6G sub-THz無線研究：從何起步？
作者 : Jessy Cavazos，是德科技5G產業解決方案行銷部門
若要讓裝置在6G Sub-THz頻率下運作，首先要研究並瞭解其材料特性、半導體、天線，甚至新的DSP技術…
6G不只是5G的進化版本。每一代蜂巢式(cellular)技術都會帶來重大變革。4G賦予行動網際網路生命，而5G則將蜂巢式通訊擴展到超越智慧型手機之外。6G技術將持續提升行動通訊到更新的層次，超越傳統的蜂巢式通訊裝置和應用。
相較於目前用於4G和5G的頻率，可望用於6G次太赫茲(sub-terahertz；sub-THz)的頻率由於具有更寬的頻寬，因而將使大量資訊的傳輸成為可能。該sub-THz頻率能讓虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)應用受益於沉浸式全息圖。
若要讓裝置在sub-THz頻率下運作，首先要研究並瞭解材料特性、半導體、天線，甚至新的數位訊號處理(DSP)技術。研究人員正在研究如何使用磷化銦(InP)和矽鍺(SiGe)等材料，期望用於開發高功率和高度整合的裝置。
所幸在大學、商業實體和國防工業中，多年來一直在研究並使用這些複合半導體技術，不斷地推動提高頻率上限以及改善其他方面的效能，如雜訊和線性度。對於6G的商業化來說，瞭解系統效能是業界面臨的主要挑戰之一。
6G的全新技術
以通訊系統中的誤差向量振幅度(EVM)為例，這可以說是一個用來評估複雜無線電調變機制的關鍵效能指標。此函數可用來衡量無線電發射和接收鏈的雜訊和線性效能。在6G系統的元件和電路設計中，這扮演著多方面的推動作用。今天，6G有多項專案聚焦於各項裝置，以瞭解在sub-THz頻率下整合裝置(如放大器、天線和濾波器)的雜訊水平。
對於更高資料速率的無止境要求，推動著業界朝具有更大可用頻寬的更高頻率發展。這種持續的趨勢貫穿於蜂巢式技術的幾代發展。最近的發展是5G擴展到24GHz到71GHz之間的頻段，這也有助於闡明6G研究在此部份分可能採取的路徑。隨著使用第二型頻率範圍(FR2)頻段的商業系統推出，業界也持續改進該技術。第三代合作夥伴計劃(3GPP)則不斷推進標準，以協助改善行動性、鏈路管理以及電源管理。這一切都源於要求如此之高的資料速率用例。儘管「殺手級應用」可能尚未出現，但對資料的要求只會越來越高。
除了一些實驗性要求以及與無線電天文學有關的特定細節之外，監管機構尚未最終確定有關波段的政策。然而，鑑於這種短波長需要進行系統整合，測量和待測裝置(DUT)之間的互連性僅能透過三種方式實現：晶圓探測、波導或空中下載(OTA)天線。晶圓探測只適用於驗證暴露的IC。
「矩形波導」(waveguide rectangular；WR) 6.5涵蓋110GHz至170GHz的頻率；WR3.4則是指220GHz至330GHz的頻率；此外，還有許多現成的互連配件可供選擇。針對OTA通訊，至少在美國，聯邦通訊委員會(FCC)已開放95-330GHz頻段用於實驗，並為這些頻段核發了實驗性執照。
針對這些頻率，只有一項標準適用於通訊收發機的通用規格，而且沒有商業系統會使用該項標準(802.15.3d)。因此，探索可在這些頻段使用的調變和編碼格式，可說是一個好的開始。
但工程師還必須測試系統在sub-THz頻率下的效能。在此方面，有諸多挑戰需要解決，但大致可以歸類如下：
- 為了克服半導體的更高傳播損耗和限制，需要產生足夠的能量。
- 需要解決天線設計以及與發射機、接收機整合的問題。
- 設計具雜訊係數盡可能最低的接收機。
- 在整個可用波段上進行高傳真調變。
- 透過高速數位訊號處理以因應來自寬頻寬區塊的高資料速率。
在設計中，基本要求是專注於克服來自材料特性的物理障礙，並減少系統中的雜訊。為了解決上述問題，需要開發新技術來達成高頻以及數位化、測試和測量。研究sub-THz系統還需要使用寬頻寬的測試儀器。
圖1提供了一個能夠在220-330GHz頻率(即H波段)下進行測量的sub-THz測試平台範例。測試台發射機採用多通道任意波形產生器(AWG)，類比頻寬為32GHz，可產生調變的直接中頻(IF)，另外還有一個上變頻器可將AWG的IF訊號轉換為sub-THz頻率，以及一台向量訊號產生器，能為上(下)變頻器提供低相位雜訊本地振盪器(LO)。
圖1：sub-THz測試平台可在220-330GHz頻率範圍的H波段上運作。(圖片來源：Keysight Technologies)
該測試台還包括一個功率計，可進行功率測量。在接收路徑上，下變頻器將sub-THz頻率帶往可測量的IF，高效能的多通道示波器則將IF訊號數位化。使用不同的上、下變頻器，即可在同一測試台上以較低頻率進行必要頻段的測量。
6G通道特性化
一旦搭配了一套能正常運作的系統後，您可能會想表徵這些訊號傳播的通道。在新的通訊頻段架構下，「通道探測」(channel sounding)研究尤為重要，特別是6G的sub-THz區域，必須進行通道探測特徵化，無線電通道的數學模型——包括城市間的反射器(如汽車、建築物和人)，才能用於設計收發器技術的其餘部份。其中包括調變機制、克服通道變化的編碼，以及前向糾錯(FEC)編碼。
圖2：通道探測配置針對運作於110-170GHz的D波段而設計。(圖片來源：Keysight Technologies)
圖2顯示D波段(110-170GHz)的通道探測配置。此配置亦可在這些頻率和更高的頻率(140-220GHz的G波段)執行EVM測量。相同的硬體設置，如圖1所示，可透過新增通道探測訊號產生和分析軟體來執行通道探測測量(圖3)。
圖3：該通道探測測量設定在144GHz。(圖片來源：Keysight Technologies)
需要注意的一個重要方面是，接收機系統經常使用基頻處理來減少通道損耗。客製化測試系統接收器的FPGA，有助於在OTA通道上傳輸寬頻訊號期間即時評估基頻演算法。
準備好迎接6G了嗎？
實用的6G實際應用預計將在2030年出現。這聽起來很遙遠，但考慮到所需的技術進展，這將需要很長的時間，而且會比您想像的更快到來。6G研究正在順利進行中。該技術將向外擴展，並遠遠超過5G技術，以標誌一個加速數位化並推動商業創新的全新無線時代開端。所以，現在投入這個領域還不算太遲。
(參考原文：sub-terahertz research in 6G wireless: Where should you start，by Jessy Cavazos)
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