在實(shí)現(xiàn) 6G 所需的數(shù)據(jù)速率時(shí)，支持太赫茲通信的無線信號(hào)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(lǐng)域的發(fā)展。

在過去的 30 年里，無線技術(shù)取得了巨大的飛躍。設(shè)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(huì)按需流式傳輸?shù)轿覀兊脑O(shè)備。雖然我們知道已經(jīng)發(fā)生了有益的技術(shù)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?yàn)樗鼈儼l(fā)生在幕后，處于最基本的層面。

當(dāng)我們展望 5G 和 6G 演進(jìn)的下一個(gè)十年時(shí)，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(diǎn)轉(zhuǎn)向太赫茲 (THz) 通信作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的手段。但是，向太赫茲通信的飛躍帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)，其中最復(fù)雜的挑戰(zhàn)之一是數(shù)字基帶處理。

了解基帶

作為計(jì)算所有無線信號(hào)處理功能的組件，數(shù)字基帶處理器是無線系統(tǒng)中計(jì)算最密集的部分。在整個(gè)基帶鏈中，編碼和解碼過程是幾乎每個(gè)無線系統(tǒng)中最復(fù)雜的模塊。為了解鎖 5G 和未來 6G 技術(shù)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(guān)重要。糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)。

圖 1. FEC 中針對(duì)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(xiàng)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(dāng)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(shí)現(xiàn)。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)今商業(yè)用途的最高頻率毫米波頻譜。

在檢查每個(gè)蜂窩系統(tǒng)中存在的基帶組件時(shí)，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(fù)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(zhì)上是復(fù)雜的，并且需要大量計(jì)算，最終會(huì)導(dǎo)致功耗。這種動(dòng)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(luò)，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的沉浸式視頻體驗(yàn)。

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(gè)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(dāng)前的現(xiàn)實(shí)使這一趨勢(shì)停滯不前，這使得僅通過硅縮放來支持 5G 對(duì)計(jì)算馬力需求的大幅增長(zhǎng)變得越來越困難。

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

難題的關(guān)鍵部分

在太赫茲通信方面，F(xiàn)EC 技術(shù)將是關(guān)鍵部分，因?yàn)樗试S發(fā)送器和接收器檢測(cè)和糾正傳輸錯(cuò)誤，同時(shí)使用先進(jìn)的信道編碼算法來實(shí)現(xiàn)處理效率和更高的吞吐量。

在歐盟委員會(huì)的 Horizon 2020 計(jì)劃的資助下，使用下一代信道編碼(EPIC) 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)實(shí)用的無線 Tb/s 通信已經(jīng)開發(fā)了 (FEC) 技術(shù)，該技術(shù)使用所有三個(gè)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(shù)的性能要求。

圖 2. 在 FPGA 上實(shí)現(xiàn) 200Gbps 的新型 Polar Code 解碼器技術(shù)的實(shí)時(shí)演示。（圖片來源：InterDigital）

該項(xiàng)目還解決了太赫茲通信中的另一個(gè)緊迫問題。未來的太赫茲網(wǎng)絡(luò)將需要比前幾代更高密度的蜂窩節(jié)點(diǎn)。雖然 5G 的毫米波技術(shù)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?yàn)楦叩念l率不利于長(zhǎng)距離信號(hào)傳播。

這種結(jié)構(gòu)變化代表了蜂窩系統(tǒng)的重大重新設(shè)計(jì)，不僅需要更高的數(shù)據(jù)吞吐量，還需要增加網(wǎng)絡(luò)級(jí)計(jì)算來管理龐大的納米細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。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(jì)算負(fù)擔(dān)仍將留在基帶芯片組上。EPIC 項(xiàng)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(diǎn)中實(shí)現(xiàn) 500Gbps 的新型 Polar Code 技術(shù)的虛擬硅設(shè)計(jì)。（圖片來源：InterDigital）

太赫茲通信的未來

每個(gè)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(shí)時(shí)、身臨其境的混合現(xiàn)實(shí)通信技術(shù)的概念。

這項(xiàng)技術(shù)的身臨其境將使其比當(dāng)今的視頻會(huì)議技術(shù)的計(jì)算密集度更高，并且需要專門的硬件，如可穿戴設(shè)備或多攝像頭陣列來實(shí)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(shí)現(xiàn)這一愿景的最可行方法是通過 EPIC 項(xiàng)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(dòng)人心的時(shí)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(gè)獨(dú)立學(xué)科。無線行業(yè)主要專注于為無線算法和演進(jìn)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)，而硬件的開發(fā)和演進(jìn)似乎受到摩爾定律支持的硅性能“自然”改進(jìn)的保障。

但即使是摩爾也承認(rèn)他的定律不會(huì)無限增長(zhǎng)，甚至預(yù)測(cè)我們行業(yè)目前正在放緩。EPIC 項(xiàng)目代表了 5G 和超越物理層設(shè)計(jì)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(shí)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(huì)很快，而太赫茲通信將是實(shí)現(xiàn) 6G 未來的關(guān)鍵。

審核編輯 黃昊宇