L’elettronica guarda, come sempre, un paio di mosse in anticipo. Mentre si sta ancora procedendo con l’installazione completa della rete 5G, l’industria elettronica pensa già al prossimo passo. Anche se lontani dal 6G non ci si può far sorprendere impreparati.
La ricerca sul 6G è appena iniziata e la visione di ciò che l’International Telecommunication Union chiama Network 2030 sta ancora prendendo forma. Mentre l'industria è lontana anni dall'inizio del processo di sviluppo degli standard, le frequenze sub-terahertz (sub-THz) sono al centro della ricerca attiva. Raggiungere prestazioni di throughput elevate nello spettro sub-THz (100–300 GHz) o THz (300 GHz–3 THz) richiede larghezze di banda e modulazione molto ampie.
In questo periodo di evoluzione della tecnologia 6G, i ricercatori fanno affidamento su di un testbed flessibile e scalabile per ottimizzare le prestazioni dei loro progetti. Il white paper di Keysight "A New Sub-Terahertz Testbed for 6G Research" tratta il setup di un banco di test per le bande D (110-170 GHz) e G (140-220 GHz) con lo scopo di misurare la qualità delle forme d'onda attraverso la misura dell’EVM (Error Vector Magnitude), utilizzando modulazioni con larghezza di banda fino a 10 GHz. Le apparecchiature e l'hardware multicanale ad alte prestazioni, combinati con software flessibili per la generazione e analisi dei segnali, consentono la valutazione delle forme d'onda che potrebbero essere candidate per il 6G.
Le caratteristiche del canale sub-THz presentano ancora molte incognite, di conseguenza determinare l’EVM e quindi il livello di prestazioni del sistema in questi nuovi range di frequenza, utilizzando schemi di modulazione altamente complesse, è un'area di ricerca chiave. Raggiungere data rate pari o superiori a 100 Gb/s può richiedere l'utilizzo di symbol rate elevate con larghezze di banda di modulazione davvero molto elevate.
Questo articolo fornisce un esempio dell'utilizzo di un testbed sub-THz di Keysight per eseguire ricerche sul channel sounding 6G considerando bande elevate nel range di frequenze da 100 GHz e 170 GHz (banda D). Il testbed utilizza i software di analisi e generazione con la stessa configurazione hardware utilizzata per le misurazioni EVM, al fine di dimostrare come è possibile affrontare diverse aree di ricerca con lo stesso sistema.
Channel Sounding utilizzando un Testbed a Sub-THz
Il channel sounding è il processo di misurazione della risposta all’impulso di un canale. Se il canale è lineare e invariante nel tempo, è possibile prevedere la risposta del segnale in ingresso, esprimendo il segnale stesso come combinazione lineare di impulsi. Di conseguenza è possibile calcolare la risposta del canale di ciascun impulso (impulsi campione) sommandone le rispettive risposte; tale processo è noto anche come convoluzione.
La procedura di channel sounding comprende tre passaggi chiave:
1. invio un segnale noto nel canale;
2. cattura del segnale all’uscita del canale;
3. calcolo della risposta del canale confrontando il segnale trasmesso con il segnale ricevuto.
Panoramica della configurazione del channel sounding 6G
La Figura 2 mostra una configurazione del banco di test per la stima del channel sounding in banda D. Questo testbed può essere utilizzato anche per la misura di EVM.
Il banco è composto da due software principali: il software PathWave Signal Generation per la sintesi di modulazioni custom, impiegato per generare il segnale di riferimento ed il software PathWave Vector Signal Analysis (VSA) adottato per l’analisi del segnale ricevuto. Entrambi gli applicativi vengono eseguiti su un controllore embedded (AXIe PC), situato all’interno di uno chassis insieme al generatore di forme d'onda arbitrarie (AWG) M8195A 65 GSa/s di Keysight. Di seguito sono riportati i passaggi per impostare il testbed:
1. Sintesi della forma d’onda di riferimento mediante PathWave Signal Generation e download della stessa sul canale 1 dell’AWG ’M8195 65GSa/S. In questo primo passaggio il segnale è modulato ad una frequenza intermedia (IF);
2. Conversione dell'IF da 6 GHz a 144 GHz utilizzando un up-converter in banda D di Virginia Diodes Inc. (VDI) ;
3. Trasmissione, utilizzando un’antenna a tromba, del segnale a 144GHz in una camera anecoica con all’interno dei riflettori il cui scopo è quello di simulare il canale. Una seconda antenna a tromba verrà impiegata per ricevere il segnale precedentemente trasmesso.
4. Conversione del segnale ricevuto in IF utilizzando questa volta un down-converter sempre in banda D.
5. Acquisizione e digitalizzazione del segnale IF mediante l'oscilloscopio multicanale ad alte prestazioni UXR di Keysight.
6. Analisi dei dati acquisiti mediante il software PathWave VSA per eseguire la misura del channel sounding sul segnale IF digitalizzato.
Dentro la camera
Le antenne a tromba con un'ampiezza del fascio da 9/10 gradi trasmettono e ricevono il segnale in aria. I riflettori posizionati nella camera creano l'effetto multipath come illustrato in Figura 3; Inoltre, sono stati impiegati dei puntatori laser montati sulla parte superiore dei convertitori VDI, per dirigere meglio il fascio verso i riflettori.
I due riflettori nella camera RF forniscono un canale noto. L'attrezzatura del testbed e le antenne Tx e Rx si trovano su un tavolo di fronte alla camera. Nella vista dall'alto, il rettangolo nero rappresenta il tavolo e le caselle arancioni rappresentano gli strumenti sul tavolo. I riflettori sono a circa 1 metro e 2 metri di distanza rispettivamente dalle antenne Tx e Rx. Durante la trasmissione del segnale, il ricevitore vedrà due riflessioni principali del segnale trasmesso, separate nel tempo.
Misure di channel sounding 6G
Dopo aver configurato i parametri su PathWave VSA in modo che corrispondano ai parametri configurati in trasmissione sul Signal Studio (512 simboli, symbol rate = 4 GHz, filtro RRC predefinito), il testbed genera il segnale di channel sounding e lo scarica nell'AWG M8195A a 65 GSa/s. La Figura 4 mostra la misurazione del channel sounding a 144 GHz.
Sul lato destro della figura è possibile visualizzare i grafici della risposta del canale nel dominio della frequenza (in alto) e nel dominio del tempo (in basso). La traccia di maggior interesse è la risposta all’impulso. Questa traccia mostra le riflessioni del segnale trasmesso con i relativi ritardi nel tempo.
Nella figura viene riportata l’ampiezza rispetto al tempo dalla quale si nota che il picco massimo si verifica al tempo = 0, ovvero al centro della traccia. È possibile, inoltre, visualizzarne la fase la fase modificando le impostazioni della traccia.
Migliorare la stima attraverso la media
Il picco principale è di circa 45 dB al di sopra del rumore di fondo. Parte del rumore di fondo include rumore gaussiano che è totalmente scorrelato dal segnale principale. Effettuando delle medie su più misurazioni della risposta del canale, fa si che la parte non correlata della potenza tende a 0. Questo può essere fatto aumentando il numero di ripetizioni sul software VSA. Questo approccio viene applicato per estrarre il segnale dal rumore o se la misurazione ha difficoltà nel sincronizzarsi quando il numero di acquisizioni e ripetizioni non è sufficiente. Lo svantaggio è che la velocità di aggiornamento della misurazione diminuisce e la misura diventa più sensibile agli errori dovuti al clock di simbolo.
Un altro modo per eseguire la media su più misurazioni (compromesso tra il livello SNR e velocità della misura) consiste nel calcolare la media dopo aver calcolato la risposta del canale (Figura 5). Selezionando MeasSetup > Average > RMS Video (Exponential) e impostando il tipo media predefinito su RMS.
Questo metodo applica la media RMS ad alcuni dei risultati VSA, mentre alle tracce relative alla risposta del canale la media vettoriale. Dopo tale operazione, il picco principale è di circa 70 dB sopra il rumore di fondo, con un miglioramento di 25 dB.
Questa soluzione per il channel sounding supporta anche più canali in ricezione, in modo da poter evidenziare e misurare le differenze relative tra più risposte all’impulso su diversi canali. Questa capacità è utile quando le antenne puntano in direzioni diverse o hanno polarizzazioni diverse.
Conclusioni
La ricerca 6G richiede l’analisi del channel sounding a bande di frequenza sub-THz per determinare le caratteristiche di propagazione del canale. Le metriche chiave includono EVM, BER e throughput dei per raggiungere velocità i di 100 Gb/s. Le bande di modulazione fino a 10 GHz introducono alterazioni dell’ampiezza e della fase significative sia nell'hardware radio che nel canale stesso.
