尋址數(shù)字基帶以解鎖 6G 的太赫茲通信

在實現(xiàn) 6G 所需的數(shù)據(jù)速率時，支持太赫茲通信的無線信號處理中最重要的部分可能是數(shù)字基帶。本文探討了解決此問題所需的該領域的發(fā)展。

在過去的 30 年里，無線技術取得了巨大的飛躍。設備變得更小，幾乎無處不在。掉線已成為過去，而高清視頻通常會按需流式傳輸?shù)轿覀兊脑O備。雖然我們知道已經(jīng)發(fā)生了有益的技術演變，但最具變革性的創(chuàng)新往往是用戶看不到的創(chuàng)新，因為它們發(fā)生在幕后，處于最基本的層面。

當我們展望 5G 和 6G 演進的下一個十年時，一些新興用例將需要以前無法想象的數(shù)據(jù)速率和帶寬，這意味著現(xiàn)在重點轉向太赫茲 (THz) 通信作為實現(xiàn)這一目標的手段。但是，向太赫茲通信的飛躍帶來了技術挑戰(zhàn)，其中最復雜的挑戰(zhàn)之一是數(shù)字基帶處理。

了解基帶

作為計算所有無線信號處理功能的組件，數(shù)字基帶處理器是無線系統(tǒng)中計算最密集的部分。在整個基帶鏈中，編碼和解碼過程是幾乎每個無線系統(tǒng)中最復雜的模塊。為了解鎖 5G 和未來 6G 技術不可或缺的超高數(shù)據(jù)速率和高頻無線電通信，解決基帶芯片組的超快速編碼和解碼（也稱為信道編碼或正向編碼）的開發(fā)至關重要。糾錯（FEC）技術。

圖 1. FEC 中針對各種用例（包括超高速通信 (Tbps)、超低延遲通信）的 5G 要求與 B5G（超越 5G）要求。EPIC 項目旨在滿足 B5G 要求。（圖片來源：InterDigital）

超快到底有多快？比 100 Gbps 還快——比當今的 5G 速度快一百倍。這些接近 TB 的速度只能在超過 100 GHz 及以上的超高頻下才能實現(xiàn)。這遠遠超過了當今商業(yè)用途的最高頻率毫米波頻譜。

在檢查每個蜂窩系統(tǒng)中存在的基帶組件時，基帶芯片組（或基帶片上系統(tǒng)）中的信道編碼或編碼器/解碼器模塊代表了基帶中最復雜和最耗電的部分——幾乎消耗基帶芯片總功耗的 40%。

信道編碼本質上是復雜的，并且需要大量計算，最終會導致功耗。這種動態(tài)自數(shù)字蜂窩問世以來就存在，從處理語音和文本通信的 2G 系統(tǒng)到未來的 6G 網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)先進的沉浸式視頻體驗。

利用我們的歷史展望未來，摩爾定律表明，電信行業(yè)將每 18-24 個月將硅芯片上的晶體管數(shù)量翻一番。該定律自 1970 年代以來一直有效，但當前的現(xiàn)實使這一趨勢停滯不前，這使得僅通過硅縮放來支持 5G 對計算馬力需求的大幅增長變得越來越困難。

要達到 5G 和 6G 所需的數(shù)據(jù)速率，摩爾定律的基礎已經(jīng)不夠用，需要新的創(chuàng)新。

難題的關鍵部分

在太赫茲通信方面，F(xiàn)EC 技術將是關鍵部分，因為它允許發(fā)送器和接收器檢測和糾正傳輸錯誤，同時使用先進的信道編碼算法來實現(xiàn)處理效率和更高的吞吐量。

在歐盟委員會的 Horizon 2020 計劃的資助下，使用下一代信道編碼(EPIC) 項目實現(xiàn)實用的無線 Tb/s 通信已經(jīng)開發(fā)了 (FEC) 技術，該技術使用所有三個主要信道代碼系列——LDPC 碼、Turbo 碼和 Polar 碼——以滿足 6G 每秒兆比特 (Tb/s) 技術的性能要求。

圖 2. 在 FPGA 上實現(xiàn) 200Gbps 的新型 Polar Code 解碼器技術的實時演示。（圖片來源：InterDigital）

該項目還解決了太赫茲通信中的另一個緊迫問題。未來的太赫茲網(wǎng)絡將需要比前幾代更高密度的蜂窩節(jié)點。雖然 5G 的毫米波技術要求每 50-100 米部署一次宏蜂窩和微蜂窩，但 6G 的太赫茲頻段通信將依賴于每 10 米左右部署一次的納米蜂窩，因為更高的頻率不利于長距離信號傳播。

這種結構變化代表了蜂窩系統(tǒng)的重大重新設計，不僅需要更高的數(shù)據(jù)吞吐量，還需要增加網(wǎng)絡級計算來管理龐大的納米細胞網(wǎng)絡。這些太赫茲納米蜂窩將需要非常特殊的天線、無線電單元和發(fā)生器，但很大一部分計算負擔仍將留在基帶芯片組上。EPIC 項目支持的研究展示了該解決方案的突破性潛力。

圖 3. 在 28nm 節(jié)點中實現(xiàn) 500Gbps 的新型 Polar Code 技術的虛擬硅設計。（圖片來源：InterDigital）

太赫茲通信的未來

每個人心中的問題是：這將把我們帶到哪里？在 6G 正在探索的新興用例中，最令人興奮的是 XR 通信：真正實時、身臨其境的混合現(xiàn)實通信技術的概念。

這項技術的身臨其境將使其比當今的視頻會議技術的計算密集度更高，并且需要專門的硬件，如可穿戴設備或多攝像頭陣列來實現(xiàn)。除非新愛因斯坦發(fā)現(xiàn)基本物理定律發(fā)生根本性變化，否則實現(xiàn)這一愿景的最可行方法是通過 EPIC 項目也證明的聯(lián)合硬件算法開發(fā)概念。

這是超越 5G 研究的激動人心的時刻。從歷史上看，算法開發(fā)和硬件開發(fā)一直被視為具有不同軌跡的兩個獨立學科。無線行業(yè)主要專注于為無線算法和演進創(chuàng)建標準，而硬件的開發(fā)和演進似乎受到摩爾定律支持的硅性能“自然”改進的保障。

但即使是摩爾也承認他的定律不會無限增長，甚至預測我們行業(yè)目前正在放緩。EPIC 項目代表了 5G 和超越物理層設計背景下的一種開創(chuàng)性方法，其中研究了算法和硬件并共同發(fā)展。更重要的是，EPIC 不僅開發(fā)了底層算法模型，還成功展示了在真實環(huán)境中的物理演示。

雖然無線的未來可能還不清楚，但可以肯定的是它會很快，而太赫茲通信將是實現(xiàn) 6G 未來的關鍵。

審核編輯 黃昊宇