Die Bühne für 6G bereiten: Ein schneller und kompakter Transceiver für Sub

9. Juni 2023

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vom Tokyo Institute of Technology

Ein neues Transceiver-Design, das sowohl Senden als auch Empfangen bei Frequenzen über 100 GHz und einer Datenrate von 112 Gbit/s ermöglicht, könnte den Weg zu 6G-Technologien ebnen, wie Wissenschaftler von Tokyo Tech berichten. Durch die wirksame Unterdrückung der Selbstinterferenz, die durch das Eindringen des Übertragungssignals in den Empfänger verursacht wird, erreicht die vorgeschlagene Architektur beispiellose Datenraten bei gleichzeitig überraschend kompakter Größe.

Wissenschaftler und Ingenieure im Bereich der Telekommunikation arbeiten bereits an den Technologien, die für Netzwerke der sechsten Generation (6G) eingesetzt werden sollen. Im Idealfall sollte 6G Datenraten von über 100 Gigabit pro Sekunde (Gb/s) liefern und extrem niedrige Latenzen für Anwendungen wie autonome Autos und virtuelle Realität unterstützen. Eine Möglichkeit, diese enormen Anforderungen an Übertragung und Empfang zu erfüllen, ist die Einführung einer Vollduplex-Architektur (FD), die bei Sub-THz-Frequenzen von 88 bis 136 GHz arbeitet.

Der Hauptvorteil der FD-Architektur besteht darin, dass sie es einem einzigen System ermöglicht, Signale sowohl zu senden als auch zu empfangen, wodurch sich der Durchsatz effektiv verdoppelt. Eine Möglichkeit, diese Architektur zu implementieren, besteht darin, dass sich die Sende- und Empfangsmodule eine einzige Antenne teilen. Dies trägt dazu bei, die Größe der Schaltung zu reduzieren und ermöglicht es beiden Teilen, das verfügbare Frequenzspektrum voll auszunutzen.

Einzelantennen-FD-Architekturen leiden jedoch stark unter Selbstinterferenz (SI), einem Phänomen, bei dem das übertragene Signal auf die Empfängerseite gelangt. Solche Systeme müssen Schaltkreise zur SI-Unterdrückung enthalten, die versuchen, den erzeugten SI durch Einspeisung eines gleichen Signals mit entgegengesetzter Polarität zu löschen. Im Sub-THz-Band ist die Implementierung einer effektiven SI-Unterdrückung viel schwieriger als bei niedrigeren Frequenzen, was weiterhin eine Hürde für FD-Designs mit einer Antenne darstellt.

Vor diesem Hintergrund hat ein Forscherteam des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, kürzlich ein neuartiges FD-Kommunikationssystem entwickelt, das die durch SI entstehenden Hindernisse angeht. Das Forschungsteam von Professor Kenichi Okada präsentiert seinen Entwurf auf dem Symposium 2023 über VLSI-Technologie und -Schaltkreise, das vom 11. bis 16. Juni in Kyoto, Japan, stattfindet.

Eines der Hauptmerkmale ihres Systems ist die Implementierung einer dualpolarisierten Patchantenne. Es wird durch Differenzsignale angetrieben – eine Kombination aus positiven und negativen Speiseanschlüssen für Übertragung und Empfang. Indem die Schaltungspfade dieser Ports hochsymmetrisch gestaltet werden, wird die Fehlanpassung des übertragenen Signals, das in die Ports des Differenzempfängers eindringt, minimiert, was dazu beiträgt, den SI niedrig zu halten. „Unser Design vermeidet große Übertragungsverluste, die bei Geräten mit asymmetrischen Antennenstrukturen und asymmetrischen Differenzsignalanschlüssen vorherrschen“, erklärt Prof. Okada.

Ein weiterer wichtiger Aspekt des vorgeschlagenen Designs ist die SI-Unterdrückungsschaltung (SIC). Um das erzeugte SI effektiv zu löschen, muss man die Phase des Löschsignals sorgfältig modifizieren, sodass sie der des Lecksignals entgegengesetzt ist. Dies erfolgt üblicherweise über variable Kondensatoren, sogenannte Varaktoren. Allerdings haben herkömmliche Varaktoren im Sub-THz-Bereich einen begrenzten Phasenbereich und eine schlechte Auflösung. Um dieses Problem anzugehen, entwickelten die Forscher eine neue Varaktorstruktur, die eine hervorragende lineare Auflösung über das gesamte Sub-THz-Band und über den gesamten 360°-Bereich erreichte.

Das Team testete sein Design durch eine Reihe von Experimenten, die recht vielversprechende Ergebnisse lieferten. „Bei der Over-the-Air-Messung erreichte der vorgeschlagene FD-Transceiver 6 Gbit/s. Die SI-Unterdrückung wurde um 20 Dezibel verbessert, als der SI-Canceller eingeschaltet war“, sagt Prof. Okada.

Das Gerät, der weltweit erste FD-Phased-Array-Transceiver, der mit über 100 GHz arbeitet, erreichte im HD-Modus zudem eine Datenrate von 112 Gbit/s. Dies ist das bisher schnellste System unter den Sub-THz-Phased-Array-Transceivern. Zusammen mit einer kompakten Größe und einem breiten Spektrum an Betriebsfrequenzen stellt die vorgeschlagene Architektur einen großen Schritt in Richtung der Telekommunikationstechnologie für 6G dar.

Mehr Informationen:Ein Sub-THz-Vollduplex-Phased-Array-Transceiver mit Selbstinterferenzunterdrückung und LO-Durchführungsunterdrückung, The 2023 Symposium on VLSI Technology and Circuits, www.vlsisymposium.org/index.html