科学家开发新技术，可使5G系统的频谱带宽翻倍

与木材、铜或硅不同，拓扑绝缘体 (TI) 是一种奇特的物质状态。它表面是导电的，但是整体不导电。这种独特的材料特性具有重大的科学意义，可用于一系列技术，包括无线通信、雷达和量子信息处理。

近日，圣路易斯华盛顿大学的科学家在一项新研究中，首次展示了在集成芯片上实现电磁拓扑绝缘体。

研究作者Nagulu说：“拓扑绝缘体具有非常有趣的特性，并且它们本身很有用。但是，当它们与非互易特性结合时，其真正潜力才会显现出来。”

非互易性确保了电磁 (EM) 波的单向传播。此属性可用于全双工通信，这是一种允许以有效方式同时使用相同频率传输和接收数据的方法，从而使频谱容量增加一倍。此外，如果波与介质内的任何畸形或不规则性接触，具有非互易特性的 TI 可防止由于反向散射而导致的信号强度衰减。

该团队使用精心设计的晶体管，在标准半导体 IC 上实现非互易性和拓扑绝缘特性，而无需特殊材料或极端条件。

这种微型集成芯片将 TI 的奇异领域与实际应用相结合。研究人员演示了如何将可重构集成电路应用于新兴的 5G 无线应用，例如多天线全双工无线通信和多天线脉冲雷达。

该研究论文题为“Chip-scale Floquet topological insulators for 5G wireless systems”，已发表在Nature Electronics上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00751-9

随着互联网行业的发展进程加快，5G已经深入到我们的生活之中，人们对于5G的理解可能更多的停留在速度比较快上面，其实5G智能手机已经实现了超高速、低延时的体验。那么5G手机是如何实现超高速、低延时的体验呢？这里面可能会有一些专业性的术语。

一、采用的是3CC、 4CC或5CC 载波聚合技术。

最早的时候我们用的是2G的功能手机，然后演变到了3G智能手机，后来有又到了4G和5G智能时代。2G时代的时候，我们智能通过发短信息来进行文字上的交流，到了3G时代，已经实现了图片传输功能，而4G时代则可以视频通话，这都是因为通信速率的提升带来的效果。如果说2G是自行车道的话，那么3G就是省级公路，4G就是高速公路，5G就是飞机跑到，当然这些道路的建设，都是要提供更宽的信道作为支撑的，数据最大传输速率和信道带宽直接相关。

二、载波聚合整合碎片化频谱资源。

运营商拿到的都是碎片化的频谱资源，所以如果想要提高网络传输速度的话，句需要提高网络容量，整合碎片化频谱资源。而载波聚合（Carrier Aggregation）CA技术就是将可以将两个或两个以上的载波汇聚在一起，从而将分散的频谱资源整合利用，提供更快的速率，提供超过1Gbps以上的高速传输。

三、256QAM 高阶调制技术的运用。

信息时代，传输信息需要经过基带信息，在基带信息合适的频段发射出去，这中间是需要调制技术的，一来是为了通过调制将基带的信号搬到想要的频段上，而是通过调制可以增加信号传输的可靠性和有效性。而QAM是一种集振幅和相位二维信息承载的高效数字调制技术，因此5G智能手机才能实现超高速、低延时体验。

距离2020年5G正式商用的期限，越来越近。目前，各大厂商都在加快自己在5G技术上的测试工作。日前，华为与沃达丰共同完成了5G毫米波室外现场测试，实现单用户设备20Git/s的峰值传输速度。

不过，按照预期，最终5G的传输速率将可实现1Gb/s，比4G快十倍以上，要如何实现？这其中的关键技术在于5G采用了毫米波。

1. 什么是毫米波

什么是毫米波？这会是5G实现高速传输的关键所在吗？实际上，毫米波是指波长在1～10毫米的电磁波，其频率大约在30GHz~300GHz之间。它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼具两种波普的特点。理论上讲，毫米波是光波向低频的发展与微波向高频的延伸。

从通信原理来看，无线通信最大信号带宽约在载波频率的5%左右，也就是说，载波频率越高，其可实现的信号带宽也就越大。此外，在毫米波频段中，28GHz与60GHz是最有望应用在5G通信的两个频段。其中，28GHz的可用频谱带宽可达1GHz，60GHz每个信道的可用信号带宽则可达2GHz。

与5G通信相比，4G-LTE的频段最高频率约在2GHz左右，因而其可用频谱带宽只有100MHz；使用毫米波频段，频谱带宽则可翻10倍，传输速率也将更快。因此，5G将不仅仅意味着10秒传输一部1GB电影，其还将支撑例如云端游戏、虚拟现实等更多的应用。

2. 宝贵的频带资源

众说周知，无线通信依托于电磁波传播，最宝贵的资源莫过于频带。目前，电信业者已开始研究毫米波技术，以便找到最适合移动应用的频率范围。为了统一全球的毫米波频率标准，国际电信联盟（ITU）在近期的世界无线电通讯大会结束后，公布了24GHz到86GHz之间的全球可用频率的建议列表，最后28GHz、39GHz与73GHz三个频带逐渐脱颖而出。

73GHz中有2GHz的连续带宽可用于移动通讯，这是拟议频率频谱中范围最广的；28GHz仅提供850MHz的带宽；在美国，39GHz附近就有两个频带提供1.6GHz与1.4GHz带宽。此外，根据Shannon定律，即更高的带宽代表更高的数据传输量，73GHz与另外两个频率相较更具

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