6G波形设计与次微米波通道量测

随着5G进入商业化成熟期，全球通讯产业的目光已转向2030年即将面临的 6G时代。相较於5G，6G的愿景不仅是更快的传输速度，而是要实现「全球覆盖」、「极致可靠性」以及「感测与通讯一体化」。

要达成这些目标，频率范围必须从现有的Sub-6GHz与毫米波（mmWave），延伸至太赫兹（THz）频段。然而，极高频段带来的物理挑战，使得现有的正交分频多工（OFDM）技术与传统通道模型已不敷使用。因此，「新一代波形设计」与「精准通道量测」成为6G研发中最核心的两大支柱。

图一 : 6G愿景不仅是更快的传输速度，而是要实现「全球覆盖」、「极致可靠性」以及「感测与通讯一体化」。

6G波形设计：寻求频谱效率与功率效率的平衡

在5G时代，CP-OFDM是绝对的主流。但在6G环境下，尤其是面对高速移动场景（如低轨卫星、高铁）与超低功耗物联网设备，OFDM的高峰值平均功率比（PAPR）与对多普勒频移（Doppler Shift）的敏感性成为致命伤。

OTFS（正交时频空波形）

OTFS是6G最受瞩目的候选波形之一。它不像OFDM在时频域（Time-Frequency）调制，而是在「延迟-多普勒域」（Delay-Doppler domain）进行处理。

· 技术优势：OTFS能将随时间变化的衰落通道转化为恒定的通道表示，这使其在极高移动速度（如500km/h以上）下，仍能保持惊人的抗干扰能力与链路稳定性。

DFT-s-OFDM的演进与恒定包络波形

针对6G感测设备与手持装置，电池寿命至关重要。为了降低功放（PA）的耗电，开发具备低PAPR特性的波形（如偏置QAM或恒定包络技术）是目前的重点方向，这能让设备在有限电力下传输更远。

索引调制（Index Modulation）

这是一种利用次载波、空间天线或时隙的「开启/关闭」状态来携带额外资讯的技术。它不仅能提高频谱效率，还能显着降低硬体架构的复杂度，非常适合6G预期的大规模机器通讯（mMTC）场景。

通道量测：解锁太赫兹（THz）的物理特性

如果波形是通讯的「语言」，那麽通道量测就是理解「环境」的过程。6G将迈入100GHz至10THz的频段，这部分频谱在过去被称为「太赫兹空隙」。

太赫兹频段的挑战

· 高路径损耗：频率越高，大气吸收（尤其是水分与氧气）越严重。

· 极窄波束：为了补偿损耗，6G必须使用超大规模天线阵列（Ultra-massive MIMO）来产生极窄的波束，这对波束追踪（Beam Tracking）的精准度要求极高。

· 绕射能力弱：THz波遇到障碍物几??无法绕射，这使得非视距（NLOS）通讯的路径损耗极大。

通道探测器（Channel Sounder）的技术突破

为了建立准确的6G通道模型，工程师需要开发具备极高频宽（数GHz）的量测系统。

· 时域量测：使用极窄脉冲或伪随机杂讯（PN码）来量测信号的多径时延。

· 频域量测：利用向量网路分析仪（VNA）进行扫频，这种方法精度最高，但量测时间较长，通常用於室内??环境建模。

通讯与感测一体化（ISAC）的整合量测

6G不同於前几代通讯技术的最大特色，在於它将通讯系统变成了一个「巨大的雷达」。这意味着6G波形不仅要传递数据，还要能感知周围物体的位置、形状与速度。

联合波形设计

研发人员正致力於设计一种「雷达-通讯共用波形」。这种波形必须在通讯吞吐量（Throughput）与雷达解析度（Resolution）之间取得动态平衡。

环境映射量测

在通道量测中，我们现在不仅关注信号的衰减，还需要量测环境的「空间特徵」。透过6G的超高解析度，量测系统可以勾勒出室内环境的3D地图，这对未来自动驾驶与智慧工厂的布建至关重要。

图二 : 在6G测试中，波形通讯与感测一体化的整合量测将会非常重要

6G量测的关键测试工具与环境

针对6G研发，测试环境必须从传统的传导测试转向OTA（Over-The-Air）空中下载测试。

· 宽频信号产生与分析：需要支持10GHz以上分析频宽的信号产生器与频谱分析仪，以验证 6G 波形的误差向量振幅（EVM）性能。

· 相位杂讯量测：在THz频段，局部振荡器（LO）的相位杂讯会被放大，这会严重破坏高阶调制信号。因此，超低相位杂讯的时钟同步是量测系统的核心。

· D-Band与Sub-THz扩频模组： 透过频率扩展器（Extenders），将现有的量测设备延伸至110GHz - 330GHz频段，是目前实验室最主流的作法。

结语：从标准化到产业应用的路径

6G波形与通道量测的研究正处於从「学术理论」走向「标准化草案」的关键阶段。预计在2025年至2027年间，3GPP将开始定义具体的6G物理层规范。

对於台湾的资通讯产业而言，掌握6G的通道特性是进入半导体前端设计与基站开发的敲门砖。透过精准的量测技术，我们才能验证新一代晶片在极高频环境下的表现，并确保6G万物智联的愿景不再只是科幻小说中的场景。