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。

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)

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(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)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年6月號雜誌

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