太赫兹无线通信

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