מבוא
דיון בנושאי Beyond 5G ו-6G החל בקהילות האקדמיה והמחקר, ומספר פרויקטי מחקר מתחילים כעת להתייחס לעתיד טֶכנוֹלוֹגִיָה דרישות. חלק אחד מזה הוא הדחיפה לתדרים גבוהים יותר והדיבור על "טכנולוגיית Terahertz". מה עומד מאחורי הדחף הזה לעבר גל מילימטר ועכשיו טכנולוגיית Terahertz עבור רשתות סלולריות מעבר ל-5G, ואפילו 6G? במאמר זה, נפנה לעמיתנו המהימן קלוד שאנון ונשקול את עבודתו על קיבולת ערוצים וקידוד שגיאות כדי לראות כיצד טכנולוגיות סלולר עתידיות יתייחסו למגבלות היסודיות שעבודתו הגדירה.
המניע מאחורי מגמה טכנולוגית זו הוא הצורך הגובר והולך ביותר קיבולת ושיעורי נתונים גבוהים יותר ברשתות אלחוטיות. ככל שיש יותר ויותר הורדות, העלאות, שירותי סטרימינג ושירותים מסוג AR/VR אינטראקטיביים המסופקים ברשתות ניידות, אז יש צורך בקיבולת רבה יותר ובשיעור נתונים גבוה יותר כדי להתמודד עם מספר השירותים ההולך וגדל (ותמיד להגדיל את ברזולוציה גבוהה ובאופי בחדות גבוהה של וידאו). אז אחד המניעים העיקריים לטכנולוגיית 6G העתידית הוא לספק יותר קיבולת לרשתות.
כיסוי הוא בדרך כלל פרמטר מפתח נוסף לטכנולוגיית רשת אלחוטית. גידול הכיסוי בדרך כלל אינו נתפס כאתגר טכנולוגי בסיסי, אלא יותר כאתגר של פריסה. רשתות תת-גיגה-הרץ מעניקות כיסוי טוב, ועכשיו 1G מוסיף תקשורת לוויין (רשתות לא-יבשתיות) כדי לספק כיסוי חסכוני יותר של אזורים שקשה להגיע אליהם. אבל בהחלט, העניין בטכנולוגיית גל מילימטר וטרהרץ עבור 5G אינו מונע מדרישות כיסוי (להפך).
הגדרת קיבולת הערוץ
ההגדרה הבסיסית של "קיבולת ערוצים" מובאת במשוואת שאנון, המבוססת על המאמר פורץ הדרך שפרסם קלוד שאנון בשנת 1948 על עקרונות תורת המידע וקידוד שגיאות. זה מגדיר את קיבולת הנתונים המרבית התיאורטית על פני אמצעי תקשורת (ערוץ תקשורת) בנוכחות רעש.
איפה:
C = קיבולת ערוץ.
B = רוחב הפס של הערוץ.
S/N = יחס אות לרעש של האות שהתקבל.
ברור שאז קיבולת הערוץ היא פונקציה של רוחב הפס של הערוץ ושל יחס האות לרעש שהתקבל (SNR). אך הנקודה החשובה לציון במשוואה זו היא שהקיבולת היא פונקציה לינארית של רוחב הפס, אלא מונח לוגריתמי של ה- SNR. אנו יכולים לראות שגידול של 10x ברוחב הפס יגדיל את הקיבולת פי 10, אך עלייה של 10x ב- SNR רק תגדיל את הקיבולת ב- 2x. ניתן לראות השפעה זו באיור 1 בו אנו משרטטים קיבולת מול המונח BW הלינארי ומונח ה- SNR הלוגריתמי.
השפעה זו ניכרת בבירור בפיתוח והתפתחות רשתות 5G ואפילו רשתות 4G. דגש רב הושם על 'צבירת נושאים' מכיוון שטכניקה זו מגדילה ישירות את רוחב הפס של הערוץ. במיוחד עבור הקישור למטה, הדבר דורש עלייה מועטה יחסית בביצועי UE (בדרך כלל יש צורך בעיבוד רב יותר). היה רק עניין קטן בשימוש בתוכניות אפנון בסדר גבוה יותר כגון 256 QAM או 1024 QAM, שכן רווחי הקיבולת קטנים יותר והיישום הנדרש ל- UE יקר יותר (נדרש משדר ומקלט ביצועים גבוהים יותר).
הגדלת מונח רוחב הפס בערוץ ב- 6G.
כפי שמוצג באיור 1, למונח רוחב הפס יש קשר לינארי ישיר ליכולת הערוץ. אז, מפעילי הרשת רוצים להשתמש ברוחב פס 'חדש' כדי להרחיב את קיבולת הרשתות שלהם. כמובן, ספקטרום הרדיו עמוס ויש רק כמות מוגבלת של רוחב פס הזמין לשימוש. חיפוש זה אחר רוחב פס חדש נראה במעבר ל- 3G (2100 MHz band), ו- 4G (800 MHz, 2600 MHz, וגידול מחדש של להקות 2G/3G ישנות), ואז ב- 5G היה המעבר ל- להקות גלי מילימטר (24-29 GHz, 37-43 GHz).
מכיוון שאנו שוקלים את רוחב הפס המוחלט (הרץ) של קיבולת הערוץ, אם נחפש למצוא 100 מגה -הרץ של ספקטרום חופשי לשימוש אז בפס של 1 גיגה -הרץ זה מאוד תובעני (10% מהספקטרום הזמין) ואילו ב -100 גיגה -הרץ זה קל יחסית (0.1% מהספקטרום הזמין). מכאן שככל שאנו עוברים לתדירות הפעלה גבוהה יותר, כך נעשה יותר ויותר קל למצוא רוחב פס חדש, מכיוון שכמות רוחב הפס הקיימת רחבה בהרבה והסיכוי למצוא רוחב פס אפשרי הופך להיות גבוה בהרבה. עם זאת, ככל שאנו עוברים לתדרים גבוהים יותר אז הפיזיקה של התפשטות מתחילה לפעול נגדנו.
כפי שמוצג באיור 2, איבוד הקרינה מאנטנה איזוטרופית גדל בריבוע התדר (f2). אנו יכולים לראות כי עלייה של 10x אם תדירות ההפעלה מובילה לעלייה של 100x בהפסדים (הפסדים של 20 dB) עבור מקור קרינה איזוטרופי אם הפרמטר הקשור אחר של מרחק נשמר קבוע. בדרך כלל מתגברים על אובדן מסוג זה על ידי אנטנת Rx 'גדולה' פיזית, כך על ידי שמירה על הגודל הפיזי של אנטנת ה- Rx באותו גודל כאשר אנו עוברים לתדרים גבוהים יותר, אז ניתן להתגבר בעיקר על אובדן זה. על ידי שימוש באנטנות 'גדולות', יש לנו רווח נוסף לאנטנה בשל כיוון הקרן הצרה של האנטנות, וזה עוזר להתגבר על אובדן התפשטות. עם זאת, הכוונה זו מציגה את הצורך ביישור של קורות Tx ו- Rx להשלמת קישור רדיו, ושגיאת היישור כתוצאה מכך בין קורת Tx ו- Rx שיש לשלוט בה.
הסוג השני של אובדן שאנו סובלים כאשר אנו עוברים לתדרים גבוהים יותר הוא אובדן הנחתה האטמוספרית. זה קורה בגלל חלקיקים באטמוספירה שסופגים, משקפים או מפזרים את האנרגיה המוקרנת מהמשדר וכך מפחיתים את כמות האות שמגיעה למקלט. לאובדן מסוג זה יש קשר חזק בין אורך הגל (התדירות) של האות לבין הגודל הפיזי של החלקיקים באטמוספירה. אז כשאנחנו עוברים לאורכי גל של 1 מ"מ או פחות אז תכולת הלחות (גשם, ענן, ערפל, ערפל וכו ') וחלקיקי אבק (למשל חול) יכולים להגדיל משמעותית את ההיחלשות. בנוסף, למבנים מולקולריים מסוימים (למשל H2O, CO2, O2) יש תהודה באורכי גל ספציפיים וזה גורם לעלייה חדה בהנחתה בתדרי תהודה אלה. אם נסתכל על הנחתה האטמוספרית כאשר אנו עוברים מ- 10GHz ל- 1 THz, אנו רואים אפוא את העלייה ההדרגתית בהנחתה הנגרמת על ידי הקליטה/הפיזור, ואז אנו רואים פסגות נוספות המוטלות על עצמן הנגרמות על ידי תהודה מולקולרית. בין תדרי תהודה אלה אנו יכולים למצוא "חלונות אטמוספריים" שבהם התפשטות טובה יחסית, ואלה נראים באזורים של 35, 94, 140, 220 ו -360 גיגה-הרץ.
הפעילות הנוכחית של 5G כוללת את החלון בסביבות 35 GHz (5G מסתכל על אזור 37-43 GHz) ו- O2 אזור ספיגה ב 65 GHz (כדי לאפשר פריסה צפופה של תאים עם מעט דליפת אות לתאים שכנים בגלל ההפסדים האטמוספריים הגבוהים מאוד). נכון לעכשיו החלונות בסביבות 94 GHz, 140 GHz ו- 220 GHz משמשים למטרות אחרות (למשל ניטור מזג אוויר לוויני, מכ"מים צבאיים והדמיה) ולכן מחקרים עבור 6G שוקלים גם הפעלה עד אזור 360 GHz. כפי שאנו יכולים לראות מתרשים 3, הפסדים אטמוספריים באזורים אלה גבוהים פי 10 מלהקות 38GHz הקיימות, מה שמוביל לירידה נוספת של 10 dB לקילומטר.
עד כה שקלנו רק את רוחב הפס ה"אמיתי "של הערוץ הפיזי. הטכנולוגיה נקראת MIMO (Multiple Input Multiple Output) החל מ- 3G ולאחר מכן נפרסת באופן נרחב הן ב- 4G והן ב- 5G. בעזרת טכנולוגיה זו, אנו מבקשים להגדיל את רוחב הפס של הערוץ על ידי יצירת 'ערוצים וירטואליים' נוספים בין משדר למקלט. זה נעשה על ידי מספר אנטנות בצד השידור ומספר אנטנות בצד הקבלה. 'ריבוב מרחבי' MIMO משתמשת בקידוד מוקדם של פס האותות כדי לפצות על הפרשי הנתיבים העדינים בין קבוצות האנטנות Tx ו- Rx, והבדלי נתיבים עדינים אלה מאפשרים ליצור ערוצים נפרדים בנתיבי ה- Tx-Rx השונים. מערכת MIMO 2 × 2 יכולה ליצור 2 ערוצים אורתוגונליים, ומכאן להגדיל את קצב הנתונים בגורם 2.
שלב נוסף נקרא 'Massive MIMO', שם יש הרבה יותר אנטנות Tx ממה שיש אנטנות Rx. בתרחיש זה אז קבוצה אחת של אנטנות Tx יכולה ליצור נתיבי MIMO נפרדים לצדי Rx מרובים (או להיפך) כך שתחנת בסיס אחת מסיבית של MIMO עשויה לספק קישורים משופרים של MIMO למספר מכשירים בו זמנית. זה יכול להגדיל באופן משמעותי את קיבולת התא (אם כי לא להגדיל את קצב הנתונים למשתמש אחד מעבר לקצב MIMO הרגיל).
מגבלה מעשית של MIMO היא שהאורתוגונאליות של הערוצים המרחבים חייבת להיות נוכחת, ולאחר מכן יש לאפיין אותה (על ידי מדידות) ולאחר מכן לפצות אותה באלגוריתמים לקידוד הערוצים (מטריצות מקודדות מראש). כאשר אנו עוברים ל- MIMO מסדר גבוה עם הרבה יותר ערוצים למדידה/קוד, ואם יש לנו מאפייני התפשטות ערוצים מורכבים יותר בקבוצות THz, אז המורכבות החישובית של MIMO יכולה להיות גבוהה במיוחד והיישום האפקטיבי יכול להגביל את רווחי הביצועים של MIMO. . עבור 6G יש עניין רב בפיתוח אלגוריתמים חדשים שיכולים להשתמש בבינה מלאכותית (AI) ולמידת מכונה (ML) בתהליך קידוד MIMO, כך שניתן ליישם את הכוח החישובי של AI/ML בכדי לתת רמות גבוהות יותר של רווח קיבולת. זה אמור לאפשר לעיבוד חזק יותר לספק רווח גבוה יותר של MIMO ב- 6G ולאפשר שימוש יעיל ב- MIMO בתדרי Terahertz.
הצעה נוספת הנבחנת לרשתות 6G עתידיות היא השימוש ב'מטא-חומרים 'כדי לספק השתקפות מנוהלת/מבוקרת של אותות. מאפיין התפשטות הערוצים, ומכאן רווחי הקיבולת של MIMO, הם פונקציה של הבדלי הערוצים (אורתוגונליות) והיכולת למדוד הבדלים אלה. מאפיין ערוץ זה הוא פונקציה של כל ההשתקפויות המתרחשות לאורך נתיב ערוץ. באמצעות מטא-חומרים נוכל לשלוט באופן פעיל בהשתקפויות האותות, כדי ליצור נתיב ערוץ 'מהונדס'. לאחר מכן ניתן יהיה להתאים את הערוצים המהונדסים האלה כדי לספק השתקפות אופטימלית של האות לנתיב ישיר בין Tx ו- Rx, או כדי לספק 'אורתוגונליות' משופרת כדי לאפשר קידוד MIMO בעל רווח גבוה להיות יעיל.
איור 4 מראה את ההבדל בגישת BW מוגבלת לגישה BW רחבה להשגת קצבי נתונים גבוהים. גישת BW המוגבלת דורשת תוכניות SNR גבוהות מאוד ואפנון גבוה (1024QAM) ו- MIMO מסדר גבוה (4 × 4), ואפילו שילוב זה של 1GHz + 1024QAM + 4 × 4 עדיין אינו ניתן למימוש ב- 5G. עם BW הרחב יותר הזמין באזורי THz (למשל 50GHz) אז רק רמת SNR צנועה (QPSK) ואין צורך ב- MIMO כדי להגיע לשיעורי נתונים גבוהים בהרבה. כך שניתן לראות בקלות את שיפור קצב הנתונים בבירור של BW רחב יותר.
הגדלת מונח SNR ב- 6G
הפעולה המפורטת של מונח SNR ותוכנית קידוד האפנון הקשורים (MCS) מוצגים באיור 5. ככל שאנו מגדילים את ה- SNR בערוץ, ניתן להשתמש ב- MCS מסדר גבוה יותר בערוץ כדי לאפשר גבוה יותר קצב שידור. השימוש בתוכניות לתיקון שגיאות (למשל תיקון שגיאות קדימה, FEC) נקבע כאמצעי להשגת גבולות תיאורטיים אלה בעת שימוש בתוכנית אפנון דיגיטלית. כאשר ה- SNR מצטמצם, אז MCS מסוים עובר מ"שידור ללא שגיאות "ל"שידור מוגבל בערוצים", שם משוואת שאנון קובעת את קצב הנתונים המרבי שתהליך תיקון שגיאות יכול לקיים. זה נראה באיור 5, שבו כל סוג MCS עובר מנטול שגיאות לקיבולת המוגבלת של שאנון. במציאות, הקיבולת בתנאים מוגבלים בערוצים אינה עומדת עד גבול שאנון אך תוכניות תיקון שגיאות שונות מנסות להתקרב לגבול התיאורטי הזה (אם כי לתכניות תיקון שגיאות יכולה להיות פשרה בין כוח העיבוד/המהירות הנדרשים לתיקון השגיאות. לעומת הרווחים בקיבולת הערוץ). רשתות סלולריות כגון 5G בדרך כלל נמנעות מהתנאים המוגבלים של הערוץ ויחלפו בין תוכניות MCS שונות (בהתבסס על SNR הזמין) כדי לשאוף לשידור ללא שגיאות במידת האפשר.
האזור המוצלל הצהוב, בין קו הגבול של שאנון ובין קיבולת הערוץ בפועל מסוג MCS ספציפי, מציין את חוסר היעילות או את התקודד המקודם של ערכת תיקון השגיאות.
ההיבט הראשון של שיפור מונח SNR הוא פיתוח תוכניות קידוד חדשות ותכניות תיקון שגיאות (למשל מעבר לתכניות הנוכחיות כגון טורבו, LDPC, פולאר) המנסות לצמצם פער זה תוך שימוש בכוח עיבוד מינימלי. זהו תחום המחקר הראשון, להשגת קיבולת הערוצים המשופרת בתנאים מוגבלים לרעש מבלי לדרוש אלגוריתמים מורכבים לפענוח מורכב. ככל ששיעורי הנתונים גדלים באופן דרמטי, יש לשמור על "תקורה" של העיבוד, העלות/מורכבות וצריכת החשמל (ניקוז הסוללה) ביישום תכנית הקידוד. לכן תוכניות קידוד חדשות ליישום יעיל יותר חשובות מאוד עבור 6G, כאשר יישומים מעשיים שיכולים לספק את קצבי 100 Gbps נדונים עבור 6G.
כדי לייעל את ערכות קידוד הערוצים דורש דוגמנות ערוצים מורכבות יותר כדי לכלול השפעות של קליטה ופיזור בערוץ. עם מודלים מדויקים יותר לחזות כיצד ערוץ ההפצה משפיע על האות, ניתן להשתמש במערכות קידוד ותיקון שגיאות מותאמות יותר המתאימות ביעילות רבה יותר לסוגי השגיאות שעלולות להתרחש.
ההיבט השני של מונח SNR הוא שיפור רמת האות במקלט (הגדל את חלק האות של ה- SNR) על ידי הגדלת חוזק האות במשדר (הגברת עוצמת השידור, Tx). בדרך כלל יש לנו גבול עליון לעוצמת ה- Tx הזו, המוגדרת על ידי מגבלות בריאות ובטיחות (למשל מגבלות SAR, סיכוני חשיפה אנושית או בעיות הפרעות אלקטרוניות). אך מנקודת מבט של הטמעה טכנולוגית, יש לנו גם מגבלות בהספק ה- Tx הזמין בתדרי מילימטר ותדר טרץ, במיוחד אם גודל המכשיר/צריכת החשמל מוגבלים. זאת בשל יעילות ההוספה (PAE) הנמוכה יחסית של טכנולוגיית המגברים בתדרים אלה. כאשר אנו מנסים להניע את המגברים לעוצמה גבוהה, בסופו של דבר אנו מגיעים למגבלת הרוויה שבה הספק קלט נוסף אינו תואם לרמות שימושיות של הספק פלט מוגבר (המגבר נכנס לרוויה). ברמות הספק הרוויות הללו האות מעוות (הפחתת טווח) ויעילות ההספק של המגבר מצטמצמת (הגדלת צריכת החשמל).
התרשים באיור 6 מציג סקירה של כוח הפלט הרווי (המקסימלי) הזמין לעומת התדר עבור השונים סמיקונדקטור חומרים המשמשים למעגלים אלקטרוניים. אנו יכולים לראות שפלט הספק בטווח של +20 עד +40 dBm זמין מסחרית עד 100 GHz. בתדרים גבוהים יותר אנו יכולים לראות כי הספק זמין עבור מוליכים למחצה מסורתיים יורד במהירות לטווח -10 עד +10 dBm, המייצג ירידה של כ -30 dB בהספק פלט זמין. התוצאות והמגמה של InP מראות הבטחה לספק כוח שימושי לתדרים הגבוהים יותר. מוליכים למחצה מסורתיים של 'הספק גבוה' כגון GaAs ו- GaN מציגים הספק גבוה עד 150 גיגה -הרץ אך עדיין לא הראו תוצאות בקנה מידה מסחרי לתדרים גבוהים יותר. הביצועים של הטכנולוגיה האלטרנטיבית של צינורות גל נוסעים (TWT) מוצגים גם באיור 6, המספק טכנולוגיה לייצור הספק מספיק בתדרים הגבוהים יותר. עם זאת, העלות, הגודל, צריכת החשמל של TWT אינם הופכים אותו מתאים לתקשורת סלולרית אישית כיום.
עבור תדרים גבוהים יותר (מעל 100 GHz) קיימים סמיקונדקטור לחומרים יש נצילות חשמל נמוכה מאוד (10% PAE למשל). משמעות הדבר היא שבדרך כלל יש לנו הספקים נמוכים להשגה באמצעות טכניקות קונבנציונליות, ובעיות חימום מכיוון שיש רמה גבוהה (90%) של הספק 'מבוזבז' שיש לפזר. זה מוביל למחקר בסיסי חדש הדרוש בחומרים ובתרכובות מוליכים למחצה ליעילות גבוהה יותר, ואריזת מכשירים חדשים להפחתת הפסדים וניהול חום משופר. העברת האותות בתוך המעגלים המשולבים ואל האנטנה עם אובדן נמוך הופכת גם היא לבעיה טכנולוגית קריטית, שכן כמות גדולה של כוח עלולה ללכת לאיבוד (להפוך לחום) רק מהעברת הספק האות מהמגבר לאנטנה. לכן, ישנו אתגר מרכזי באריזה של המעגלים המשולבים ללא אובדן משמעותי, ובשמירה על פיזור חום תקין.
בנוסף לאריזה ברמת המכשיר/רכיב שנדונו לעיל, מוצר מסחרי דורש גם אריזות צריכה כך שניתן לטפל במוצר הסופי בקלות על ידי משתמש הקצה. אז זה דורש חומרי אריזה מפלסטיק/מרוכבים המעניקים מספיק שריטות, לחות, לכלוך והגנה על טמפרטורה למעגלים הפנימיים. במעבר אל רצועות התדרים הגבוהות יותר מ- 100 גיגה -הרץ, יש לאמת את תכונות החומרים כדי לתת אובדן שידור נמוך והשפעה מינימלית על צורת הקרן/מעגלים יוצרים, כך שניתן יהיה לשמור על SNR הנדרש.
עלייה לתדר טווח THz מביאה לעלייה גדולה באובדן הנתיבים האטמוספריים, כפי שנדון קודם לכן במאמר זה. מערכי אנטנות גבוהים מאוד (מאסיביים) הם פתרון לפיצוי על אובדן הנתיב על ידי קרן כיוונית כוח גבוהה יותר. תכנון מערכים כאלה שיפעלו ביעילות גבוהה בתדר THz מציבים אתגרים רבים, החל מתכנון רשת ההזנה ורכיבי האנטנה ועד לתמיכה ברוחב פס רחב. היתרון הוא שמערך של משדרים מרובים יכול לייצר הספק פלט גבוה ביתר קלות מאשר פלט יחיד בעל הספק גבוה. האתגר הוא אז למקד את העוצמה המשולבת של רכיבי האנטנה הבודדים לקורה אחת לכיוון המקלט.
אז, אנו יכולים להשתמש במערכי אנטנה בעלי מבנה קרן לצורך רווח גבוה יותר (יותר אנטנות בכדי לתת יותר כוח Tx המגיע למקלט) כדי להתגבר על הפסדי התפשטות האטמוספירה והספק הפלט מופחת. השימוש במערכים מסיביים ליצירת רווח גבוה של אנטנה, והתדירות הגבוהה יותר, גורמים לקורות צרות מאוד. ישנה חשיבות רבה לייעל את שיטות צורת הקורות על מנת לספק טווח דינמי גבוה וגמישות גבוהה בעלות וצריכת אנרגיה סבירה, שכן היווצרות קרן של קורות צרות וגברות גבוהות תהיה חשובה מאוד. קישורי תקשורת בתדירות גבוהה יותר יהיו תלויים בנתיבי 'קו הראייה' ובנתיבים המוחזרים ישירות, ולא בנתיבי פיזור ופריקה, שכן אובדן עוצמת האות עקב עקיפה או פיזור עשוי לגרום לרמות האות נמוכות מדי לגילוי. לכן, יחד עם יצירת הקורה צריך להיות ניהול קורות המאפשר ליישר ולתחזק את הקורות הצרות הללו תוך כדי תנועה של המשתמשים בתוך הרשת. ניהול קרן 5G הנוכחי משתמש במערכת של אותות הפניה ומדידות/דוחות UE כדי לעקוב אחר הקורות ולהתיישר להיות הקרן הטובה ביותר. שיטה זו יכולה לגרום לתקורות משמעותיות ביכולת הערוץ, ובשביל 6G צריך להיות מחקר על טכניקות מתקדמות יותר לניהול קרן.
ההיבט השלישי של מונח SNR הוא שיפור הרעש במקלט (להורדת חלק הרעש של ה- SNR).
רעש המקלט הופך לגורם חשוב במעבר לרוחב הפס הרחב יותר (הגדלת מונח B, כפי שנדון לעיל), שכן רוחב הפס הרחב יותר יגדיל את רצפת רעש המקלט. ניתן לראות זאת גם כשעוצמת הרעש של המקלט גוברת, וגם כאשר צפיפות הכוח של "האות הרצוי" יורדת, מכיוון שאותו הספק (למשל +30 dBm של כוח Tx) של האות הרצוי מתפשט לרוחב פס רחב יותר. שני הגורמים ישמשו לפגיעה ביחס האות לרעש. אז שיפור עוצמת הרעש של המקלט ישפר ישירות את ה- SNR של האות שהתקבל.
עוצמת הרעש של המקלט מורכבת מעוצמת הרעש התרמי הטמון, ומעוצמת הרעש הפעילה של המכשיר (רעש זריקה)
מתהליך מוליכים למחצה. על ידי שיפור הביצועים של חומר המוליכים למחצה, ניתן להשיג רעשי זריקה נמוכים יותר. בנוסף, סוג רעש שלישי, רעש זמן מעבר, מתרחש בחומרים של מוליכים למחצה כאשר הם מונעים מעל תדר ניתוק מסוים (fc). לכן, יש גם עניין בשיפור תדירות הניתוק של חומרי מוליכים למחצה על מנת לאפשר להם להשתמש ביעילות בתדרים הגבוהים יותר באזור 100-400 GHz.
הרעש התרמי ניתן על ידי המשוואה הבסיסית:
? = ???
כאשר P הוא עוצמת הרעש, k הוא קבוע הבולצמן, ו- T הוא הטמפרטורה (º קלווין). אם כן, נראה בבירור כי הגדלת מונח רוחב הפס, B, מגביר ישירות את עוצמת הרעש התרמי. רעש זה אינו תלוי בחומר המוליכים למחצה, ובהנחה של מכשיר 'טמפרטורת החדר' (כלומר לא עם מערכת קירור ספציפית לטמפרטורה נמוכה במיוחד), אי אפשר להימנע מרעש זה והוא רק גדל על ידי רוחב פס רחב יותר. אז זה מייצג מגבלה מהותית שיש להתייחס אליה בכל עיצוב מערכת חדש.
ל- OFDM (רב מנשא) יש אתגרים בשל הדרישה לרעש פאזה נמוך, לעומת מערכות מנשא יחיד. הדבר עשוי להגביל את היעילות של מערכות OFDM בלהקות Terahertz, מכיוון שלטכנולוגיית המכשירים הקיימת כיום יש רעש פאזה גבוה יחסית. רכיב רעש הפאזה נובע בדרך כלל מהדרישה לקבל 'מתנד מקומי' הפניה המספק תדר/שלב התייחסות קבוע שכנגדו משווים את האות המתקבל לחילוץ המידע בנושא הסרת I&Q.
מתנד הייחוס בנוי בדרך כלל מהדהוד מעגל ומעגל משוב, כדי לספק הפניה באיכות גבוהה ויציבה. אך כל רעש במעגל המשוב ייצור רעש בפלט המהודד, ומכאן שייצר רעש פאזה באות ההתייחסות המחדיר לאחר מכן את רעש הפאזה המתאים לאות המופחת. באות המתנד המקומי של מערכת השידור והקבלה, רעש הפאזה גדל בריבוע הכפל מאות ההתייחסות. לכן, יש לנקוט באמצעים כגון ניקוי רעש הפאזה של אות ההתייחסות לפני הכפל.
בלהקות Terahertz, רעש הפאזה עשוי להיפתר על ידי התקדמות בטכנולוגיית המכשיר ועיבוד אותות. בנוסף, נשקלות תוכניות גישה יעילות יותר (מעבר ל- OFDMA) עבור 6G. ל- OFDMA יש יתרון של גמישות לרוחבי פס שונים והטמעה חסכונית וחסכונית במכשירים. זה חשוב כדי להבטיח שניתן לפרוס אותו למכשירים שיהיו במחירים סבירים ובעלי חיי סוללה (זמן דיבור) מקובלים. מעבר למערכות רוחב פס רחבות מאוד ב- 6G ומצפות ליעילות ספקטרלית גבוהה יותר (יותר סיביות/שניות/הרץ), ואז תוכניות גישה חלופיות נבדקות ונבדקות. יהיה צורך לאמת את ההשפעה של רעש פאזה על הביצועים של תוכניות גישה למועמדים על מנת להבטיח כדאיות יישום תוכניות הגישה.
אתגרי מדידה לתקשורת אלחוטית בלהקות Terahertz.
המעבר לתדר גבוה יותר בפס THz מביא את אותם אתגרי טכנולוגיית מכשירי RF לציוד הבדיקה. יש להבטיח את ביצועי ה- RF (למשל רצפת רעש, רגישות, רעשי פאזה, פליטות מזויפות) של ציוד בדיקה ברמה שתיתן מדידות מהימנות לאי הוודאות/הדיוק הנדרשים.
ככל שמתפתחים תרכובות ותהליכים חדשים של מוליכים למחצה, יש לאפיין את פרוסות המוליכים למחצה כך שניתן יהיה להזין את התנהגות המכשיר במדויק לסימולציות ולכלי עיצוב. הדיוק והאמינות של מדידות אלה חיוניות לתכנון ולמודל של התנהגות המכשיר בעת עיצוב התקני להקת terahertz. הכלי העיקרי לאפיון זה הוא Analyzer Network Network (VNA), ודור ה- VNA מהדור החדש מסוגלים כעת לאפיין 70KHz - 220GHz בטאטא אחד, באמצעות בדיקות מתקדמות וטכנולוגיית תחנת בדיקה כדי להתחבר לפרוסות הבדיקה. גישת 'סחיפה אחת' נותנת את רמת הביטחון הגבוהה ביותר במדידה וחיונית לאפיון האיכותי הדרוש לדור הבא של עיצוב המכשירים. איור 7 מציג מערכת VNA המוגדרת עבור 'טאטא בודד' 70KHz-220GHz, המשמשת לאפיון דגימות ופלים של מוליכים למחצה בתחנת בדיקה.
כדי להתגבר על מגבלות הביצועים האפשריות (למשל טווח דינמי, הפסדי המרה) אז ארכיטקטורות חדשות נחקרות כדי לתת עלות/ביצועים אופטימליים בסביבות הבדיקה של תדר גבוה יותר וסביבות בדיקת רוחב פס גבוה יותר.
עבודה זו כוללת מציאת טכנולוגיה חדשה של Spectrum Analyzer וארכיטקטורות VNA בפס רחב, המאפשרות אפיון מכשיר בסיסי. דוגמה למערכת מדידת ספקטרום 300GHz באמצעות טכנולוגיית 'בורר מראש' חדשה מוצגת באיור 8.
משדרי רדיו ומקלטים משתמשים לעיתים קרובות במכפילי תדרים כממירים ליצירת אותות בתדירות גבוהה מאוד מהתייחסות יציבה לתדר נמוך. אתגר אחד בשיטה זו הוא שכל רעש פאזה בתדר ההתייחסות מוכפל גם בריבוע של גורם כפל התדרים, מה שיכול להוביל לאותות רעש גבוהים שפוגעים בביצועים. במקלט, יתכנו גם מערבלים תת-הרמוניים להורדת תדר גבוה בקלות לתדר נמוך יותר הניתן לניהול, אך מערבלים תת-הרמוניים אלה נותנים הרבה חלונות בתגובות תדר לא רצויות (תמונות). שתי האפקטים מייצגים אתגרים משמעותיים עבור ציוד בדיקה, שכן הבודק צריך להיות בעל ביצועים גבוהים מאוד (כדי למדוד את אותות העניין) וגמישות התצורה כדי להיות מסוגל למדוד מגוון רחב של מכשירים. אז טכנולוגיות, מכשירים ואדריכלות חדשים להתגבר על אתגרי היישום הללו נחקרים למימוש ציוד בדיקה בעל ביצועים גבוהים. דוגמה לכך היא השימוש בפוטוניקה וברכיבים אופטו-אלקטרוניים ליישום מתנד בתדירות גבוהה עם רעש פאזה נמוך ועוצמה גבוהה, כאשר שני מקורות דיודת לייזר מתערבבים יחד ונוצרת תדר IF שנוצר בפס הטרהרץ.
בשלבים מוקדמים של שיטת גישה לרדיו חדשה או רצועת תדרים חדשה, אפיון סוג האפנון/קידוד והתפשטות התדרים הוא פעילות מחקר מרכזית. אפיון זה משמש לסייע בפיתוח ואימות מודלים לתכניות קידוד ותיקון שגיאות. כדי לתמוך בכך, לרוב משתמשים בפתרון "צליל ערוצים" לביצוע מדידות בערוץ התדרים ולהערכת צורות גל. צליל ערוצים זה מורכב בדרך כלל ממקור אות מורכב (וקטורי) ומנתח אותות וקטוריים. זה מאפשר למדוד הן את השלב והן את המשרעת של תגובת הערוץ. ניתן לבנות מערכות העברה וקטוריות כאלה ממחולל אותות וקטור נפרד ומנתח אותות וקטוריים, או ממנתח רשת וקטור משולב. זה ידרוש מחוללי אותות וקטוריים ומנתחי אותות וקטוריים המסוגלים לפעול עד להקות 300 GHz. איור 9 מציג מחולל אותות של פס 300GHz ומנתח ספקטרום המשמש במערכת הערכה מעבדה.
המעבר לגל מילימטר (24-43 GHz) ב- 5G כבר הציג אתגרים חדשים רבים למדידות OTA של 'Over The Air'. OTA נדרש כאשר המעגלים של אנטנה ו- Tx/Rx משתלבים יחד כדי לספק את ביצועי משדר האובדן הנמוך. אבל שילוב זה של אנטנה ו- Tx/Rx פירושו שכבר אין יציאת בדיקת RF לביצוע מדידות RF, ובמקום זאת יש לבצע את כל המדידות דרך ממשק האנטנה. מדידת OTA מביאה אתגרים מבחינת גודל הציוד (תאים גדולים נדרשים כדי לבודד את מכשיר הבדיקה מפני אותות חיצוניים), חוסר ודאות במדידה (הצימוד דרך האוויר בין ציוד הבדיקה למכשיר פחות חוזר) וזמן המדידה (לעתים קרובות המדידה חייבת לחזור על עצמו בזוויות תקריות רבות לאנטנה). בעת מעבר לתדרי הלהקה THz גודל הקאמרי עשוי להיות מופחת, אך אי וודאות המדידה הופכות לתובעניות יותר בשל רצפת הרעש ומגבלות ההספק שנדונו לעיל. תשומת לב רבה מוקדשת כעת לשיטות מדידת OTA וחוסר וודאות, כך שניתן ליישם סביבות בדיקה המתאימות להקות 6G ו- THz.
<br> סיכום
הדרישות הצפויות לשיעורי נתונים גבוהים יותר (וקיבולת נתונים גבוהה יותר) בתא אלחוטי הם חלק ממניעי המפתח למחקרי טכנולוגיה שמעבר 5G ו- 6G. ניתן לענות על דרישות אלה עם רוחב פס ערוץ רחב יותר (B), או עם יחס אות לרעש של הערוץ (SNR). משוואת שאנון עולה כי הגדלת B נותנת תשואה גדולה יותר מאשר הגדלת SNR, למרות ששניהם רלוונטיים ומעניינים.
בשל השימוש הרב בלהקות התדרים הקיימות, קיים עניין רב להשתמש בתדרים גבוהים יותר כדי לאפשר רוחב פס רב יותר. זה מייצר עניין לעבור מעבר לתדרי הספק של 100 GHz ולתחום Terahertz, שם ניתן למצוא רוחבי פס גבוהים יותר (למשל רוחב פס של 10 GHz או יותר) שיכולים להיות זמינים עבור מערכות תקשורת מסחריות. הסיבה לכך שהרכבים אלה לא שימשו בעבר למערכות אלחוטיות מסחריות נובעת בעיקר ממגבלות התפשטות (הנחתה גבוהה של אותות) ועלות/מורכבות/יעילות של טכנולוגיית מוליכים למחצה ליישום מעגלים בתדרים גבוהים יותר אלה.
דרישה זו, ומגבלות הטכנולוגיה/ההטמעה הקיימות, מניעות כעת מחקר על השימוש בתדרי תדר גבוהים יותר (למשל באזור 100-400 GHz) ופעילויות מחקר בתחומי הנושאים המרכזיים הבאים:
- מדידות צליל והתפשטות ערוצים, לאפיין ולדגם את התפשטות קישורי השידור האלחוטי ולהעריך תוכניות גישה למועמדים כגון
- מערכות MIMO מתקדמות, ליכולת ערוץ נוספת על ידי שימוש במספר מרחבי
- תוכניות קידוד שגיאות לשיפור היעילות והתקרבות לגבולות שאנון של SNR
- משטחי מבנה מתקדמים ומשקפים (מטא-משטחים) המאפשרים שימוש באותות קרן צרים לכיוון רווח גבוה
- מכשירים וטכנולוגיית מוליכים למחצה לתת רעשי זריקה נמוכים יותר ו fc, ורעש שלב נמוך יותר
- מוליכים למחצה וטכנולוגיית אריזה המעניקה מודולי שידור לאובדן נמוך יותר, יעילות הספק גבוהה יותר והספק פלט גבוה, בתדירות הגבוהה יותר
- טכנולוגיה ואריזה למערכות אנטנות משולבות המתאימות הן לציוד אתר סלולרי והן למשתמשים
באופן כללי, נראה כי ישנם אתגרי יישום רבים בשימוש בטווח התדרים 100-400 GHz. עבור תדרים מתחת ל 100 GHz אז התקני מוליכים למחצה RF קיימים יכולים ליישם את הטכנולוגיה עם גודל/עלות/יעילות מקובלים. מעל 10 THz אז ישנן טכנולוגיות התקנים אופטיות שיכולות גם ליישם את הפונקציות הנדרשות בצורה מקובלת. נכון לעכשיו קיים 'פער Terahertz' זה, המשתרע על פני טווח של 100 GHz עד 10 THz, שם מתרחש ההצלבה בין טכנולוגיות אופטיות/פוטוניקות ו- RF/אלקטרוניקה ושם מתפתחת טכנולוגיית יישום המכשירים החדשה לפתרונות מסחריים.
במקביל, השימוש ב- AI/ML נחקר כדי לשפר את הביצועים של אלגוריתמים המשמשים בפונקציות רבות של מערכות התקשורת. זה כולל את התחומים של קידוד ערוצים ותיקון שגיאות, MIMO, עיצוב אלומות ותזמון משאבים.
כל הנושאים והאתגרים הטכנולוגיים לעיל נחקרים כעת על ידי צוותי מחקר ופרויקטים ברחבי העולם. התוצאות יספקו ניתוח והצעות לתהליכי יצירת התקנים ולארגוני פיתוח תקנים (SDO) כגון 3GPP, כדי לאפשר בחירת טכנולוגיות וצורות גל עבור ה- 5G מעבר ל- 6G רשתות. לא רק היכולת התיאורטית, אלא ההשלכות המעשיות והטכנולוגיה הזמינה לפתרונות מסחריים במחירים נוחים ומתאימים, הם נקודות קריטיות לבחירת הטכנולוגיה שתכלול בתקנים עבור מערכות תקשורת סלולריות מהדור הבא.
מאת ג'ונתן בוריל
- למחבר זה אין פוסטים נוספים.