链路质量的保持具有十分重要的意义。此外，该方案中使用的漏波波导具有结构简单、成本低、易于加工和集成的优势，可以通过集成多个波导或者优化波导开口结构实现更大的覆盖范围。
但需要注意的是，目前该工作只是在数十厘米距离的范围内进行的小规模可行性测试，在实际应用中还要解决太赫兹光源功率不足以及在太赫兹波到达接收器之前从墙壁、地面以及其他物体上反射的问题。