寻址数字基带以解锁 6G 的太赫兹通信

在实现 6G 所需的数据速率时，支持太赫兹通信的无线信号处理中最重要的部分可能是数字基带。本文探讨了解决此问题所需的该领域的发展。

在过去的 30 年里，无线技术取得了巨大的飞跃。设备变得更小，几乎无处不在。掉线已成为过去，而高清视频通常会按需流式传输到我们的设备。虽然我们知道已经发生了有益的技术演变，但最具变革性的创新往往是用户看不到的创新，因为它们发生在幕后，处于最基本的层面。

当我们展望 5G 和 6G 演进的下一个十年时，一些新兴用例将需要以前无法想象的数据速率和带宽，这意味着现在重点转向太赫兹 (THz) 通信作为实现这一目标的手段。但是，向太赫兹通信的飞跃带来了技术挑战，其中最复杂的挑战之一是数字基带处理。

了解基带

作为计算所有无线信号处理功能的组件，数字基带处理器是无线系统中计算最密集的部分。在整个基带链中，编码和解码过程是几乎每个无线系统中最复杂的模块。为了解锁 5G 和未来 6G 技术不可或缺的超高数据速率和高频无线电通信，解决基带芯片组的超快速编码和解码（也称为信道编码或正向编码）的开发至关重要。纠错（FEC）技术。

 

图 1. FEC 中针对各种用例（包括超高速通信 (Tbps)、超低延迟通信）的 5G 要求与 B5G（超越 5G）要求。EPIC 项目旨在满足 B5G 要求。（图片来源：InterDigital）

超快到底有多快？比 100 Gbps 还快——比当今的 5G 速度快一百倍。这些接近 TB 的速度只能在超过 100 GHz 及以上的超高频下才能实现。这远远超过了当今商业用途的最高频率毫米波频谱。

在检查每个蜂窝系统中存在的基带组件时，基带芯片组（或基带片上系统）中的信道编码或编码器/解码器模块代表了基带中最复杂和最耗电的部分——几乎消耗基带芯片总功耗的 40%。

信道编码本质上是复杂的，并且需要大量计算，最终会导致功耗。这种动态自数字蜂窝问世以来就存在，从处理语音和文本通信的 2G 系统到未来的 6G 网络，可以实现先进的沉浸式视频体验。

利用我们的历史展望未来，摩尔定律表明，电信行业将每 18-24 个月将硅芯片上的晶体管数量翻一番。该定律自 1970 年代以来一直有效，但当前的现实使这一趋势停滞不前，这使得仅通过硅缩放来支持 5G 对计算马力需求的大幅增长变得越来越困难。

要达到 5G 和 6G 所需的数据速率，摩尔定律的基础已经不够用，需要新的创新。

难题的关键部分

在太赫兹通信方面，FEC 技术将是关键部分，因为它允许发送器和接收器检测和纠正传输错误，同时使用先进的信道编码算法来实现处理效率和更高的吞吐量。 

在欧盟委员会的 Horizon 2020 计划的资助下，使用下一代信道编码(EPIC) 项目实现实用的无线 Tb/s 通信已经开发了 (FEC) 技术，该技术使用所有三个主要信道代码系列——LDPC 码、Turbo 码和 Polar 码——以满足 6G 每秒兆比特 (Tb/s) 技术的性能要求。

 

图 2. 在 FPGA 上实现 200Gbps 的新型 Polar Code 解码器技术的实时演示。（图片来源：InterDigital）

该项目还解决了太赫兹通信中的另一个紧迫问题。未来的太赫兹网络将需要比前几代更高密度的蜂窝节点。虽然 5G 的毫米波技术要求每 50-100 米部署一次宏蜂窝和微蜂窝，但 6G 的太赫兹频段通信将依赖于每 10 米左右部署一次的纳米蜂窝，因为更高的频率不利于长距离信号传播。

这种结构变化代表了蜂窝系统的重大重新设计，不仅需要更高的数据吞吐量，还需要增加网络级计算来管理庞大的纳米细胞网络。这些太赫兹纳米蜂窝将需要非常特殊的天线、无线电单元和发生器，但很大一部分计算负担仍将留在基带芯片组上。EPIC 项目支持的研究展示了该解决方案的突破性潜力。

 

图 3. 在 28nm 节点中实现 500Gbps 的新型 Polar Code 技术的虚拟硅设计。（图片来源：InterDigital）

太赫兹通信的未来

每个人心中的问题是：这将把我们带到哪里？在 6G 正在探索的新兴用例中，最令人兴奋的是 XR 通信：真正实时、身临其境的混合现实通信技术的概念。

这项技术的身临其境将使其比当今的视频会议技术的计算密集度更高，并且需要专门的硬件，如可穿戴设备或多摄像头阵列来实现。除非新爱因斯坦发现基本物理定律发生根本性变化，否则实现这一愿景的最可行方法是通过 EPIC 项目也证明的联合硬件算法开发概念。

这是超越 5G 研究的激动人心的时刻。从历史上看，算法开发和硬件开发一直被视为具有不同轨迹的两个独立学科。无线行业主要专注于为无线算法和演进创建标准，而硬件的开发和演进似乎受到摩尔定律支持的硅性能“自然”改进的保障。

但即使是摩尔也承认他的定律不会无限增长，甚至预测我们行业目前正在放缓。EPIC 项目代表了 5G 和超越物理层设计背景下的一种开创性方法，其中研究了算法和硬件并共同发展。更重要的是，EPIC 不仅开发了底层算法模型，还成功展示了在真实环境中的物理演示。

虽然无线的未来可能还不清楚，但可以肯定的是它会很快，而太赫兹通信将是实现 6G 未来的关键。

审核编辑 黄昊宇