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用于6G研究的亚太赫兹MIMO测试台

Greg Jue, Keysight Technologies

6G的目标是成为通过连接物理世界、数字世界和人类世界来提高人类的生活质量的第一代无线技术。要实现这一目标，就必须在网络中加入人工智能，使其更加高效，并建立高保真数字孪生体。这需要建立在非地面网络和高度虚拟化的分散网络等网络架构基础上，这些网络架构始于5G并扩大了频谱的使用。

要实现6G的这些目标，必须更有效地利用分配给无线通信的频谱，并研究新的频谱。如果不扩展新的频段，就不可能满足身临其境的远程呈现、虚拟现实和扩展现实等应用对高数据吞吐率和大容量的需求。实现高数据吞吐率有三种基本方法。

一种方法是使用64-QAM等高阶调制方案来增加每个符号传输的比特数。在固定和有限的频谱带宽条件下，如果信道条件和无线电性能允许，将调制阶数从每个符号传输两个比特的QPSK提高到每个符号传输六个比特的64-QAM，可将数据吞吐率提高三倍。如果没有前向纠错（FEC）编码率冗余，1G QPSK符号率将产生2Gbps的理论原始计算数据吞吐率。然而，如果将调制阶数提高到64-QAM，在使用相同频谱占用带宽的情况下，数据吞吐率将达到6Gbps。

第二种方法使用更高的符号率，从而使用更多的频谱带宽并提高数据吞吐率。例如，假设使用0.22根升余弦阿尔法滤波器或额外带宽，使用1G符号率时，占用的信道带宽约为1.22GHz。将符号率提高10倍至10GHz，可将QPSK数据吞吐率提高到20Gbps，但使用的频谱范围更广，约为12.2GHz。然而，随着符号率和调制带宽的增加，调制阶数的增加也变得更具挑战性，这是因为信噪比（SNR）降低、振幅和相位损伤增大以及其他技术挑战。

第三种方法是利用多天线技术（如MIMO）传输多个独立的数据流。MIMO利用无线电信道的复合性，同时发射和接收多个独立的数据流，从而提高数据吞吐率。在1G QPSK符号速率下，使用2×2 MIMO可通过同时传输两个数据流来提高数据吞吐率。不过，实际增幅将取决于信道条件和系统开销，因此这将增加数据吞吐率，但不一定翻倍。

对于使用大范围频谱带宽的第二种方法，《微波杂志》曾进行过探索，并发表了一篇文章¹，展示了在285GHz频率和30GHz带宽下的准光学空中（OTA）传输。30GHz占用带宽相当于单数据流数据吞吐率可超过100Gbps的带宽。²根据计算，在没有使用802.15.3d帧结构的FEC编码率冗余的情况下，准光学OTA传输的数据吞吐率为97Gbps。

本文将讨论第三种方法，即使用亚太赫兹（THz）MIMO，使速率超过100Gbps。用于6G研究的亚太赫兹MIMO测试台在D波段（142GHz）和H/J波段（285GHz）同时演示了2×2 MIMO。选择这两个亚太赫兹频段是为了展示6G高数据吞吐率在两个关键频段的可行性。根据计算，在采用16-QAM调制阶数的定制正交频分复用(OFDM)波形、OTA传输和每个信号使用12.5GHz占用带宽的情况下，所有四个信道的总理论数据吞吐率约为126Gbps。

用于6G研究的亚太赫兹MIMO测试台

图1：在D波段和H/J波段同时进行2x2 sub-THz MIMO OTA传输。

图1显示了一个可用于6G研究的亚THz MIMO测试台。M8199A 128GSa/s四通道AWG生成宽带宽调制中频信号。M8199A AWG的模拟3dB带宽为65GHz。AWG的通道1和通道2产生以11GHz为中心的宽带宽调制中频信号，这些信号被输入到图1所示的Virginia Diodes公司（VDI）的四个VDI转换器中的左上方的紧凑型WR6.5双上变频器输入端。AWG的通道3和通道4产生以16GHz为中心的宽带调制中频信号。这些信号被输入到四个VDI转换器中的左下方的紧凑型WR3.4双上变频器输入端。

M9384B VXG双通道微波信号发生器为VDI紧凑型双上变频器和双下变频器产生两个不同的本地振荡器（LO）信号。VXG的通道1产生25.5GHz CW LO信号，通过外部功率分配器进行功率分配，为四个VDI转换器中的左上方的WR6.5双上变频器和右上方的双下变频器提供LO信号。VXG的通道2生成22.4166GHz的CW LO信号，该信号通过外部功率分配器进行功率分配，为图1所示四个VDI转换器中的左下方的WR3.4双上变频器和右下方的双下变频器提供LO信号。LO信号在VDI WR.6.5双路转换器内部乘以6倍，产生153GHz的高端LO信号，在WR3.4双路转换器内部乘以12倍，产生269GHz的低端LO信号。

左上方的WR6.5双上变频器将两个11GHz宽带调制中频信号上变频至142GHz。两个D波段输出波导端口具有正交极化，一个输出为水平极化，另一个输出为垂直极化。VDI波导带通滤波器用于滤除不需要的上边带信号和LO馈入信号，并通过所需的142GHz下边带信号（153GHz LO - 11GHz IF = 142GHz）。142GHz信号使用VDI WR6.5波导放大器放大，并通过两个WR6.5矩形喇叭天线进行OTA传输。在接收端，两个WR6.5矩形喇叭天线发出的142GHz信号通过WR6.5双下变频器下变频为两个11GHz中频信号。

图2：N7608C定制OFDM MIMO信号。

图3：N7618APPC PathWave Signal Generation Advanced Waveform Utility显示。

图4：在N7618APPC PathWave Signal Generation Advanced Waveform Utility中应用预编码。

图5：VSA通道配置

两个16GHz宽带调制中频信号通过图1左下方的WR3.4双上变频器上变频到285GHz。两个H/J波段输出具有正交极化，一个输出为水平极化，另一个输出为垂直极化。VDI波导高通滤波器用于滤除不需要的下边带信号和LO馈入信号，并通过所需的上边带信号（269GHz LO + 16GHz IF = 285GHz）。使用16GHz的较高中频频率，而不是142GHz的11GHz，是为了通过高通滤波器对LO穿透信号和不需要的下边带信号（269GHz LO - 16GHz IF = 253GHz）进行更多的抑制。285GHz信号使用VDI WR3.4波导放大器进行放大，并通过两个WR3.4对角喇叭天线进行OTA传输。在接收端，两个WR3.4对角喇叭天线发出的285GHz信号通过右下角所示的WR3.4双路下变频器下变频为两个16GHz中频信号。

WR6.5和WR3.4双上变频器和双下变频器的波导槽方向是对齐的，以便在双上变频器和双下变频器波导端口面对面时提供正确的水平或垂直极化，如图1所示。这可以从四个WR6.5矩形喇叭天线面对面的宽度、高度和方向看出，因为宽度和高度尺寸不同。而WR3.4对角喇叭天线的宽度和高度尺寸相同，因此较难观察到这一点。

来自WR6.5双路下变频器的两路11GHz宽带调制中频信号和来自WR3.4双路下变频器的两路16GHz宽带调制中频信号被输入33GHz UXR四通道实时示波器的通道1和通道3以及通道2和通道4，以对MIMO宽带中频信号进行数字化和分析。33GHz UXR所有四个通道的采样率均为128GSa/s。

MIMO测试台信号生成软件

Keysight的N7068C Signal Studio Pro for Custom Modulation和N7618APPC PathWave Signal Generation Advanced Waveform Utility (PWSG AWU)用于生成定制OFDM波形并将其下载到M8199A AWG。如图2所示，可使用N7068C Signal Studio Pro for Custom Modulation为数据和DMRS资源块指定符号索引、子载波索引、资源调制顺序（QPSK、16-QAM）和有效载荷PN序列。在导出.csv文件之前，系统采样频率设置为16GHz，并过采样两次至32GHz。

图3中的PWSG AWU输入.csv文件并对波形进行上采样，然后下载到M8199A AWG，通道1和2的中频频率为11GHz，通道3和4的中频频率为16GHz。

下载到M8199A用于MIMO测量的波形非常理想。但是，从实际硬件播放波形时，宽带信道平坦度性能可能无法满足测试要求。PWSG AWU提供了一个预校正向导，使用PathWave 89600矢量信号分析(VSA)软件自动生成校正滤波器文件，这对THz以下频率的超宽带信号非常有用。这种预校正是通过UXR对波形进行数字化，然后将VSA的反向通道响应应用于波形。用户可以将应用了校正滤波器文件的波形下载到M8199A，或将其导出到新的波形文件中。

在PWSG AWU软件中也可以应用预编码，以帮助最大限度地提高非LOS情况下的数据吞吐率。以图4所示的预编码矩阵为例。在将两个MIMO波形作为两个载波导入后，可以用所示的相位设置生成两个预编码波形，前提是两个波形设置使用了不同的有效载荷比特。不过，本演示中的定制OFDM波形是直接映射到天线上的，而不是预先编码的。波导水平极化和垂直极化用于分离多输入多输出数据流，这对该LOS应用来说已经足够。

MIMO测试台信号分析软件

PathWave 89600 VSA软件用于分析和解调来自UXR示波器的四个数字化中频信号。在VSA中设置了自定义通道配置，以便将UXR输入通道映射到逻辑通道和VSA测量通道（如图5所示）。UXR物理通道1和3与WR6.5双下变频中频输出相对应。这些通道被映射到VSA Meas01通道1和2。UXR物理通道2和4对应WR3.4双下变频器中频输出。这些通道被映射到VSA Meas02通道1和2。Meas01是D波段MIMO解调测量，Meas02是H/J波段MIMO解调测量。VSA测量采集模式设置为同时采集Meas01和Meas02，而不是顺序采集。VSA多重测量设置为同时处理和显示多个MIMO测量（Meas01和Meas02）。

对于VSA解调设置，89600 VSA设置文件从N7068C Signal Studio Pro导出，用于自定义调制，并带有之前为信号生成指定的OFDM设置参数。这些参数包括DMRS资源块的符号索引、子载波索引、资源调制顺序和有效载荷PN序列等。均衡器和跟踪参数在VSA软件中设置，用于物理测试台测量，例如最小二乘均衡器平均模式。

图6：显示定制OFDM MIMO信号的VSA解调。

图6显示了在142GHz和285GHz同时对2×2定制OFDM MIMO信号进行的VSA解调。两个LO信号使用了两个带UNY选项的PSG信号发生器，而不是图1所示的VXG双通道信号发生器。此外，还使用了四通道110GHz UXR，而不是33GHz UXR。使用PWSG AWU对波导到波导的连接路径进行了预校正，包括AWG、VDI双上变频器、VDI滤波器、VDI双下变频器和UXR。VDI放大器和喇叭天线不包括在预校正中。

图6左侧显示的是142GHz MIMO解调结果，图6右侧显示的是285GHz MIMO解调结果。图6顶部一行显示了16-QAM星座和OFDM误差汇总表，分别为142GHz（左）和285GHz（右）。中间一行显示了142GHz信道1和2（左侧两个频谱）以及285GHz信道1和2（右侧两个频谱）的四个频谱测量结果。图6中VSA显示屏底部显示了四次频谱测量中每次测量的占用带宽。四个亚THz信号的占用带宽均测量为约12.5GHz。

对于142GHz和285GHz频率上同时出现的2×2自定义OFDM MIMO信号，在16-QAM调制阶数下，所有四个信道的总理论数据吞吐率约为126Gbps。虽然本示例中展示的是特定的MIMO配置，但该测试平台对于新出现的sub-THz MIMO研究非常灵活。该测试平台中软件的灵活性与灵活的多通道仪器相结合，可用于研究和探索候选的6G MIMO波形，并评估其在不同频率和带宽下的各种MIMO配置的性能。

小结

使用sub-THz多输入多输出（MIMO）技术，利用多天线技术传输多个独立的数据流，是实现6G 100Gbps数据吞吐率的一种方法。此外，使用极端SISO传输带宽（如285GHz时的30GHz带宽）也是实现100Gbps的另一种方法。本文讨论的用于6G研究的sub-THz MIMO测试台展示了使用sub-THz MIMO实现超过100Gbps的一个实例。

使用VDI紧凑型WR6.5和WR3.4水平和垂直极化双上变频器和双下变频器，在D波段（142GHz）和H/J波段（285GHz）同时演示了2×2 MIMO。根据计算，在16-QAM调制阶数下，所有四个信道的总理论数据吞吐率约为126Gbps。这些数据传输速率是在进行OTA传输时获得的，每个信号占用的带宽为12.5GHz。

使用灵活的信号生成和分析软件生成和分析了定制OFDM MIMO波形，用于候选6G波形研究。还可使用信号生成软件进行预编码。将灵活的信号生成和分析软件与灵活的多通道高性能AWG、多通道微波源、多通道高性能示波器和VDI紧凑型双上变频器和双下变频器相结合，为新兴的sub-THz 6G MIMO研究提供了高性能和灵活的测试平台。

参考资料

1. “30GHz带宽信号在285GHz频段上的准光学OTA传输”，网址：https://www.mwjournalchina.com/Detarticle.asp?id=6575。
2. “6G: Going Beyond 100 Gbps 1o 1 Tbps,” Keysight, 2021, Web: https://www.keysight.com/zz/en/assets/7121-1152/white-papers/6G-Going-Beyond-100-Gbps-to-1-Tbps.pdf.