5G and IoT communication

5 min

60GHz-technologie voor WiGig® en 5G- toepassingen

Imecs prototype van een 60GHz-transceiver is zowel geschikt voor indoor WiGig®-toepassingen (zoals videodistributie in woningen) als voor outdoor 5G-applicaties (zoals fixed wireless access of vaste draadloze toegang).

Scroll

Mobiele netwerken van de 5e generatie (of 5G) houden grote beloften in, zoals een hogere datasnelheid en een kleinere vertraging. Ze beloven ook een groter aantal mobiele breedbandgebruikers te ondersteunen dan de huidige 4G-norm. Voor de ondersteuning van 5G-communicatienetwerken kunnen radio’s voor draadloze communicatie worden ingezet die werken op frequenties rond 60GHz. Een mooi voorbeeld hiervan is imecs prototype van een 60GHz-transceiver, die zowel geschikt is voor indoor WiGig®-toepassingen (zoals videodistributie in woningen) als voor outdoor 5G-applicaties (zoals fixed wireless access of vaste draadloze toegang). Diverse businesmodellen bieden bedrijven toegang tot imecs 5G-technologie. Onderzoekers bij imec gaan nog een stapje verder, en ontwikkelen ATTO-celtechnologie voor data-intensieve industriële toepassingen die nog meer vragen op het vlak van bitsnelheid, dichtheid en vertraging dan wat 5G kan bieden.

60GHz-technologie voor data-intensieve indoortoepassingen

Momenteel wordt draadloze netwerkconnectiviteit in gebouwen meestal ondersteund door Wi-Fi-compatibele apparaten. Ze functioneren volgens de IEEE 802.11-norm op de 2,4 en 5GHz frequentiebanden. Maar voor draadloze technologieën van de volgende generatie zal er naar verwachting te weinig ruimte zijn in de frequentieband onder 10GHz. Dit is te wijten aan de sterke groei van het aantal gebruikers en producten en het toenemende aantal data-intensieve applicaties die draaien op de hedendaagse consumentenelektronica. Bovendien komt er een vloed aan nieuwe toepassingen op ons af, zoals videodistributie in woningen, snel uitwisselen van gigabytes aan data tussen tablets en smartphones, immersief gamen en draadloos docken van laptops. Om spectrumschaarste te vermijden, wordt er bandbreedte gezocht in de millimetergolffrequenties, tussen 24 en 100GHz. Een interessante mogelijkheid is de vrije 57-66GHz-frequentieband, die wereldwijd ter beschikking staat. Hij zou snelheden van meerdere Gb/s met lage latentie mogelijk maken, zoals 5G voorschrijft. De voortplantingskarakteristieken van frequenties rond 60GHz zijn minstens uitdagend te noemen, omdat de signalen in aanzienlijke mate worden geabsorbeerd door zuurstof en andere materialen. Daar staat dan weer tegenover, dat deze frequenties ruimtelijk kunnen hergebruikt worden, door gebruik te maken van sterk gerichte stralingsbundels. Met andere woorden: twee of meerdere naburige links kunnen op het zelfde moment eenzelfde frequentiekanaal delen, zonder interferentie. Negatieve gevolgen van de voortplantingsverzwakking zijn een sterk padverlies en signaalblokkering, waardoor draadloze voortplanting tot ongeveer 500 tot 1000 meter is beperkt.

Toegang tot de ruimte op de 60HGz-frequentieband wordt mogelijk gemaakt door de IEEE 802.11ad norm, ook wel WiGig® genoemd. WiGig® is de nieuwe norm voor indoor scenario’s die de Wi-Fi-ervaring uitbreidt naar virtual reality, multimedia streaming, gamen, draadloos docken, enz.

Prototype van imec’s multi-Gb/s 60GHz draadloze transceiver

Prototype van imec’s multi-Gb/s 60GHz draadloze transceiver

Een WiGig®-compatibele laag-vermogen 60GHz-transceiver

Imec ontwikkelde een kleine, laag-vermogen 60GHz-transceiverchip die compatibel is met de WiGig®-norm voor snelle, data-intensieve draadloze indoortoepassingen. De prototypechip van imec, Phara genoemd, werkt volgens het principe van beamforming. Dit is een signaalverwerkingstechniek met phased antenne-arrays voor directionele transmissie of ontvangst. De chip bestaat uit een phased-array transceiver-IC en een kleine module met 4 antennes. De transceiver-IC wordt geïmplementeerd in de 28nm CMOS-technologie en is slechts 7,9mm2 groot. De architectuur voorziet in direct down-conversie, en de directionele sturing van de stralingsbundel (faseverschuiving) vindt plaats in de analoge baseband. Hierdoor wordt de straling in de juiste richting gestuurd. De 28nm CMOS-technologie heeft een zeer hoge schakelsnelheid, zodat millimetergolfradio’s met prestaties zoals van een millimetergolfradio in de SiGe BiCMOS-technologie mogelijk worden. De transmitter (Tx) verbruikt slechts 425mW en de ontvanger (Rx) 350mW piekgelijkstroom.

Voor de module met 4 antennes en de chip werd een antenna-in-package configuratie voorzien, met een antenne-interface met ultralage verliezen (0,5dB @ 60GHz). De antenne-array is ontworpen voor stralingsbundelsturing in een azimuthoek van -45° tot 45° en een elevatiehoek van -30° tot 30°. De transmitter-to-receiver EVM (een maatstaf voor modulatiekwaliteit en foutenprestaties van de transceiver) is beter dan -20dB over de vier WiGig® frequentiekanalen (58.32, 60.48, 62.64 en 64.8GHz), met een equivalent isotropic radiated power (EIRP) van de transmitter van 24dBm. Hierdoor worden zowel QSPK als 16QAM mogelijk, twee modulatietechnieken die vaak worden gebruikt voor draadloze toepassingen. De chip werd gevalideerd met een draadloze link volgens de IEEE 802.11ad norm en haalde een datacommunicatiesnelheid van 4,5Gb/s over 1 meter en van 1,5Gb/s over 10 meter.

5G fixed wireless access en small-cell backhaul

Door het aantal antennes te verhogen, kan het bereik van de 60GHz radio worden vergroot tot enkele honderden meters, zodat de technologie aantrekkelijk wordt voor 5G kleine-cel backhaul-toepassingen en fixed wireless access (FWA). Deze laatste toepassing wordt waarschijnlijk de eerste die voor 5G wordt gebruikt. FWA en kleine-cel backhaul maken het mogelijk om multigigabit per seconde-verbindingen tot in de woning te brengen, dus zonder glasvezel over de laatste kilometer. Voor FWA zijn twee vaste locaties vereist voor een rechtstreekse verbinding. Het basisstation kan bijvoorbeeld op een straatlamp of dak worden aangebracht, terwijl de radiolink voor de eindgebruiker zich bij voorkeur buiten bevindt voor een minimaal signaalverlies (bijv. in een behuizing naast het raam). Alle FWA-toestellen moeten zich in elkaars gezichtsveld bevinden voor een betere signaalontvangst. Millimetergolf-FWA kan worden gecombineerd met millimetergolf backhaul om het dataverkeer draadloos dieper in het communicatienetwerk te brengen, tot in het kernnetwerk van de mobiele netwerkoperator. De kleine cellen zouden bijvoorbeeld met de straatverlichting kunnen worden gecombineerd.

Een combinatie van 5G FWA en kleine-cel backhaul is ideaal in een stedelijke omgeving. Daar zijn backhaul-verbindingen met glasvezel vaak te duur of de installatie ervan neemt te veel tijd in beslag. Draadloze punt-tot-punt backhaul-links kunnen gemakkelijk op straatlampen of tegen gevels worden aangebracht. Glasvezel zou meer tijd vergen om te installeren door de reglementering en de verplichting om goedkeuring te verkrijgen. Denk ook aan een scenario waarbij slechts gedurende een korte periode – een concert, een belangrijk wielerevenement of een rampgebied – extra bandbreedte nodig is.

De radio-oplossing van imec bestaat uit meerdere Tx-Rx phased-array (Phara) transceiverchips, met een grote antenne-array voor 5G-backhaul voor een ruimer bereik. Een voorbeeld: een array van 16 antennes met 4 (Phara) transceiverchips maakt 1,5Gb/s datacommunicatie over 150 meter mogelijk. Voor grotere afstanden kan een array van 32 antennes met 8 transceiverchips worden gebruikt, die 1,5Gb/s over 300 meter biedt.

Beter presteren dan de 5G-doelstellingen met ATTO-celtechnologie...

Medewerkers van imec - Universiteit Gent gaan een stap verder en doen onderzoek naar ATTO-celtechnologie. Dit kan als een evolutie van de draadloze kleine-celtechnologie worden beschouwd. Bij de kleine-celtechnologie worden grote aantallen antennes geïnstalleerd en elke antenne bestrijkt een beperkt gebied (of cel) om draadloze hogesnelheidsbreedband mogelijk te maken. Hoe kleiner de cel, hoe hoger de snelheid die te halen is. Dit proces mondt uit in ATTO-cellen. De ATTO-celtechnologie combineert breedbandantennes die in de vloer zijn verwerkt met specifieke hardware voor draadloze connectiviteit met hoge snelheid op korte afstand. Het team in Gent wil beter presteren dan de 5G-doelstellingen, met een factor 100 voor wat de vertraging betreft (minder dan 10 microseconden) en met een factor 1000 voor de densiteit. En om de verschillende ATTO-cellen met de hardware te koppelen, wordt een RF-over-glasvezel netwerk beoogd. Dit biedt voldoende bandbreedte om de datasnelheid van de ATTO’s te verhogen tot 100Gb/s per gebruiker. Dit is tien keer beter dan de snelheid die de nakende 5G-technologie voorschrijft. Om hun doel te bereiken, zal het team in de toekomst gebruik maken van de 7GHz beschikbare bandbreedte tussen 57 en 64GHz. Mogelijke toepassingen zijn robots in industriële omgevingen die zeer grote datavolumes moeten kunnen verzenden en ontvangen. Voor onderzoek naar en de ontwikkeling van de disruptieve draadloze ATTO-celtechnologie ontvingen professor Demeester en zijn team (imec - Universiteit Gent) een Europese ERC advanced grant van 2,5 miljoen euro voor de periode 2017 - 2021.

Neem het voortouw in de ontwikkeling van 5G

Voor de ontwikkeling van de 60GHz-technologie steunt imec op zijn jarenlange ervaring met het ontwerpen van IC’s, de ontwikkeling van antennemodules en systeemmodelering. Imecs antenne-onderzoek is bijvoorbeeld gericht op een grotere efficiëntie van de antenne, meer bandbreedte en een beter scanbereik. Om de optimale verhouding tussen kosten, vermogen en oppervlakte te bereiken, worden verscheidene technologieën ingezet. Imec ontwikkelde ook complete IEEE802.11ad signaalverwerkingsmodellen, inclusief algoritmische oplossingen voor synchronisatie, kanaalraming, equalizing, tracking en detectie. Een innovatief beamforming-algoritme levert hoge prestaties op, zelfs in multi-pad omgevingen.

Imec biedt de resultaten van zijn R&D in de millimetergolfband via diverse businessmodellen aan bedrijven aan. Geïnteresseerde bedrijven kunnen in de eerste plaats toetreden tot het volledige programma van drie jaar. Dit open innovatiemodel is gericht op halfgeleidervendors. Partners kunnen een wereldwijde commerciële licentie op alle resultaten krijgen. In de tweede plaats kunnen systeemvendors toetreden tot het toepassingsprogramma, een subset van het volledige programma, zonder toegang tot de IC-ontwerpdatabase. Ten derde wordt de technologie aangeboden via een white-box IP-licentie. Deze omvat een transparante technologieoverdracht van de prototype-IP, inclusief schema’s, layout, meetresultaten en simulaties. Binnen dit businessmodel brengt de licentiehouder het imec-prototype na aanpassing op de markt, met ondersteuning door het imec-team. En ten slotte kunnen geïnteresseerde bedrijven ook met imec samenwerken via specifieke projecten.

 

Meer weten?

Belangstelling? Neem dan contact op met Nora.Maene@imec.be voor meer informatie. Of bekijk de demo op het imec Technology Forum 2017.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies