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*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