12月17日，中國科學技術大學徐正元教授聯(lián)合其博士后研究員劉偉杰博士和清華大學王昭誠教授以及英國南開普敦大學Lajos Hanzo教授，在國際學術期刊《數(shù)字通信與網(wǎng)絡（英文）》（Digital Communications and Networks）上發(fā)表了“拍赫茲通信：用于無線通信的光譜融合”（“Petahertz communication: harmonizing optical spectra for wireless communications”）的研究成果，為第六代（6G）移動通信提供了新思路。

目前，第五代（5G）移動通信已進入商用化部署，各國紛紛瞄準未來6G移動通信展開研究工作，力圖搶占技術快車道。為了實現(xiàn)全頻譜和空間全覆蓋的終極目標，有必要梳理人類所有可用的無線通信頻段，在排除具有強輻射且對人體有害的X光波段以及太赫茲（Terahertz）頻段之后，拍赫茲（Petahertz）頻段成為僅剩的可用通信頻譜資源。

圖1. 拍赫茲頻譜及其相鄰的太赫茲和X光譜

近年來，針對特定應用場景，學術界和產(chǎn)業(yè)界曾嘗試以多種光波作為信息載體的無線光通信（OWC）技術，包括基于照明LED的可見光通信（VLC）、室內紅外光通信（IRC）、車載紫外光通信（UVC）、空間激光通信（FSOC）、光保真（LiFi）、水下藍綠光通信等。上述技術僅使用拍赫茲頻段內的碎片化頻譜，嚴重制約了通信網(wǎng)絡全局資源優(yōu)化性能，也不能很好地適應多種應用環(huán)境和不同類型終端，甚至無法滿足用戶特殊的信息安全和抗干擾要求，比如VLC往往還要借助于IRC或WiFi技術來實現(xiàn)網(wǎng)絡雙向通信和區(qū)域覆蓋功能，不可避免帶來信息泄露和視覺干擾。

拍赫茲通信擁有超大帶寬和超高空間分辨能力，能兼容匹配多種形態(tài)的新型移動終端和空-天-地-海的全空間應用場景，比如室內超大帶寬互聯(lián)、高精度定位、大規(guī)模工業(yè)機器通信、車聯(lián)網(wǎng)、水下物聯(lián)網(wǎng)、空間互聯(lián)網(wǎng)等等，滿足人-機-物互通互聯(lián)。

圖2. 全空間拍赫茲通信場景

論文首次提出了拍赫茲通信新體系框架，突破了傳統(tǒng)肉眼視覺的光譜分段方法，有機融合紅外光、可見光和紫外光多段頻譜，實現(xiàn)拍赫茲全頻段的有效開發(fā)利用。通過頻譜感知智能選擇波長與空間通道，揭示了全頻段信號傳輸特性和環(huán)境噪聲影響，展現(xiàn)了拍赫茲通信在室內、室外和水下等全空間場景下的通信距離和數(shù)據(jù)速率性能極限，比如室內速率高達幾十太比特每秒（Tbps）、水下距離遠至500米，并挖掘了拍赫茲載波潛在的偏振和角動量維度特征以用于信號調制與復用，能實現(xiàn)通信鏈路和網(wǎng)絡的靈活智能配置，服務于全息通信等新型高速業(yè)務與應用。

圖3. 拍赫茲通信在典型場景下的通信速率與距離性能

（A:室內多種發(fā)射功率和光束角下的性能，B:水下三種類型水體和四種波長下的性能）

作為2010年IEEE通信學會無線光通信國際研討會的創(chuàng)始主席和國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973）首席科學家，徐正元教授自2014年起逐年入選愛思唯爾中國高被引學者榜單，帶領團隊在無線光通信研究方面已取得了一系列科研成果，包括作為第一作者或者共同作者出版的三部專著：《水下無線光通信》（人民郵電出版社，2021），《室外可見光通信與智能交通》（人民郵電出版社，2019），以及《Visible Light Communications: Modulation and Signal Processing》（Wiley-IEEE Press, 2017），其中中文專著入選國之重器出版工程，英文專著入選IEEE數(shù)字和移動通信系列叢書，部分成果還入選了科技部編著的《中國基礎研究發(fā)展報告》 （科學出版社，2019），為拍赫茲通信的研究工作奠定了良好基礎。

《數(shù)字通信與網(wǎng)絡（英文）》是國內主辦的英文開源季刊，自2014年創(chuàng)刊起，對標信息與通信工程學科的國際一流期刊，由中國工程院前院長和國家信息化專家組咨詢委員會委員鄔賀銓院士出任榮譽編輯，編委會成員有一半以上是海外通信領域知名專家，其中絕大部分是IEEE Fellow。該期刊被列為SCI數(shù)據(jù)庫收錄Q1區(qū)，每年出版四期，每期出版論文數(shù)量控制在十五篇左右，2021年入選中國通信學會T1級期刊。

中國科學技術大學徐正元教授為論文第一作者，清華大學王昭誠教授為論文通訊作者。該研究成果得到了國家自然科學基金委重點項目（61631018）、中科院前沿科學重點項目（QYZDY-SSW-JSC003）和先導專項（XDA22000000）支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.dcan.2021.08.001