Retos y tendencias en tecnologías de RF para sistemas de comunicaciones de 5G

Daniel Segovia-Vargas Guillermo Carpintero del Barrio Luis Enrique García-Muñoz

Índice • ¿Por qué del interés en ondas milimétricas para 5-G? • Ondas milimétricas en comunicaciones inalámbricas • Tecnologías disponibles – Aproximación electrónica – Aproximación fotónica – Integración con antena

• Tendencias futuras, conclusiones y líneas abiertas de investigación en tecnologías de radio

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¿Por qué del interés de ondas milimétricas en comunicaciones 5G? • Demandas: – Tasa de datos mayor: 10Gbs – Dispositivos móviles – Ejemplo: tráfico de smartphone crecerá un 10% anual hasta 2018

• Opciones en frecuencias de microondas: – Técnicas de modulación y codificación avanzadas – Procesado de señal más complejo

http://www.ericsson.com/res/docs/2013/e ricsson-mobility-report-june-2013.pdf

• Bandas bajas: espectro compartido. • Aumento de frecuencia y pasar milimétricas y sub-THz. Tomada de IEEE Communication Magazine 2014

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¿Por qué del interés de ondas milimétricas en comunicaciones 5G?

Tomado de Nagatsuma: THz new opportunites for the industry

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¿Por qué del interés de ondas milimétricas en comunicaciones 5G? Opciones para aumentar ancho de banda

Codificación eficiente: costoso Codificación eficiente computacionalmente y complejo Enlaces ópticos en línea de vista vista: afectado por fenómenos atmosféricos Incremento de la frecuencia de portadora con modulaciones simples (ASK, FSK)

• Económico (con longitudes de enlace pequeños): válido para distancias pequeñas (< 5 km) debido a absorciones atmosféricas de agua y oxígeno. Recomendable sustituir la última etapa de fibra que es la más costosa. • Potencial reutilización de frecuencias:. • Sistemas compactos con integración de antenas de tamaño físico pequeño Creación de nuevo espectro

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Ondas milimétricas en comunicaciones inalámbricas

Problemas por encima de 6 GHz: Propagación multicanal Pérdidas grandes en LOS Doppler, incluso con movimiento lento Canales NLOS

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Ondas milimétricas en comunicaciones inalámbricas • La atenuación en las bandas de Pérdidas en espacio libre milimétricas es mucho mayor que FSPL (dB)  92.4  20 log10  f (GHz)   20 log10  d (km)  en la banda de microondas. • Hay una degradación por ruido lo que afecta a la capacidad de FSPL (dB) canal. 900 2.4 5.8 60 120 • Estimación de pérdidas en Distance (km) MHz GHz GHz GHz GHz espacio libre 0.001 31.48 40.00 47.67 67.96 74 0.01 51.48 60.00 67.67 87.96 94 • Además, en la banda de mm y 0.1 71.48 80.00 87.67 107.96 114 submm existen varias líneas de 1 91.48 100.00 107.67 127.96 134 absorción por gases lo que – Dificulta la comunicación en exteriores – Pudiera no ser un problema grave en interiores.

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111.48

120.00

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127.67

147.96

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Ondas milimétricas en comunicaciones inalámbricas Pérdidas atmosféricas muy altas: dificultad en comunicaciones exteriores Existencia de ventanas que pueden habilitar comunicaciones interiores

FSPL (dB)  92.4  20log10  f (GHz )   20log10  d (km)     f   d (km)

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Ondas milimétricas en comunicaciones inalámbricas Pérdidas se pueden compensar con ganancia de antenas FSPL (dB)  92.4  20log10  f (GHz )   20log10  d (km)     f   d (km)  GTX  GRX Para enlaces a 10 Gb/s se pueden necesitar ganancias de antena de unos 30 dBi El ancho de haz sería 6º ó 7º, válido para LOS

• Aplicaciones: – Comunicaciones inalámbricas fijos • Redes de retorno en pico-celdas • Habilitación de enlaces en situaciones críticas • Transmisión HDTV – Comunicaciones móviles inalámbricas próximas 9

Tecnologías disponibles • Requisitos en tecnologías radio: – Obtención de grandes anchos de banda de operación – Tasa de datos alta – Alcances lo mayor posibles – Haces variables • Objetivos: – Incremento de potencia transmitida – Sintonización de la frecuencia de TX – Sensibilidad y ancho de banda en RX – Reconfigurabilidad de haz.

• Bandas de frecuencias: – Aplicaciones de interiores • Banda de 60 GHz • Tasas conseguidas del orden de 4 Gbit/s – Aplicaciones de exteriores • Frecuencias mayores: banda E, banda 120 GHz • Tasas de 10 Gbit/s • Propuesta: integración de tecnologías: – Fotónica – Electrónica – Integración en antena – Arrays 10

Tecnologías disponibles MMIC (HEMT) Cadenas multiplicadoras (SBD)

Aprox. electrónica Alto nivel de integración Potencia de salida alta

Tx

Electrical RF carrier generation

Electrical Data Modulator

Heterodinaje óptico Mode Locked Lasers

Aprox. fotónica Ancho de banda Eficiencia energética Optical RF carrier generation

Optical Data Modulator

O/E Converter

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Tecnologías disponibles: antena activa integrada

Diseño conjunto: Optimización circuital, desadaptacion Optimización eficiencia radiación

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Tecnologías disponibles: antena activa integrada

Diseño conjunto: Optimización circuital, desadaptacion Optimización eficiencia radiación

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Tecnologías disponibles: aproximación electrónica

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Tecnologías disponibles: aproximación fotónica

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Tecnologías disponibles: integración electrónica y fotónica Optical mmW Signal Source Carrier Generation

Δλ (fc)

Wireless Transmitter High Speed Photodiode

Data Modulation

λ

λ

PA

fc Wireless Receiver

SBD

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Tecnologías disponibles: integración fotónica en array

Array of photodetectors integrated with antennas

Phase shifters

Optical power amplifiers Optical power divider

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Enlaces que ya han funcionado

NTT, Nagatsuma et al 18

Tendencias y líneas futuras en tecnologías inalámbricas para sistemas 5G • Aumento de frecuencia de operación para alta tasa de datos: – Aplicaciones de interiores: banda de 60 GHz – Aplicaciones de exteriores: frecuencias mayores: banda E, banda 120 GHz y … • Tendencia: – Incremento de potencia transmitida – Sintonización de la frecuencia de TX – Sensibilidad y ancho de banda en RX – Reconfigurabilidad de haz. – Consumo de potencia lo menor posible • Propuesta: integración de tecnologías. – Integración electrónica-fotónica – Integración en antena – Arrays 19

Referencias: resumen 1. H.J. Song and T. Nagatsuma; “Present and Future of Terahertz Communications”; IEEE Transactions on THz Science and Technology, vol. 1, septiembre 2011 2. J.Mitola et al; “Accelarating 5G QoE via Public-Private Spectrum Sharing”; IEEE Communication Magazine, May 2014 3. Y. Wang, J. Li, L. Huang, A. Georgakopoulos, P. Demestichas; 5G Mobile Spectrum Broadening to Higher Frequency Bands to Support High Data Rates”; IEEE Vehicular Technology Magazine 4. A. Hirata, T. Nagatsuma et al; “120 GHz-band wireless link technologies for outdoor 10 Gbit/s data transmission”; IEEE Trans. On MTT, march 2012 5. T. Nagatsuma; “Present and future THz communications”; EPFL, february 2013 6. FP7 I-Phos project; IP: Guillermo Carpintero; UC3M, Cambridge U., Duisburg U., III-V Lab, Thales, UCL, ACST, Berlin 7. Proyecto coordinado Plan Nacional Didactic (Development of an Integrated high DAta Rate THz wireless Communication system); IPs: R. Gonzalo, D. Segovia y G. Carpintero; UPN y UC3M. 8. Propuesta H2020; COM2SENSE, Smart COMpact, low-cost multi-functional COMponents for ultra-wide bandwidth wireless communication links and SENSing applications.

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