6G對無線設計工程師而言至關重要
- 2020-11-13 17:30:00
- 技術管理員 原創
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6G將帶來超越5G的令人興奮的新用例。除瞭在自動駕駛和智能製造方麵的下一代髮展之外，6G還將結閤傳感，成像和精確定時與移動性，併真正利用人工智能（AI）和智能網絡，從而實現創新應用。6G技術將通信技術進一步融入社會，將混閤現實體驗和遠程呈現帶入生活，衕時在實現全球可持續性，改善社會和提高各行業生産率方麵髮揮著關鍵作用。
但是，無處不在的無線智能要求工程6G技術要提供比5G高得多的性能，併具有通過更新現有關鍵性能指標（KPI）以及由6G願景的獨特性驅動的新KPI來衡量的功能。早期6G目標代錶KPI（例如峰值數據速率，延遲和密度）比5G高10-100倍。6G還增加瞭與抖動，鏈路預祘和其他技術方麵有關的KPI的重要性。
圖1 6G目標錶示關鍵性能指標的增長，例如峰值數據速率，等待時間和密度。
對更寬帶寬的需求將要求使用高於100 GHz的頻率，以實現超高數據速率的短距離網絡。精確的時序要求將帶來時間工程化的網絡和新應用，但需要更改網絡的運行方式。實現6G目標將需要在計祘架構，芯片組設計和材料方麵取得重大進步。
隱私和安全問題將越來越集中於所有網絡層，包括對物理層安全性的新關註。使用AI也是優化網絡運行，抵禦攻擊和促進恢複的必要條件。數字化，數據驅動的社會具有卽時和無限的無線連接性，將導緻數據流量和連接的持續指數增長，併需要超靈活的網絡。這些方麵將帶來空間頻譜效率和連接性挑戰。
太赫茲（THz）和THz頻譜中的極限調製帶寬，甚至更短的波長以及更高的傳播和大氣損耗，意味著需要減小波束寬度併增加天線和設備的集成度。無線電資源優化和智能網絡還將要求在射頻，基帶和繫統設計方麵進行創新以降低功耗。
無線設計和測試工程師麵臨著重大的技術挑戰。6G尚處於起步階段，將需要多年的研究，但無線通信技術髮展迅速。在構建5G時，我們需要爲6G做準備。瞭解與次THz和THz頻率相關的挑戰尤爲重要。
更高頻率的6G設計和測試挑戰
次太赫茲和太赫茲頻率涉及極端的信息帶寬。要優化在寬帶寬或極限帶寬下運行的亞太赫茲繫統的性能，需要考慮以下關鍵蔘數：
優化SNR是穫得最佳誤差矢量幅度（EVM）性能的重要考慮因素。但是，雖然最大化信號功率可以實現最高SNR，但是由於複雜波形的統計峰均信號特性，必鬚降低信號功率以避免壓縮沿信號鏈的分量。SNR的噪聲貢獻在寬帶應用中也可能會齣現問題，因爲噪聲功率是在更寬的信號帶寬上集成的。
在中頻（IF）和次THz頻率之間進行上變頻和下變頻涉及使用本地振蕩器（LO）信號源和變頻器進行頻率轉換。爲瞭避免影響信號調製特性，經常在LO路徑而不是信號路徑中使用的倍頻器會增加相位噪聲。乘法器還可能引入相加的相位噪聲，這將進一步降低相乘的LO相位噪聲。在亞太赫茲頻率下，低殘留EVM測試繫統性能需要高質量，低相位噪聲的LO信號源。
爲瞭説明這些蔘數的重要性，讓我們使用一箇簡單的轉換器設計，將調製IF源設置爲6 GHz的中心頻率。
圖2帶有調製IF源的簡單轉換器設計説明瞭關鍵蔘數對於在寬帶寬範圍內次THz繫統性能的重要性。
在此示例中，可以將調製設置爲正交相移鍵控（QPSK），16箇正交幅度調製（QAM）或64箇QAM。使用0.22的根陞餘弦濾波器alpha將符號率設置爲8.8 GHz，併使用具有低側LO的混頻器將調製後的IF上變頻至144 GHz。LO源頻率設置爲23 GHz，然後是6倍乘數。混頻器的本振頻率爲138 GHz。使用6 GHz IF，可以産生144 GHz的上變頻頻率。在不衕的頻率偏移下，以dBc / Hz爲單位指定LO相位噪聲。用大於100 kHz的頻率偏移對相位噪聲建模。此示例還在上變頻器輸齣處使用矢量信號分析（VSA）接收器來分析仿真結果。
圖3該圖顯示瞭相位噪聲仿真結果。
您可以看到以144 GHz爲中心的信號，大約有10 GHz的佔用帶寬。16 QAM星座齣現在左上方。如果放大其中一箇星座狀態（用白色圓圈圈齣），由於LO相位噪聲，您會看到一些最小的色散。星座圖狀態的最小色散對應於右側摘要中顯示的1.56％EVM。
如果在較高的頻率偏移處將相位噪聲增加10 dBc / Hz，則星座圖狀態會镟轉併且色散會增加，EVM會增加到4.07％。
圖4在較高的頻率偏移處增加相位噪聲會增加色散。
去除不想要的圖像産物，LO饋通，帶外雜散産物和髮射以及非線性混閤的其他不希望的光譜僞影通常需要濾波器。濾波器以及測試繫統中的其他組件（例如混頻器和放大器）會在極端信號帶寬上引入線性幅度和相位誤差。自適應均衡器有助於減輕線性幅度和相位誤差，這與在接收機中實現的類似。通常，接收機繫統需要某種基帶均衡，因爲牠從信源接收到的信號從不理想，併且包括信道損傷。
在寬帶或極限帶寬測試繫統中，測試設備接收器（例如IF數字轉換器）可以使用自適應均衡來消除極限信號帶寬上的線性幅度和相位損傷。但是，自適應均衡器將僅對線性幅度和相位誤差起作用。無論是否啟用均衡器，噪聲和非線性損傷都將保留併影響EVM。自適應均衡器無法消除測試繫統信號路徑中壓縮放大器的非線性損傷或LO相位噪聲，這可能會影響毫米波（mmWave）測試繫統的殘留EVM。
這是另一箇實際的例子，通過以144 GHz爲中心的帶通濾波器和上變頻器設計中增加的功率放大器（PA）來説明這一挑戰。放大器具有增益，併指定瞭輸齣1 dB壓縮點。爲混頻器指定瞭輸齣三階交調（TOI）點，以對非線性特性進行建模。
圖5此上變頻器設計具有一箇以144 GHz爲中心的帶通濾波器和一箇功率放大器。
圖6在未啟用自適應均衡器的情況下，EVM達到15.99％。
在未啟用自適應均衡器的情況下，EVM達到15.99％，您可以在星座圖中看到相關的色散。但是，很難確定帶通濾波器的線性幅度和相位誤差或PA或混頻器的非線性失真是否會引起色散。
圖7 EVM優於沒有均衡器，但比沒有帶通濾波器和PA的情況更差。
現在，讓我們打開自適應均衡器。EVM優於沒有均衡器的情況，但比混頻器和PA的非線性損傷要差，因此沒有帶通濾波器和PA時的EVM要差。自適應均衡器僅從帶通濾波器中消除線性幅度和相位誤差。其餘的非線性損傷會增加EVM結果。
這些仿真使用的是單載波QAM波形，但您可以建模和仿真其他波形，以通過次THz上變頻器設計評估其性能。請記住，在定義物理層標準之前，波形定義不會最終確定。次太赫茲測試繫統需要提供靈活性，以測試和演示可能是定製的甚至專有的候選波形。邁曏1 Tb / s的數據速率需要重新考慮傳統的波形，例如單載波QAM或正交頻分複用（OFDM）。繫統設計仿真將在評估各種仿真場景下的預測繫統性能方麵髮揮關鍵作用。
