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Retos y tendencias en tecnologías de RF para sistemas de comunicaciones de 5G Daniel Segovia-Vargas Guillermo Carpintero del Barrio Luis Enrique García-Muñoz
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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 smartphonecrecerá un 10% anual hasta 2018
• Opciones en frecuencias de microondas: – Técnicas de modulación y codificación
avanzadas
– Procesado de señal más complejo
• Bandas bajas: espectro compartido.
• Aumento de frecuencia y pasar milimétricas y sub-THz.
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http://www.ericsson.com/res/docs/2013/e
ricsson-mobility-report-june-2013.pdf
Tomada de IEEE Communication Magazine 2014
¿Por qué del interés de ondas milimétricas en comunicaciones 5G?
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Tomado de Nagatsuma: THz new
opportunites for the industry
Creación de
nuevo espectro
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¿Por qué del interés de ondas milimétricas en comunicaciones 5G?
Opciones para
aumentar ancho
de banda
Codificación eficiente
Enlaces ópticos en línea de vista
Incremento de la frecuencia de portadora
con modulaciones simples (ASK, FSK)
Codificación eficiente: costoso
computacionalmente y complejo
Enlaces ópticos en línea de 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
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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
• La atenuación en las bandas de milimétricas es mucho mayor que en la banda de microondas.
• Hay una degradación por ruido lo que afecta a la capacidad de canal.
• Estimación de pérdidas en espacio libre
• Además, en la banda de mm y submm existen varias líneas de absorción por gases lo que
– Dificulta la comunicación en exteriores
– Pudiera no ser un problema grave en interiores.
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Ondas milimétricas en comunicaciones inalámbricas
FSPL (dB)
Distance (km)900 MHz
2.4GHz
5.8 GHz
60GHz
120GHz
0.001 31.48 40.00 47.67 67.96 74
0.01 51.48 60.00 67.67 87.96 94
0.1 71.48 80.00 87.67 107.96 114
1 91.48 100.00 107.67 127.96 134
10 111.48 120.00 127.67 147.96 154
)(log20)(log204.92)( 1010 kmdGHzfdBFSPL
Pérdidas en espacio libre
Ondas milimétricas en comunicaciones inalámbricas
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Pérdidas atmosféricas muy altas: dificultad en comunicaciones exterioresExistencia de ventanas que pueden habilitar comunicaciones interiores
10 10( ) 92.4 20log ( ) 20log ( ) ( )FSPL dB f GHz d km f d km
• Aplicaciones:
– Comunicaciones inalámbricas fijos
• Redes de retorno en pico-celdas
• Habilitación de enlaces en situaciones críticas
• Transmisión HDTV
– Comunicaciones móviles inalámbricaspróximas
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Ondas milimétricas en comunicaciones inalámbricas
10 10( ) 92.4 20log ( ) 20log ( ) ( ) TX RXFSPL dB f GHz d km f d km G G
Pérdidas se pueden compensar con ganancia de antenas
Para enlaces a 10 Gb/s se pueden necesitarganancias de antena de unos 30 dBiEl ancho de haz sería 6º ó 7º, válido para LOS
• 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
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Tecnologías disponibles
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Tecnologías disponibles
Tx
Aprox. electrónica
Aprox. fotónica
Electrical RF
carrier
generation
Electrical Data
Modulator
Optical RF
carrier
generation
Optical Data
Modulator
O/E
Converter
Alto nivel de integración
Potencia de salida alta
MMIC (HEMT)
Cadenas multiplicadoras (SBD)
Ancho de banda
Eficiencia energética
Heterodinaje óptico
Mode Locked Lasers
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Tecnologías disponibles: antena activa integrada
Diseño conjunto:
Optimización circuital, desadaptacion
Optimización eficiencia radiación
Tecnologías disponibles: antena activa integrada
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Diseño conjunto:
Optimización circuital, desadaptacion
Optimización eficiencia radiación
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
High Speed
Photodiode
SBD
Carrier
Generation
Data
Modulation
λΔλ (fc)
λ
PA
Wireless Transmitter
fc
Wireless Receiver
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Tecnologías disponibles: integración fotónica en array
Optical power divider
Optical power amplifiers
Phase shifters
Array of photodetectorsintegrated with antennas
Enlaces que ya han funcionado
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NTT, Nagatsuma et al
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
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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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