Маршрутная карта развития технологий 6G

Маршрутная карта развития технологий 6G

Выпуск 15 (6714) от 06 августа 2020 г.
РУБРИКА: СРЕДСТВА СВЯЗИ

Беспроводная связь в миллиметровом диапазоне волн от 20 до 300 ГГц рассматривается как основная обеспечивающая технология создания следующего поколения беспроводных систем связи – 6G. Предполагается, что огромная пропускная способность позволит достичь беспрецедентно высоких скоростей передачи данных. Возможности новой технологии по сравнению с 5G существенно расширятся. В этом направлении ведут работу многие корпорации и исследовательские организации. Одна из них, CEA-Leti, недавно представила «Технологическую маршрутную карту развития подключаемости в D-диапазоне за пределами возможностей 5G» (Technology Roadmap for Beyond 5G Wireless Connectivity in D-band).


Введение

Субтерагерцевые частотные полосы в диапазоне 90–300 ГГц, учитывая их большой неиспользуемый спектр, представляют собой потенциальных кандидатов на применение в беспроводной связи с высокой скоростью передачи. Иначе говоря, они удовлетворяют требованиям перспективных систем, выходящих за пределы технологий 5G (Beyond 5G, B5G) [1]. Рассматриваемые области применения включают в себя транзитные передачи высокой емкости (скорость передачи данных более 100 Гбит/с) и общедоступные киоски доступа в Интернет с расширенными возможностями [2, 3]. Кроме того, в субтерагерцевом диапазоне может быть развернута связь D2D, поскольку новый спектр значительно увеличит скорость передачи данных. В качестве примера была определена совокупная полоса пропускания 58,6 ГГц, предположительно доступная для наземной радиосвязи в диапазоне 90–200 ГГц. Однако прежде чем сделать это возможным, необходимо решить многие проблемы. Прежде всего, поскольку потери при распространении в свободном пространстве увеличиваются с квадратом частоты, их приходится компенсировать с помощью высокочастотных антенн, что влечет за собой серьезные ограничения на направленность и центровку антенны. Кроме того, линии связи в основном ограничены ситуациями в пределах прямой видимости (line-of-sight, LoS) или квази-LoS либо требуют сильного отражения. Конструкция антенны с электронно-управляемыми лучами остается открытым вопросом. Кроме того, для достижения ожидаемых показателей эффективности с точки зрения затрат, в том числе энергоэффективности, должны быть выбраны полупроводниковые технологии. Чем выше частота, тем выше цена, которую предстоит заплатить [2, 4–6].

Для достижения высокой скорости передачи данных в цифровой части технологии, в дополнение к трудностям аналого-цифрового преобразования, требуются новые алгоритмы физического (PHY) уровня, поскольку традиционные когерентные схемы не учитывают специфического ухудшения радиочастотных параметров, связанного с субтерагерцевыми полосами. В частности, субтерагерцевые системы могут страдать от сильного фазового шума из-за плохой работы высокочастотных генераторов [7]. Поэтому изучение новых цифровых схем передачи, оптимизированных для смягчения таких воздействий, как фазовый шум, имеет важное значение для обеспечения хорошей производительности [8]. Следует отметить, что альтернативный слой PHY был определен для коммутируемых каналов двухточечной связи стандартом IEEE 802.15-3d [9] в нижней области субтерагерцевого диапазона частот между 252 и 325 ГГц. В настоящее время для достижения компромисса между пропускной способностью, энергопотреблением и сложностью исследуются и многие другие решения – в качестве примера см. [10].

Новизна данного документа заключается в следующем:

рассматриваются некоторые потенциальные сценарии, в которых использование субтерагерцевых диапазонов может обеспечить новые возможности;

анализируются три приложения, предлагающие выделенные PHY-слои и бюджеты каналов, основанные на среде распространения, полученной из модели на основе субтерагерцевых лучей;

приложения и требования взаимно коррелируют с внутренними характеристиками кремния и AIIIBV-технологий.

Все это позволяет сформировать технологическую маршрутную карту, развития следующего поколения приборов беспроводной связи.


Рассматриваемые сценарии

Системная модель

В случае миллиметровых волн системные модели должны быть пересмотрены в отношении полос частот менее 6 ГГц (суб-6 ГГц). Доминирующий вариант здесь – распространение сигнала в пределах прямой видимости. Свойства канала распространения влияют на производительность канала связи, а следовательно, и на зону покрытия. Для реалистичной оценки нового субтерагерцевого поведения требуется точное определение характеристик. До сих пор были опубликованы результаты лишь нескольких подобных сложных и дорогостоящих мероприятий по зондированию каналов [11, 12]. Они дополняются удобным численным прогнозом и создают модели каналов по требованию. В работе используется модель Volcano, основанная на трассировке лучей, расширенной до субтерагерцевых частот [13]. Инструментальное средство Volcano позволяет получить реалистичный прогноз блокирующих факторов и препятствий, а также потерь из-за деревьев и уличной или внутренней обстановки (мебель, предметы интерьера и т. п.) на основе плотных множеств точек или детальных 3D-представлений, формируемых лидарами. Затем это инструментальное средство, использующее метод трассировки лучей, предсказывает осуществление транзитной передачи как в условиях улицы, так и в помещениях.

Что касается самих электронных систем, то ожидается критическое воздействие на них из-за искажений передачи радиосигналов, таких как нелинейность, IQ-дисбаланс и фазовый шум. Нелинейности аналоговых блоков входных радиокаскадов повышают сложность как моделирования схем, так и прогнозирования компенсационных мероприятий. Важной целью становится максимальное повышение эффективности усилителя мощности и достижимой выходной мощности. Кроме того, цифровизация широких полос пропускания с ограничениями мощности и интеграции по-прежнему остается открытой темой для исследований. Наконец фазовый шум, описываемый некоррелированным гауссовским процессом для широкой полосы пропускания, вызывает значительное ухудшение характеристик связи.

Поиск оптимальной схемы модуляции в отношении спецификаций фазового шума был в значительной степени исследован в литературе и остается важной темой для выполнения требований, предъявляемых будущими беспроводными технологиями. Здесь можно предложить два подхода. Во-первых, можно было бы рассмотреть огибающую модуляцию, допускающую некогерентную демодуляцию. Информация переносится амплитудой сигнала и, следовательно, по своей природе устойчива к серьезным фазовым нарушениям. Производительность демодуляции далека от теоретической мощности, но можно спроектировать простые и энергетически оптимизированные приемопередатчики. В этом случае критерием оптимизации становится максимизация спектральной эффективности на единицу энергии.

Во-вторых, когда речь заходит о приложениях с высокой спектральной эффективностью с ограниченным диапазоном ограничений, формы сигналов, основанные на когерентных модуляциях, должны быть оптимизированы, чтобы быть устойчивыми к фазовому шуму. В результате специалисты CEA-Leti предложили в одной из недавних работ поляризационную квадратурную амплитудную модуляцию (Polar Quadrature Amplitude Modulation, P-QAM) [8], определяемую как прямоугольная решетка в амплитудно-фазовой области. Для удовлетворения требований устойчивости к фазовому шуму и поддержания оптимального отношения максимальной скорости передачи данных к средней (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) P-QAM уравновешивает закодированную информацию в амплитудных и фазовых компонентах. В следующих разделах данной статьи P-QAM будет рассмотрена в сочетании с 5GNR LDPC FEC (Forward Error Correction) – для оценки производительности.


Сценарий внешней транзитной передачи

В этом разделе приводятся некоторые показатели добротности (figure of merits, FOM) широкополосного когерентного приемопередатчика D-диапазона, развернутого в условиях наружной среды. Сначала была проведена оценка производительности PHY-слоя для определения наилучшего набора параметров: скорости кодирования, порядка модуляции и формы модуляции с учетом отношения сигнал–шум (signal-to-noise ratio, SNR), уровня фазового шума и целевой вероятности ошибки на пакет (PER) порядка 10–2. Что касается PHY-слоя, то предполагается идеально синхронизированная модуляция одной несущей. Входной пакет размером 1500 байт реализован со скоростью кодирования в диапазоне от 0,3 до 0,9. Что касается численного моделирования, то далее рассматриваются два уровня фазового шума: отсутствие фазового шума:

s2ф = 0 rad2,

                                                        сильный фазовый шум:

s2ф = 10-1 rad2.

Сильные уровни фазового шума соответствуют нижнему уровню спектральной плотности шума K0 порядка –100 дБ для полосы пропускания системы 1 ГГц. Результирующая спектральная эффективность составляет от 0,6 бит/с/Гц при SNR –0,8 дБ до 7,2 бит/с/Гц при SNR 29,7 дБ без фазового шума и 5,5 бит/с/Гц при SNR 28,4 дБ для сильного фазового шума. Система работает в D-диапазоне с полосой пропускания в несколько десятков гигагерц, разделенной на 1-ГГц каналы. Эффективная ширина полосы пропускания сигнала составляет 800 МГц с 20%-ными потерями на функции управления. Максимальная достижимая пропускная способность – 6,2 Гбит/с/канал при отсутствии фазового шума и 4,4 Гбит/с/канал при сильном фазовом шуме.

Все эти оценки сделаны исходя из наличия в центре города смешанной сети с возможностью осуществления транзитных передач большой емкости. При определении характеристик производительности системы в данном сценарии также учитывается использование ультраширокополосных сетей мобильного доступа и сетей фиксированного радиодоступа (fixed wireless access, FWA). Предполагается, что субтерагерцевые устройства будут установлены на фонарных столбах, расположенных вдоль улиц на высоте 8 м над землей, чтобы транспортировать потоки данных от оптоволоконных точек входа в Интернет (point of presence, PoP) к плотным местным высокоскоростным точкам доступа (AP), которые обеспечивают либо мобильную связь, либо FWA – как правило, на более низкой частоте. Предполагается, что луч антенны идеально выровнен по доминирующему пути распространения, который представляет собой либо путь непосредственной передачи данных в пределах прямой видимости, либо путь отраженной передачи. Другие параметры передачи приведены в таблице. Траектории распространения и потери предсказываются по расчетному SNR, которое сопоставляется со спектральной эффективностью. Схема соединения каналов могла бы увеличить агрегированную пропускную способность и позволить извлечь выгоду из доступного свободного спектра, предлагаемого в субтерагерцевых диапазонах. Выбор канала 1-ГГц обусловлен современным уровнем новейших аналого-цифровых преобразователей.


ТАБЛИЦА

ПАРАМЕТРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Параметры

Обозначение

Внешняя сеть

Внутренняя сеть N2N

Внутренняя сеть N2R

Несущая частота

fc

150 ГГц

Ширина полосы пропускания канала

B

1 ГГц

Выделенная полоса частот

Ba

0,8 ГГц

Тепловой шум

N0

–174 дБм/Гц

Коэффициент шума

Nf

10 дБ

Мощность передачи

Pfx

30 дБм

19 дБм

19 дБм

Коэффициент усиления антенны передатчика/приемника

(gTx, gRx)

(25, 25) дБи*

(25, 25) дБи

(25, 8) дБи

Технологические потери

L

2дБ

Потери на функции управления

µ

20%


Смешанные внутренние сети
Тепловые карты на рис. 1 иллюстрируют, как работает связь «от столба к столбу» в зависимости от расстояния, условий распространения сигнала, уровня фазового шума и выбранной схемы модуляции. Иллюстрированная среда представляет собой квадрат в плотно застроенном центральном городском районе со средней плотностью деревьев. Пиковая пропускная способность на канал вычисляется между двумя выровненными субтерагерцевыми устройствами: первое – в центре рисунка, второе – в любом пикселе карты. Фактические местоположения фонарных столбов, где это второе устройство может быть установлено, показаны черными точками. На возможность соединения сильно влияют препятствия в виде домов и деревьев, в то время как передача сигнала в зоне прямой видимости и устойчивая, четкая отраженная передача сигнала обеспечивают лучшую производительность. Такие тепловые карты пропускной способности демонстрируют, что оптимизация схем модуляции и демодуляции для каналов с фазовым шумом приводит к значительному повышению производительности будущих субтерагерцевых систем.



Источник: CEA-Leti

Рисунок 1. Тепловые карты смешанной сети с возможностью осуществления транзитных передач большой емкости в зависимости от наличия или отсутствия фазового шума и схемы модуляции


Оптическое волокно – лучшее решение для обеспечения высокой пропускной способности в местах массового посещения, таких как аэропорты, железнодорожные вокзалы, стадионы, кампусы или торговые центры. Беспроводная связь на основе смешанных сетей с транзитными передачами, использующая субтерагерцевые технологи, может быть конечным звеном для некоторых портативных точек фиксированного доступа при условии эффективного автоматического выравнивания антенн и динамических алгоритмов маршрутизации. Как уже говорилось, препятствия существенно влияют на распространение сигнала, следовательно, развертывать беспроводную связь лучше на свободном пространстве.

Для оценки пропускной способности канала специалисты CEA-Leti предложили канальный уровень сети на основе LDPC-кодированной P-QAM в модели торгового центра. На рис. 2 изображено двухэтажное здание площадью 9,6 тыс. м2, состоящее из большой входной зоны, широких аллей с небольшим количеством препятствий (киоски, растительность и колонны) и ряда магазинов. Высота каждого этажа – 5 м. Смешанная субтерагерцевая сеть была разработана для питания беспроводных точек доступа, расположенных на втором этаже и во входной зоне. Рассматриваются два различных типа точек доступа:

находящиеся внутри магазинов и требующие размещения субтерагерцевых релейных блоков на внешней поверхности витрины магазина;

подключенные к портативному или мобильному субтерагерцевому релейному блоку, установленному снаружи магазинов.

Оцениваются следующие радиолинии:

межузловые (node-to-node, N2N);

от узла к фиксированному ретранслятору на высоте 4 м (node-to-relay, N2R).



Источник: CEA-Leti

Рисунок 2. Соединения между узлами смешанной сети и с релейными ретрансляторами магазинов


Параметры субтерагерцевой системы приведены в табл. 1. Указанный сценарий предполагает сильный фазовый шум. Модель распространения обеспечивает максимум два отражения и одну дифракцию вдоль каждого пути луча. Отражения на потолке или полу не допускаются, так как могут быть заблокированы. Витрины магазинов для рассматриваемой частоты считаются непрозрачными поверхностями.

Пиковая пропускная способность на каждой радиолинии прогнозируется с антеннами, выровненными либо по пути в пределах прямой видимости, либо по самому устойчивому пути распространения. На рис. 2 показана расчетная пропускная способность для всех соединений смешанной сети и лучших релейных соединений. Максимальное удаление каждого узла смешанной сети от PoP составляет два шага радиорелейной линии, их пиковая пропускная способность превышает 4 Гбит/с/канал. Все релейные блоки магазинов подключены к смешанной сети с пиковой пропускной способностью более 2 Гбит/с/канал. Это исследование было подробно описано в работе [14] и продемонстрировало способность субтерагерцевой технологии реализовывать сценарии смешанной сети с транзитной передачи большой емкости, расположенной внутри помещений.

Продолжение статьи читайте в следующем выпуске.


1. Calvanese Strinati E. et al. 6G: The Next Frontier: From Holographic Messaging to Artificial Intelligence Using Subterahertz and Visible Light Communication. IEEE Vehicular Technology Ma-gazine, September 2019.

2. Hamada H. et al. Millimeter-wave InP Device Technologies for Ultrahigh Speed Wireless Communications toward Beyond 5G. IEEE International Electron Devices Meeting, 2019.

3. Doré J.-B. et al. Above-90GHz Spectrum and Single-Carrier Waveform as Enablers for Efficient Tbit/s Wireless Communications. 25th International Conference on Telecommunications, June 2018.

4. Barrera F. et al. A D-Band 4-Ways Power Splitter and Combiner Implemented on a 28nm Bulk CMOS Process. 2019 49th European Microwave Conference, October 2019.

5. Rodríguez-Vázquez P. et al. A 16-QAM 100-Gb/s 1-M Wireless Link With an EVM of 17p.c at 230 GHz in an SiGe Technology. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, April 2019.

6. Dan I. et al. A Superheterodyne 300 GHz Wireless Link for Ultra-Fast Terahertz Communication Systems. 2019 49th European Microwave Conference, October 2019.

7. Bicaïs S., Doré J.-B. Phase Noise Model Selection for Sub-THz Communications. 2019 IEEE Global Communication Conference, December 2019.

8. Bicaïs S. et al. Optimized Single Carrier Transceiver for Future SubTeraHertz Applications. International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, May 2020.

9. IEEE Standard for High Data Rate Wireless Multi-Media Networks – Amendment 2: 100 Gb/s Wireless Switched Point-to-Point Physical Layer. IEEE Std 802.15.3d-2017 (Amendment to IEEE Std 802.15.3-2016 as Amended by IEEE Std 802.15.3e-2017), pp. 1–55, October 2017.

10. Saad M. et al. Single Carrier with Index Modu-lation for Low Power Terabit Systems. 2019 IEEE Wireless Communications and Networking Conference, April 2019.

11. Pometcu L., D’Errico R. An Indoor Channel Model for High Datarate Communications in D-Band. IEEE Access, 2019.

12. Xing T., Rappaport T. S. Propagation Measurement System and Approach at 140 GHz – Moving to 6G and Above 100 GHz. 2018 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), December 2018.

13. Gougeon G., Corre Y., Aslam M. Z. Ray-Based Deterministic Channel Modelling for Sub-THz Band. 2019 IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, September 2019.

14. Gougeon G. et al. Assessment of Sub-THz Mesh Backhaul Capabilities from Realistic Model-ling at the PHY Layer. European Conference on Antennas and Propagation, March 2020.

Doré Jean-Baptiste, Belot Didier, Mercier Eric, Bicaïs Simon, Gougeon Gregory et al. Technology Roadmap for Beyond 5G Wireless Connectivity in D-Band. 6G Summit, March 2020, Levi, Finland: https://hal-cea.archives-ouvertes.fr/cea-02466751/file/6GSummit_Techno_hal.pdf


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Андрей Филиппов

Перспективные услуги связи, вовлекающие в процесс коммуникации не только человека, но и физические объекты (смарт-устройства) интеллектуальной окружающей среды будущего, требуют широкой полосы пропускания, более критичны к обеспечиваемым сетевой инфраструктурой характеристикам качества каналов связи, в том числе организуемых через сеть сверхширокополосного радиодоступа.

Объективные физические ограничения по дальности в сочетании с параметрами энергоэффективности, а также стоимости развертывания и коммерческого применения перспективного приемо-передающего оборудования систем беспроводной связи в миллиметровом диапазоне волн 20–300 ГГц определяют их нишевые сценарии использования. Один из сценариев – отдельные фрагменты территорий мегаполисов с высокой плотностью потребителей услуг, для оказания которых передаются значительные объемы информации в малый промежуток времени на ограниченном радиусе действия точек доступа.

У представленных наработок и технологического задела, расширяющих возможности беспроводной широкополосной передачи данных, есть неплохой шанс найти свое отражение в коммерческих продуктах в перспективных сетях 6G различных стран при условии их соответствия требованиям национальных регуляторов в области радиочастотного планирования и надзора.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 20(6744) от 14 октября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.