x第五章未來通信技術x目錄5.16G無線通信5.2光通信5.3中微子通信5.4量子通信5.5人體通信x5.1

6G無線通信x一、6G無線通信1.6G的研究現(xiàn)狀

2019年，我國實現(xiàn)了5G的預商用后，2020年開始了大規(guī)模的商用，與此同時，對6G的初步探索也正在開啟。如果說從1G到4G主要改變的是“生活”，5G將改變“社會”，那么6G相比于5G將更大程度地改變“社會”——

萬物互聯(lián)始于5G，發(fā)展于6G。以此可見，6G的戰(zhàn)略重要性必將更甚于5G，未來也將成為國之重器。6G網(wǎng)絡將構建地面無線與衛(wèi)星通信集成的全連接世界，將衛(wèi)星通信整合到6G移動通信中，讓網(wǎng)絡信號可以抵達任何一個偏遠地方，并以超快的速度實現(xiàn)萬物互聯(lián)，讓人類享受到前所未有的沉浸式場景、逼真式體驗。6G移動通信網(wǎng)絡x一、6G無線通信1.6G關鍵技術a.太赫茲技術6G的一個顯著特點就是邁向了太赫茲時代。作為6G關鍵技術，太赫茲技術被業(yè)界評為“改變未來世界的十大技術”之一，發(fā)達國家將它列為頻譜的科技戰(zhàn)略制高點，美國則將它列為改變?nèi)祟惖那八拇蠹夹g之一。b.超大規(guī)模天線技術超大規(guī)模天線技術是更好發(fā)揮天線增益，提升通信系統(tǒng)頻譜效率的重要手段。c.網(wǎng)絡技術有觀點認為，6G網(wǎng)絡是5G網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡及深海遠洋網(wǎng)絡的有效集成。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡涵蓋通信、導航、遙感遙測等各個領域，實現(xiàn)空天海地一體化的全球連接。d.區(qū)塊鏈技術和人工智能技術5G網(wǎng)絡運營商為了優(yōu)化服務，采用網(wǎng)絡切片等技術控制和處理流量，開展用戶差異化質(zhì)量服務。x一、6G無線通信2.6G愿景a.能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋實現(xiàn)此目標需要跟非地面基站，如衛(wèi)星網(wǎng)絡和無人機網(wǎng)絡結合。b.利用更多的頻譜資源對于目前的移動通信而言，使用的頻段主要在6

GHz以下，目前無線電頻譜的低頻部分已趨近于飽和，由于頻譜資源的匱乏，我們需要針對更高頻段的通信技術進行研究。智能互動一、6G無線通信2.6G愿景c.引入人工智能和大數(shù)據(jù)技術未來通信技術將與人工智能、大數(shù)據(jù)技術“緊緊相依”。伴隨著大數(shù)據(jù)、人工智能時代的到來，實現(xiàn)不同維度的能源生成、調(diào)度、存儲、共享需求，實現(xiàn)源供給智能化的智能電網(wǎng)，都需要依托6G的信息通信基礎設施，以超低時延、超高可靠、高速靈活的通信技術作為支撐，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的高度精確控制。自動駕駛、全息視頻會議、遠程全息手術、遠程智能養(yǎng)老、沉浸式購物、身臨其境游戲等也需要在通信技術中引入人工智能和大數(shù)據(jù)。遠程手術智能互動x一、6G無線通信2.6G愿景d.能擁有更好的安全性6G網(wǎng)絡需要考慮的安全問題涉及層面更廣泛，技術更先進，從應用的層面來看，涉及的數(shù)據(jù)和隱私種類更多、數(shù)據(jù)量更大、數(shù)據(jù)結構也更復雜；從網(wǎng)絡層面來看，涉及無線空口安全、用戶層完整性、用戶漫游安全和基礎設施安全等幾個方面；從用戶層看，涉及如何收集個人信息和選擇信息交流的方式、如何保護個人隱私等。6G網(wǎng)絡應能夠針對安全隱患迅速做出自我決策、及時響應、避免人為干預，網(wǎng)絡的信息安全級別也應達到更高層次。x5.2光通信x二、光通信1.基礎概念

光通信（OpticalCommunication）是以光波為載波的通信方式。根據(jù)不同的屬性，光通信有多種分類方式。2.系統(tǒng)組成

最基本的光通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、光發(fā)送端、光學信道和光接收機組成。其中數(shù)據(jù)源包括所有的信號源，它們可以是話音、圖像、數(shù)據(jù)等業(yè)務經(jīng)過信源編碼所得到的信號。光發(fā)送機和調(diào)制器則負責將信號轉變成適合在光學信道上傳輸?shù)墓庑盘枴９鈱W信道包括最基本的光纖、中繼放大器等。而光學接收機則接收光信號，并從中提取信息，轉變成電信號，最后得到對應的話音、圖像、數(shù)據(jù)等信息。x二、光通信3.關鍵技術及應用

隨著我國通信技術及互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，人們對通信的需求不斷增加，電磁波頻率資源已無法滿足社會發(fā)展及人們生活的需要?？梢姽庥捎诰哂蓄l率高、不易被干擾、儲量豐富、且無污染等優(yōu)點，已逐漸被應用到通信技術中，可見光無線通信技術也就應運而生?？梢姽馔ㄐ胖悄芙煌ㄅc可見光通信x二、光通信4.未來的挑戰(zhàn)

我國十分重視光通信器件的研發(fā)，通過國家技術發(fā)展計劃安排專題，組織技術攻關，跟蹤國際先進技術等措施的實施，極大地推動了光通信器件的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。隨著光器件產(chǎn)業(yè)逐漸向中國轉移，光通信行業(yè)基礎設施建設進一步加快，中國已成為全球光電元器件的重要生產(chǎn)銷售基地。然而，在光通信市場和系統(tǒng)設備商大放光彩的背后，卻隱藏著我國光通信產(chǎn)業(yè)大而不強、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不均衡的一面。因此，光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景巨大。x5.3中微子通信x三、中微子通信1.基本概念

中微子于1930年由德國物理學家沃爾夫?qū)づ堇╓olfgangE.Pauli）提出，到了20世紀50年代才被實驗所觀測到。中微子又被稱為微中子，是輕子中的一種，也是組成自然界的最基本的粒子之一。2.系統(tǒng)組成及主要性能

與光通信類似，中微子通信過程中也有發(fā)射端裝置和接收端裝置。在通信時，發(fā)射端裝置和接收端裝置均可分為三個部分，每個部分都擁有特定的功能。發(fā)射端裝置的三個功能分別為：①

產(chǎn)生中微子束，以此來作為中微子通信的信息載體；②

作為調(diào)制器，將需要發(fā)送的信息載入中微子束；③

作為發(fā)射裝置，將已被調(diào)制好的中微子流發(fā)射到中微子通信的傳輸信道。x三、中微子通信3.關鍵技術及應用a.采用的關鍵技術

利用核聚變反應產(chǎn)生中微子束的幾個關鍵技術要求在于：①

要保證核聚變反應的絕對安全，絕不能有任何核泄漏的情況存在，因為一旦發(fā)生核泄漏對人的精神和心理帶來的恐懼不安，以及身體上帶來的傷害都是巨大的，帶給自然環(huán)境的危害也是巨大的；②

保證安全的同時也要保證產(chǎn)生的中微子有一定的中微子密度；③

源設備的可靠性要夠足夠高，設備的體積不應太大，重量也不應太重，要便于移動。b.中微子通信的應用

中微子通信從通信的范圍來看可分為“近空中微子通信”以及在宇宙太空中的“深空中微子通信”，具體為在地球范圍內(nèi)的中微子通信、人造衛(wèi)星之間的中微子通信以及衛(wèi)星和地球之間的中微子通信。x三、中微子通信5.未來的挑戰(zhàn)

中微子通信是一個新興的分支科學，雖然我們已經(jīng)認識和了解了中微子的運動及變化規(guī)律，但它仍有許多謎團尚未解開。存不存在中微子振蕩？宇宙中的中微子如何探測？中微子存不存在磁矩？此外，中微子的質(zhì)量尚未監(jiān)測到，還存在一些現(xiàn)實的挑戰(zhàn)以及難題，例如，怎樣控制中微子束的能流密度，是否把所有的信息加載到中微子束上，即可實現(xiàn)任意距離的點到點通信并與計算機并網(wǎng)對裝備進行遙控遙測等。x5.4量子通信x四、量子通信1.基本概念

量子通信（QuantumCommunications，QC）是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信方式，也是量子光通信的簡稱。量子糾纏是多粒子的一種量子疊加態(tài)，是指在微觀世界里，有著共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關系，兩個處于糾纏狀態(tài)的粒子無論相距多遠，都能“感應”對方狀態(tài)，即隨著對方狀態(tài)變化而變化，就如同我們所說的“心電感應”一樣。x四、量子通信2.系統(tǒng)組成及主要性能

與一般光通信系統(tǒng)網(wǎng)絡類似，量子通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的組成也是由通信的發(fā)送端、信息傳輸通道和接收端組成。根據(jù)需要，在信息傳輸通道中也可加入中繼站點。組成量子通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的主要設備有發(fā)射端裝置和接收端裝置，基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道以及量子測量裝置等。量子通信的關鍵技術有光子計數(shù)技術、量子無破壞測量技術，以及亞泊松態(tài)激光器等。為了量子通信可以應用到更遠的距離，有三種方式可以選擇：第一種是像京滬干線一般，在光纖中利用可信中繼，這也是目前國際上建設量子通信網(wǎng)絡的主要方法；第二種是在光纖中利用量子中繼建設全量子網(wǎng)絡，雖然量子中繼技術在飛速發(fā)展，但離實際應用還是有一段距離的；第三種則是利用自由空間信道的低衰減特性，用衛(wèi)星作為終端來擴展量子通信距離。“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星就是世界上第一顆衛(wèi)星量子通信終端。x四、量子通信量子通信系統(tǒng)網(wǎng)絡的簡單原理框圖x四、量子通信3.挑戰(zhàn)與應用前景

量子通信的研究具有廣闊的應用前景，現(xiàn)階段，量子通信已取得了飛速的發(fā)展，量子通信的理論框架已經(jīng)基本形成，理論體系也日趨完善。而且隨著量子通信理論研究和實踐應用的不斷突破，量子通信產(chǎn)業(yè)化為期不遠，市場前景也是不可估量的。在業(yè)界，量子通信在技術研究和產(chǎn)品研制方面都取得了進展，也研制出了較為成熟的單光子探測器、量子密鑰分發(fā)產(chǎn)品、糾纏源、量子隨即數(shù)發(fā)生器、量子數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)等。量子通信和量子計算潛在的重要科學價值和應用價值正在引領著科學家研發(fā)未來的量子計算機。x5.5人體通信x五、人體通信1.基本概念

人體通信技術（HumanBodyCommunication，HBC）是一種很有前途的無線技術，它利用人體組織作為信號傳播媒介。在人體通信過程中，信號從電極通過靜電場或靜磁場耦合到身體，并使用類似的電極在身體的另一部分被捕獲。x五、人體通信2.研究進展

人體通信的概念最早由美國麻省理工于1996年發(fā)表的“將人體作為可佩戴計算設備之間新的連接手段”論文提出。20世紀90年代中期，麻省理工學院（MassachusettsInstituteofTechnology，MIT）媒體實驗室提出了個人區(qū)域網(wǎng)絡（PersonalAreaNetwork，PAN）技術的概念，并展開了相關技術研究。隨后，日本東京大學和本田（Honda）研究中心共同開展了人體通信技術的實驗研究，并證明在調(diào)制頻率、收發(fā)模式完全相同的條件下，以人體為介質(zhì)的信號傳輸在速率、穩(wěn)定性方面明顯優(yōu)于無線信號傳輸。隨后，MIT提出了一種基于電子檢測方法的PAN通信裝置，并獲得了400

kb/s的傳輸速率，從而證明了以人體為介質(zhì)進行數(shù)字通信的可行性。此后，美國國際商業(yè)機器公司（InternationalBusinessMachinesCorporation，IBM）公司也加入了PAN技術的研究，并提出了PAN的電路模型。x五、人體通信3.應用領域

人體通信技術的主要應用包括人體局域網(wǎng)、醫(yī)療領域、智能家居、ID驗證、數(shù)碼產(chǎn)品、娛樂領域以及其它的商業(yè)、工業(yè)、軍用、艦船和飛機等。人體通信的醫(yī)療應用x五、人體通信4.挑戰(zhàn)