title: 6G Wireless Communication Links Operating at Frequencies beyond 200 GHz: an Analysis of their Performance and Main Limitations
Creators: name: Rodriguez Vazquez, Pedro
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2022

description: Wireless mobile communication is one of the fastest-growing fields of technology. Currently, society is immersed in the deployment of 5G mobile networks. However, this technology will not be enough to meet society's wireless connectivity demand in the near- to mid-term future. A new generation of wireless mobile networks has to be developed to address this demand. With the spectrum below 100 GHz already congested, the future 6G networks will have to be operated in the high mmWave band above 200 GHz. Due to the recent advancements in semiconductor process technology, these bands have become accessible using silicon technologies. These technologies allow for the co-integration of high-frequency radios and digital baseband processors, present a highly reliable fabrication process, and offer low production cost for high production volumes. All these characteristics make this technology the key enabler for 6G radios. This thesis investigates the system design considerations that need to be addressed to develop the radio-frequency front-ends for the future 6G wireless links. As part of this thesis scope, multiple wireless communication links established with different radio-frequency front-ends have been characterized. After the discovery that the links were performing below the limit set by Shannon's theorem, a deep analysis was carried out to investigate which is the source of this limitation. During this analysis, it was found that five different system impairments limit the wireless link. These impairments are the error introduced by the measurement setup, the signal to noise ratio at the receiver output, the phase error generated by the broadband noise floor of the LO generation path, the interference created by the harmonics spurs, and the IQ cross-talk induced by a non-perfect symmetry between the upper side-band and the lower side-band. The phase noise and the IQ cross-talk are the dominant among these errors. The phase error sets a practical boundary to the modulation order employed in the wireless link, limiting its spectral efficiency. The IQ cross-talk influences the maximum signal bandwidth that can be used in the wireless link. This thesis also presents techniques to overcome these limitations. To reduce the influence of the IQ cross-talk, an ultra-wideband Rx was designed. Using this Rx, the first silicon-based 100 Gb/s wireless link was established over a 1-meter distance. Moreover, this thesis presents the first MIMO wireless link operating at frequencies beyond 200 GHz. Using this system, data-rates of 110 Gb/s and 80 Gb/s were achieved over a 1-meter and 2-meter link distances, respectively. In conclusion, this thesis presents an analysis of the system impairments that limit the wireless link performance at frequencies beyond 200 GHz. These impairments need to be considered by anyone designing radio-frequency front-ends for the future 6G networks. Moreover, it advances over the current state of the art. It presents the first 100 Gb/s wireless link based on silicon technologies and the first MIMO wireless link at frequencies beyond 200 GHz, achieving an aggregated data-rate of 110 Gb/s over a 1-meter distance.
description: Die drahtlose mobile Kommunikation ist eines der am schnellsten wachsenden Technologiefelder. Zurzeit werden die Mobilfunknetze mit Systemen der 5. Generation 5G erweitert. Diese Technologie wird jedoch nicht ausreichen, um den Bedarf der Gesellschaft an drahtloser Konnektivität in naher bis mittelfristiger Zukunft zu decken. Es muss eine neue Generation von drahtlosen Mobilfunknetzen entwickelt werden, um diesen Bedarf zu decken. Da das Spektrum unter 100 GHz bereits überlastet ist, müssen die zukünftigen 6G-Netzwerke im hohen mm-Wellenlängenbereich über 200 GHz betrieben werden. Aufgrund der jüngsten Fortschritte in der Halbleiterprozesstechnologie sind diese Bänder mit Siliziumtechnologien zugänglich geworden. Diese Technologien ermöglichen die Kointegration von Hochfrequenz-Funkgeräten und digitalen Basisband-Prozessoren, einen äußerst zuverlässigen Herstellungsprozess und haben niedrige Produktionskosten für hohe Produktionsmengen. All diese Eigenschaften machen diese Technologie zur Schlüsseltechnologie für 6G-Funkgeräte. In dieser Arbeit werden die Überlegungen zum Systemdesign untersucht, die bei der Entwicklung der Hochfrequenz-Frontends für die zukünftigen 6G-Funkverbindungen berücksichtigt werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere drahtlose Kommunikationsverbindungen, die mit verschiedenen Hochfrequenz-Frontends aufgebaut wurden, charakterisiert. Nachdem festgestellt wurde, dass die Verbindungen unterhalb der durch das Shannon'sche Theorem gesetzten Grenze arbeiten, wurde eine tiefgehende Analyse durchgeführt, um herauszufinden, was die Ursache für diese Einschränkung ist. Während dieser Analyse wurde festgestellt, dass fünf verschiedene Systembeeinträchtigungen die drahtlose Verbindung begrenzen. Bei diesen Beeinträchtigungen handelt es sich um Fehler, die durch den Messaufbau verursacht werden, den Signal-Rausch-Abstand am Empfängerausgang, den Phasenfehler, der durch das breitbandige Grundrauschen des LO-Pfades erzeugt wird, die Interferenzen, die durch die Oberschwingungen entstehen, und das IQ-Übersprechen, das durch eine nicht perfekte Symmetrie zwischen dem oberen Seitenband und dem unteren Seitenband verursacht wird. Das Phasenrauschen und das IQ-Übersprechen sind die dominierenden Fehler im System. Der Phasenfehler setzt eine praktische Grenze für die in der drahtlosen Verbindung verwendete Modulationsordnung und reduziert die spektrale Effizienz. Das IQ-Übersprechen beeinflusst die maximale Signalbandbreite, die in der drahtlosen Verbindung genutzt werden kann. In dieser Arbeit werden auch Techniken zur Überwindung dieser Einschränkungen vor-gestellt. Um den Einfluss des IQ-Übersprechens zu reduzieren, wurde ein Ultrabreitband-Rx entwickelt. Mit diesem Rx wurde die erste Silizium-basierte drahtlose 100 Gb/s-Verbindung über eine Entfernung von einem Meter aufgebaut. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit die erste drahtlose MIMO-Verbindung vorgestellt, die bei Frequenzen jenseits von 200 GHz arbeitet. Mit diesem System wurden Datenraten von 110 Gb/s und 80 Gb/s über eine 1-Meter- bzw. 2-Meter-Strecke erreicht. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit eine Analyse der Systembeeinträchtigungen vorgestellt, die die Leistung der drahtlosen Verbindung bei Frequenzen jenseits von 200 GHz einschränken. Diese Beeinträchtigungen müssen von jedem berücksichtigt werden, der Hochfrequenz-Frontends für die zukünftigen 6G-Netzwerke entwickelt. Außerdem stellt es einen Fortschritt gegenüber dem aktuellen Stand der Technik dar. In dieser Arbeit werden unter anderem die erste drahtlose 100 Gb/s-Verbindung auf der Basis von Siliziumtechnologien vorgestellt und es wird die erste drahtlose MIMO-Verbindung für Frequezen oberhalb von 200 GHz beschrieben, die eine aggregierte Datenrate von 110 Gb/s über eine Entfernung von 1 Meter ermöglicht