Маршрутная карта развития технологий 6G

Маршрутная карта развития технологий 6G

Выпуск 16 (6715) от 20 августа 2020 г.
РУБРИКА: СРЕДСТВА СВЯЗИ


 Во второй части (см. первую часть статьи) перевода «Технологической маршрутной карты развития подключаемости в D-диапазоне за пределами возможностей 5G» (Technology Roadmap for Beyond 5G Wireless Connectivity in D-band), разработанной CEA-Leti, рассматриваются технологии обеспечения подключаемости на физическом уровне.


Пример прямой связи между устройствами (D2D)

В рамках последнего сценария специалистами CEA-Leti предполагается передача данных на короткие расстояния с использованием сложных и ограниченных по энергии приборов. В целях обеспечения высокой пропускной способности при рассмотрении простой амплитудной модуляции (on-off keying, OOK), а также некогерентного приемника, исследуется пространственное мультиплексирование (рис. 1). В этом случае каждый пространственный поток передается с помощью направленной антенны. Общая проблема – ​разработка компактной системы, оснащенной антенной с низкой апертурой (для ограничения помех). В рамках одной из недавних работ было продемонстрировано, что в случае некогерентной демодуляции существует компромисс между уровнем взаимных помех пространственных потоков (антенн), с одной стороны, и принимаемой мощностью (мощностью принимаемых сигналов) при выполнении цифровой совместной модуляции, с другой стороны [1].



Рисунок 1. Системная модель D2D-сценария

* FEC (forward error correction) – прямая защита от ошибок (путем введения избыточности).

** MOD – модулятор.


Основные параметры моделирования – ​несущая частота 145 ГГц, ширина полосы пропускания 2 ГГц, коэффициент усиления антенны 32 дБи (дБи – ​изотропные децибелы) при ширине луча 3° и уровне боковых лепестков ~20 дБи, дальность передачи 5 м. Другие параметры предполагаются идентичными сценарию использования в помещениях. Рассматриваются однородные линейные антенные решетки MIMO-системы N×N. Спецификация системы взята из работы [2], в которой описывается конструкция антенн с высоким коэффициентом усиления для D-диапазона, с передающими антенными решетками и использованием технологии печатных плат.

Кроме того, считается, что схема полярного кода обеспечивает усиление канального кодирования и низкую вероятность ошибки на пакет (PER). Полярный код с размером пакета 512 байт и кодовой скоростью 9/10 декодируется списочным декодером. Смоделированные вероятности ошибки на пакет при канальном кодировании были получены с помощью моделирования методом Монте-Карло и представлены на рис. 2 как функция уровня помех, характеризуемого следующей матрицей:


где p моделирует остаточные помехи, обусловленные боковыми лепестками антенн с р2 = –40 дБ. Специалисты CEA-Leti определяют k как число диагоналей, элементы которых равны 1. Если k = 1, то антенны почти идеально пространственно мультиплексированы. И наоборот, большее значение k подразумевает, что многие каналы сильно коррелированы.



Рисунок 2. Характеристики вероятности ошибки на пакет полярно-кодированных систем с кодовой скоростью 9/10 и ООК-схемой модуляции

* дБм (decibels above or below one miliwatt) – децибелы, отсчитываемые относительно уровня 1 мВт.

** ∀N – усредненное число мозаичных элементов в MIMO-системе.

*** N – число мозаичных элементов в MIMO-системе.

**** K – число диагоналей с элементами, равными 1.


Впоследствии было показано, что MIMO-система 8×8 может поддерживать связь в D-диапазоне более чем на 5 м с PER менее 10–4, мощностью передающей антенны PАТх ≤ 43 дБм и пространственным заполнением l ≤ 19 см. Пространственное заполнение опирается на форм-фактор антенной решетки, основанный на данных из [2]. Скорость передачи данных этой системы составляет 7,2 Гбит/с для 2-ГГц полосы. Схема объединения каналов, извлекающая выгоды из большого доступного спектра субтерагерцевых частот, может увеличить суммарную пропускную способность. Можно сделать вывод, что MIMO-системы, использующие приемники прямого усиления, могут достигать высокой спектральной эффективности беспроводной связи в субтерагерцевых диапазонах с низкой мощностью и низкой сложностью радиочастотных архитектур. Что касается средств связи ближнего действия, то стоит упомянуть другое цифровое применение, где параметры моделирования остаются прежними, но d0 = 50 см. В итоге пространственное заполнение l ≤ 1,8 см и мощность передающей антенны PАТх ≤ –62 дБм обеспечивают PER ниже 10–4.

Чтобы суммировать требования и ограничения трех сценариев, рассмотренных здесь и в первой части статьи*, в табл. 1 представлены основные показатели эффективности, которые будут перекрестно коррелированы в следующем разделе с существующими КМОП- и АIIIВV-технологиями. Максимально достижимая пропускная способность дана для условий сильного фазового шума и отсутствия фазового шума. Мощность передачи дается на канал и на антенну.


Таблица 1

Сводные данные по основным показателям производительности различных сценариев

Сценарий

Пропускная способность без фазового шума – ​с сильным фазовым шумом, Гбит/с/канал

Канал, ГГц

Мощность передачи, дБм

Модулирование/ кодирование

Дальность действия, м

Внешняя сеть

4,4–6,2

1

25

Когерентная P-QAM* LDPC**

~300

Внутренняя сеть от узла к узлу

4,4–6,2

1

19

Когерентная P-QAM LDPC

~50

Внутренняя сеть от узла к релейному ретранслятору

2,0–2,8

1

19

Когерентная P-QAM LDPC

~1510

Прямая связь между устройствами (D2D-MIMO 8×8)

7,2

2

–43 дБм на антенну

Некогерентное ООК поляризационное кодирование

<5

  

* P-QAM (polar quadrature amplitude modulation) – ​поляризационная квадратурная амплитудная модуляция.

** LDPC (low-density parity-check) [code] – ​код с малой плотностью проверок на четность, используемый в передаче информации, частный случай блочного линейного кода с проверкой четности. Особенность – ​малая плотность значимых элементов проверочной матрицы, за счет чего достигается относительная простота реализации средств кодирования.


Кремниевые технологии обеспечения подключаемости

Обзор и маршрутные карты

В настоящее время кремниевые технологии предлагают дешевые компромиссные решения для приложений, использующих радиочастотный и миллиметровый волновые диапазоны. В данном разделе рассматриваются их потенциал и ограничения при использовании с целью обеспечения подключаемости с учетом маршрутной карты, определенной проектом H2020 NEREID CSA[3]. Для сравнения можно рассмотреть характеристики технологического процесса относительно производительности «строительных блоков», таких как усилители мощности (PA), малошумящие усилители (LNA), генераторы, управляемые напряжением (VCO/ГУН) и приемопередатчики (рис. 3).



Рисунок 3. Цели технологического процесса

* Ft/NF – частота передачи/номинальная частота.

** Fmax – максимальная частота.


Выходная мощность зависит от напряжения смещения (BV) и максимального тока (Imax). Возможность высокоскоростной цифровой интеграции обратно пропорциональна размеру и КПД транзисторов (время прохождения сигнала/ток). Избирательность – ​это способность переключать радиочастотные сигналы с высокой изоляцией и низкими потерями. Линейность транзисторов определяется соотношением их выходной и входной мощности (×2 или больше). Свойство согласованности рассматривается для двух транзисторов минимального размера в дифференциальной структуре. Удельное сопротивление подложки и толстый слой металлизации имеют определенное значение при формировании высококачественных пассивных компонентов, ограничивающих эффект вытягивания. Отношение частоты передачи и номинальной частоты (Ft/NF) представляет собой показатель добротности (FOM), задаваемый значениями Ft и NF данной технологии (Ft для цифровых ВЧ-приложений и NFmin для шума приемника). Fmax – ​это точка Gp = 0 дБ, в которой для достижения производительности максимальная частота приложений должна не превышать Fmax = 3. Маршрутная карта подключаемости NEREID также рассматривала три основных области применения – ​D2D, внутренние сети и приложения и внешние сети и приложения. Параметры приводятся как для среднесрочного (5 лет), так и для долгосрочного (10 лет) периодов. На основе этого анализа были выявлены требования к подключаемости для каждой характеристики технологического процесса (рис. 4). Основной параметр – ​выходная мощность.



Рисунок 4. Маршрутная карта подключаемости


Позиции кремниевой и АIIIВV-технологий

Сопоставление кремниевых процессов с процессами формирования биполярных гетеротранзисторов (HBT) на основе материалов типа АIIIВV и InP, а также их показатели добротности (FOM) приводятся на рис. 5. Процессы полностью обедненного «кремния-на-изоляторе» (FD-SOI), InGaAs/Si, B55 и DOT7, а также АIIIВV/InP предлагают интересные свойства, позволяющие решить некоторые проблемы миллиметрового диапазона. Преимущества процессов B55, FD-SOI и InGaAs/Si заключаются в возможности интеграции высокоскоростной обработки сигналов. В зависимости от требуемой выходной мощности процессы B55 и АIIIВV/InP предлагают интересные возможности (см., например, [4]). РЧ-SOI- и новый GaN/Si-процессы обеспечивают объединение преимуществ РЧ-мощности и избирательности.



Рисунок 5. Позиции технологических кремниевых и АIIIВV-процессов


Случай усилителей мощности

Представляющие интерес для каждого сценария потенциальные технологии, приведенные в табл. 2, рассматриваются с точки зрения усиления мощности. Поскольку наибольший интерес представляют высокие частоты, т. е. Fmax, рассматриваются только усилители мощности класса А (рабочая частота менее Fmax/3). По-прежнему нет современной технологии для 5×Fmax, которая сделала бы возможным создание усилителей мощности класса АВ. Что касается выходной мощности, необходимо учитывать, что она передается либо изотропно, либо сфокусированная лучом. Во втором случае требуется многополосковая (multi-patch) антенна, тогда как для изотропного излучения используется одиночная антенна. Таким образом, для связи в миллиметровом диапазоне предпочтителен сфокусированный луч – ​группа 4 (2×2) или 16 (4×4) полос [5], а точнее – мозаичных элементов (tiles), питаемых индивидуальными усилителями мощности. Такой подход позволяет снизить потребности в выходной мощности каждого отдельного усилителя мощности. Архитектуры фазированных антенных решеток или передающих антенных решеток позволяют объединять выходные мощности индивидуальных усилителей мощности в излучаемую мощность (с использованием встроенного фазовращателя на пути прохождения сигнала или с встраиванием первичного излучаемого сигнала в передающую антенную решетку). Следовательно, сумма выходной мощности отдельных усилителей рассматривается как окончательная излучаемая мощность, и значение PPA в диапазоне от 0 до 10 дБм будет вполне достаточным. Например, излучаемая мощность в 25 дБм может быть достигнута с помощью матрицы из четырех мозаичных элементов с PPA = 13 дБм. Последний случай совместим с кремниевыми технологиями, поскольку в настоящее время достижимым считается уровень 8 дБм/140 ГГц.


Таблица 2

Технологии – ​кандидаты для применения в усилителях мощности

Параметры

Частота, ГГц

Пропускная способность, Гбит/с/канал

Канал, ГГц

Мощность передачи, дБм

Дальность действия, м

Класс усилителей

мощности*. Процессы

для применения

          Обработка маломощных сигналов

Мозаичный элемент

Матрица мозаичных элементов

Минимальная частота передачи, ГГц

Процесс

Внешняя сеть

145

4,4–6,2

1

25

300

InP-HBT

16 мозаичных элементов Dot7-HBT InGaAs/Si

62

Все КМОП-процессы с топологическими нормами менее 65 нм

Внутренняя сеть от узла к узлу

145

4,4–6,2

1

19

50

InP-HBT

4 мозаичных элемента Dot7-HBT InGaAs/Si

62

Внутренняя сеть от узла к релейному ретранслятору

145

2,0–2,8

1

19

15

InP-HBT

4 мозаичных элемента Dot7-HBT InGaAs/Si

28

D2D-MIMO 8×8

145

7,2

2

–43 дБм на антенну

5

InP-HBT-процесс Dot7-HBT InGaAs/Si-процесс

4 мозаичных элемента 22FDX**

72

Внутренняя сеть WiGig

66

4,6

2

10

10

InGaAs/Si-процесс FD-SOI-Dot7-HBT

Не требуется

62


* С минимальным значением максимальной частоты 435 ГГц.

** 22FDX – ​22-нм FD-SOI-процесс.


Для сравнения также даются показатели добротности внутренней WiGig-сети (приложения). Следует отметить, что аналогичные приложения предусмотрены или уже развернуты в V-диапазоне (50–75 ГГц). Кроме того, надо отметить, что для D-диапазона потери распространения составляют только 7,35 дБ относительно V-диапазона. Соответственно, может быть предпочтительным использование D-диапазона для расстояний более 0,5 км. Кроме того, в D-диапазоне четко проявляются преимущества объединения каналов, так как в V-диапазоне ширина полосы пропускания ограничена международными нормами регулирования (5 ГГц).


Заключение

Конкуренция между кремниевыми и АIIIВV-технологиями в D-диапазоне продолжается. Причина – ​возможность резкого снижения выходной мощности усилителей мощности для сценариев покрытия. Особенно это касается рассмотренных сценариев непосредственного усиления антенных решеток с несколькими (множественными) мозаичными элементами. Тем не менее усиление на этапе усилителя мощности также должно учитываться, поскольку для поддержания разумных линейности, стоимости и потребляемой мощности требуется не очень много усилительных каскадов. Достижение двукратного усиления Ft и Fmax помогло бы кремниевым технологиям укрепить свои позиции по отношению к конкурирующим технологиям в области беспроводной подключаемости внутренних сетей и D2D [6]. Основным фактором увеличения или уменьшения доли продаж на этих рынках будет стоимость. Благодаря лучшим возможностям интеграции, обеспечиваемым БиКМОП- и РЧ-КМОП-процессами, за счет чего можно расширить возможности обработки сигнала, данные технологии могут оказаться достаточно конкурентоспособными и в области внешних сетей и приложений. Действительно, на данном рынке основной тенденцией становится создание не столько «систем-на-кристалле» (SoC), сколько «систем-в-модуле» (SiP).

Таким образом, двери для гибридной интеграции по-прежнему открыты. РЧ-КНИ-(SOI)-КМОП- и FD-SOI-процессы уже доказали свою адекватность для использования на частотах до 40 ГГц, обеспечивая лучшие интеграцию и полную стоимость по сравнению с SiGe или InP-HBT. Последние исследования говорят, что кремниевые технологии также имеют шансы соответствовать спецификациям подключаемости технологий B5G (Beyond 5G) в диапазоне от миллиметровых до субтерагерцевых частот [7].


1. Bicaïs S., Doré J.-B., Savin V. Design of MIMO Systems with Energy Detection Receivers for Future Sub-TeraHertz Applications. Under submission, 2020. 

2. Manzillo F. F., Clemente A., Gonzalez-Jimenez J. L. High-Gain D-Band Transmitarrays in Standard PCB Technology for Beyond5G Communications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2019. 

3. NEREID H2020. Deliverable 8.3: Technology Outlook in Nanoelectronics and Harmonization of NEREID Roadmaps with International Roadmaps. Technical Report, 2008. 

4. Hamada H. et al. Millimeter-wave InP Device Technologies for Ultrahigh Speed Wireless Communications toward Beyond 5G. IEEE International Electron Devices Meeting, 2019.

5. Shahramian S., Holyoak M. The Limits of Antenna and Interconnect-Integration for Large-Scale Phased Arrays. WSC8, International Microwave Symposium 2019. 

6. Dinh T. V. et al. Record High-Performance RF Devices in an Advanced FDSOI Process Enabling Integrated Watt-Level Power Amplifiers for WiFi and 5G Applications. IEEE International Electron Devices Meeting, 2019. 

7. Doré Jean-Baptiste, Belot Didier, Mercier Eric, Bicaïs Simon, Gougeon Gregory, Corre Yoann, Miscopein Benoit, Kténas Dimitri, Strinati Emilio. Technology Roadmap for Beyond 5G Wireless Connectivity in D-band. CEA-Leti, February 4, 2020: https://hal-cea.archives-ouvertes.fr/cea‑02466751/file/6GSummit_Techno_hal.pdf

Doré Jean-Baptiste, Belot Didier, Mercier Eric, Bicaïs Simon, Gougeon Gregory et al. Technology Roadmap for Beyond 5G Wireless Connectivity in D-Band. 6G Summit, March 2020, Levi, Finland: https://hal-cea.archives-ouvertes.fr/cea-02466751/file/6GSummit_Techno_hal.pdf


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 20(6744) от 14 октября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.