用于无线互联的90GHz以上频谱：6G的机遇与挑战 留言

Spectrum Above 90 GHz for Wireless Connectivity: Opportunities and Challenges for 6G

Didier Belot, José Luis González Jiménez, Eric Mercier, Jean-Baptiste Doré, CEA-Leti, Grenoble, France

预计90GHz以上频谱将成为下一代移动网络的关键推手。极宽的频谱为高容量无线链路铺平了道路。但要使这项技术成功，人们仍需克服许多挑战。本文介绍了移动通信行业6G应用亟需90GHz以上频谱的一些场景。讨论了几种有前景的半导体技术候选者以及信道聚合架构，它们是实现低功耗超宽带无线电的合适选择。还讨论了用CMOS技术实现的D波段收发机的机遇、挑战以及一些最新的实验结果。

下一代无线网络被认为是更快、反应更灵敏、更可靠、更密集的。因此，采用更高频率和更宽的带宽是向超高数据速率（100+ Gbps）和超低延迟（ms以下）迈进的有效途径。预计90到300GHz以及300GHz以上的太赫兹频谱将成为6G通信系统的关键推手¹。目前已经有一些应用可以想见：高容量回传、前传网络；短距离高数据速率无线热点和设备到设备Gbps超短距离通信（图1）。

为了在90GHz以上实现高数据速率通信，需要应对许多挑战。性能和服务质量（QoS）是利益相关者决定是否采用这些频段的最主要因素。产业届关注的是最苛刻的性能要求和最有发展前景的市场应用。超高频段有一个特点是无法长距离通信，因为传播损耗使其达不到实际要求。因此，小蜂窝组网是关键，但直接后果是基站需求量大幅增加，这意味着低成本和高效将成为重点关注目标。

基站系统通常由最好的分立模块构建。然而，在频率达到90GHz以上时，需整体考虑与功耗和成本密切相关的各个指标和相关性能，考虑到对环境的影响和社会接纳程度，基站尺寸也是一个关键因素。考虑到频率和预期吞吐量非常高且带宽非常宽，所有这些因素都更具有挑战性了。此外，还需考虑将所有这些功能集成到低成本半导体中的可能性。

在这些频率上，天线作为关键组件，方向性成为关键问题，由于空分多址（SDMA）具有更高的增益、选择性和抗干扰性，用户连接要依赖于窄的“铅笔”波束成形MU-MIMO（多用户MIMO）。最好的天线架构将可以保证性能，但不以增加IC数量为代价，IC数量仍必须保持在较低水平。天线阵列通常意味着多个前端模块（FEM）或收发器。

人们需要比前一代网络使用更宽的带宽和更多通道的同时又不增加收发器数量，尤其是功耗大和IC面积占用大的频率合成器的数量。因此，PHY优化是支持频率生成的关键，在此基础上还应考虑主流CMOS工艺的高度集成。

因此，处理90GHz以上的频段将引发跨领域探索，以高效解决包括小尺寸和低成本在内的问题。本文重点介绍了两个主题：选择合适的半导体技术以适应90GHz以上的频谱，以及设计低成本和高性能RF前端架构的一些提示。

前端半导体技术候选者

硅基技术为RF和毫米波应用提供了低成本的折衷方案。但是，由于技术指标是跨领域的，同时还要考虑非技术参数，因此技术比较总是很困难的。我们提出了针对内在性能的技术基准。为了比较这些技术，图2给出了为应对RF和毫米波无线收发器挑战的各指标的目标：

功率：一项技术的RF输出功率可用性取决于击穿电压（BV）和驱动晶体管的最大电流值（Imax）。为了公平比较，我们将最大功率定义为BV乘以200mA，这对于CMOS工艺来说是乐观的，而对于BiCMOS工艺是现实的。

高速数字集成：RF数字控制和数字预处理技术对于大规模应用和高效的解决方案是必不可少的。高速数字集成依赖反相器的尺寸和效率

原文始发于微信公众号（actMWJC）