Эволюция микроволновой связи — выход за пределы 100 ГГц



В статье автор рассматривает эволюцию микроволновой связи — работу над долгосрочным использованием частот за пределами 100 ГГц, нацеленную на поддержку развития 5G к 2030 году.

Ключевые слова: пропускная способность, радиочастотный спектр, радиорелейная связь, антенна, полупроводниковые технологии.

Постоянное стремление повысить уровень производительности приводит к необходимости увеличения спектра и более эффективного его использования — не только для радиодоступа, но и для транзитной связи. Постоянно расширяя технологические границы, за последние несколько десятилетий стали использоваться все более высокие частоты — тенденция, которая сохранится и в будущем.

Радиочастотный спектр, являющийся ограниченным природным ресурсом, регулируется национальными, региональными и международными нормами, обеспечивающими максимальную социальную и экономическую выгоду. Спектр разделен на полосы частот, которые выделены различным видам радиослужб, таким как связь, радиовещание и радиолокация, а также для научного использования [1].

К 2025 году 80 процентов станций сотовой связи в мире (за исключением станций в Северо-Восточной Азии) будут подключены с использованием технологии микроволновой связи [2]. Быстро растущие требования к пропускной способности, создадут необходимость значительного улучшения производительности, что станет возможным благодаря развитию технологий и более эффективному использованию существующего спектра [2, 3, 4].

Отрасль микроволновой связи начала подготовку к следующему крупному скачку в технологиях и производительности, чтобы удовлетворить ожидаемые потребности рынка в объемах на период с 2025 по 2030 год. Чтобы совершить такой скачок, требуются многие годы исследований и разработок, а также большая работа по регулированию спектра, а также опыт нескольких поколений технологий и продуктов для доведения производительности до крупномасштабного использования. Цель состоит в том, чтобы открыть спектр частот за пределами 100 ГГц для пропускной способности до 100 Гбит/с для поддержки различных приложений и сценариев использования с расстояниями скачков до нескольких километров. В долгосрочной перспективе ожидается, что она послужит высокопроизводительным дополнением к использованию других диапазонов частот [2], особенно в городских и пригородных районах, как показано на рисунке 1. Меньший физический размер антенны на этих более высоких частотах будет иметь особое преимущество в этих местах.

Рис. 1. Будущее использование спектра для радиорелейной связи, включая решения за пределами 100 ГГц

Более высокие частоты более ограничены с точки зрения охвата и охвата, но они, как правило, могут обеспечить более широкие полосы частот и, как таковые, имеют более высокую пропускную способность. В связи с растущими потребностями с середины прошлого века стали использоваться все более высокие частоты, когда использование частот всего в несколько ГГц было нормой для сетей микроволновой передачи. В настоящее время диапазон 70/80 ГГц — 71–76 ГГц в сочетании с 81–86 ГГц быстро набирает популярность, поскольку обеспечивает пропускную способность в диапазоне 1–20 Гбит/с на расстоянии нескольких километров [2, 3]. Прошло около 15 лет с момента первых попыток в этом диапазоне, чтобы его широкомасштабное использование начало набирать обороты. В настоящее время предпринимаются аналогичные усилия, позволяющие использовать частоты выше 100 ГГц [5, 6] для пропускной способности в диапазоне 5–100 Гбит/с на расстояниях, сравнимых с сегодняшними 70/80 ГГц.

Микроволновая связь за пределами 100 ГГц

Системы микроволновой связи или системы фиксированной связи (как они известны в терминологии ITU-R) обычно используются во множестве диапазонов частот от 6 до 86 ГГц. Диапазон частотных диапазонов необходим для обеспечения транзитной связи в различных типах мест — от малонаселенных сельских районов до сверхплотной городской среды, с расстоянием пролета от 100 м до 100 км и более. Использование полос частот регулируется нормативными рекомендациями по планированию каналов [7]. За пределами 100 ГГц спектр был выделен для систем фиксированной службы до 275 ГГц [1], но никаких договоренностей по каналам не было. Однако в Европе продолжаются нормативные исследования по расположению каналов [5] с упором на диапазоны 92–114,25 ГГц и 130–174,8 ГГц, обычно называемые диапазонами W и D соответственно.

Спектр выше 100 ГГц состоит из множества поддиапазонов разных размеров с распределением пассивных служб между ними, как показано на рисунке 2. Причина, по которой не доступен еще более широкий непрерывный спектр, заключается в предотвращении помех пассивным службам радиосвязи, таким как Спутниковая служба исследования Земли и радиоастрономическая служба.

Рис. 2. Полосы частот и атмосферное затухание за пределами 100 ГГц

Существует некоторый интерес к использованию частот за пределами диапазона D для систем фиксированной службы в еще более долгосрочной перспективе. Для пассивных услуг выделено несколько полос частот в диапазоне 275–1000 ГГц, но это не исключает их использования для активных услуг [1]. Следует отметить, что диапазон частот 252–275 ГГц уже выделен фиксированным службам. Если к этому добавить диапазон 275–320 ГГц, получится непрерывный широкий диапазон 68 ГГц с умеренным атмосферным поглощением, как показано на рисунке 2.

Затухание из-за атмосферных газов и дождя [8] увеличивается с частотой, а также имеется несколько пиков поглощения, как показано на рисунке 2. Однако между пиками затухание увеличивается довольно медленно за пределами 70 ГГц. Например, он увеличивается примерно на 2 дБ/км от 70 ГГц до диапазона D и примерно на 4 дБ/км от 70 ГГц до 275 ГГц. Потери на трассе в свободном пространстве [8] также увеличиваются с частотой: например, примерно на 6 дБ от 70 ГГц до диапазона D и примерно на 11 дБ от 70 ГГц до 275 ГГц. Таким образом, условия распространения за пределами 100 ГГц лишь немного хуже.

Важно, чтобы регулирование спектра за пределами 100 ГГц позволяло внедрять новые и будущие инновации, которые могут поддерживать пропускную способность на пути к 100 Гбит/с. Они должны охватывать традиционные конфигурации каналов, такие как частотное разделение каналов (FDD — Frequency Division Duplex), а также дополнительные будущие инновации, которые могут лучше обрабатывать асимметричные и частично непарные поддиапазоны, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Примеры потенциальных конфигураций за пределами 100 ГГц для поддержки высокой пропускной способности и облегчения использования непарного и асимметричного спектра

Как и оптоволоконные транспортные сети, микроволновая транспортная связь исторически проектировалась как симметричная. В большинстве случаев полосы частот делятся симметрично на высокие и низкие поддиапазоны, используемые с частотным разделением каналов. Технология MIMO (multiple-input, multiple-output) с несколькими входами и несколькими выходами в прямой видимости (LOS — line-of-sight), используемая для повышения пропускной способности и спектральной эффективности, представляет собой инновацию, которая первоначально вызвала интерес [4, 9], но в последнее время ослабла из-за более привлекательных многодиапазонных решений. Однако небольшое пространственное разнесение антенн, необходимое для LOS MIMO в диапазоне D, делает его интересным на пути к пропускной способности 100 Гбит/с. Многодиапазонные решения, которые обеспечивают повышенную скорость передачи данных за счет объединения ресурсов в нескольких диапазонах частот, составляют важную часть современного радиодоступа. Таким образом, в последнее время они также стали предметом большого интереса в области микроволновой транспортной связи [3], поскольку сделали возможным использование более высоких частот, таких как 70/80 ГГц, на гораздо больших расстояниях. Многодиапазонность также является очень привлекательным вариантом за пределами 100 ГГц.

Сегодня при временном разделении каналов (TDD — Time Division Duplex) используется ограниченный спектр с непарными или асимметричными поддиапазонами. FDD с асимметричными каналами был изучен, но признан слишком сложным и ограниченным в существующих симметричных диапазонах [10]. Асимметричные многодиапазонные решения могут представлять интерес в непарном спектре, скорее, как дополнительный нисходящий канал для радиодоступа. В гибких конфигурациях FDD для изоляции используются отдельные передающие и приемные антенны вместо дуплексных фильтров [5, 6]. Это не увеличивает эффективность использования спектра, но может обеспечить более высокую производительность, чем та, которую обеспечивает TDD в непарном спектре.

Путь к транспортным решениям 100 Гбит/с

За последние десятилетия технология микроволновой транспортной связи претерпела огромные изменения, неоднократно превышая пределы пропускной способности и достигая уровня производительности, который считался возможным только для оптоволоконных решений. Коммерческое оборудование 70/80 ГГц, которое в настоящее время представлено, поддерживает 10 Гбит/с в каналах 2 ГГц (8 x 250 МГц), и разумно ожидать в будущем решений со скоростью 20 Гбит/с. Повышению пропускной способности способствуют более широкие каналы, но национальные администрации спектра обычно ограничивают максимально разрешенный размер канала, чтобы обеспечить справедливое разделение между различными пользователями. Максимальный размер канала обычно ограничивается примерно 10 процентами от общей полосы. Для более высокочастотного спектра, с большей возможностью повторного использования частот, могут быть разрешены каналы, занимающие примерно до 20 процентов общей полосы частот.

Реальные решения на пути к 100 Гбит/с в различных диапазонах частот показаны на рисунке 4. В диапазоне D можно получить еще более широкие каналы примерно до 5 ГГц (20 x 250 МГц), что позволит создавать решения, поддерживающие скорости 20 Гбит/с, 40 Гбит/с и даже до 100 Гбит/с в диапазоне D. в долгосрочной перспективе, как показано ромбами на рисунке 4. Однако на этом пути существует множество технологических проблем, таких как шум передатчика, искажение сигнала и другие нарушения, которые могут ограничить максимальный порядок модуляции для чрезвычайно широких каналов. Более высокие емкости и более широкая полоса пропускания каналов также предъявляют более высокие требования к преобразователям цифровых данных. Более продвинутые решения, использующие двойную поляризацию — и даже LOS MIMO — повысят пропускную способность, но также увеличивают стоимость.

Рис. 4. Реальная пропускная способность в сравнении с полосой пропускания канала с одинарной поляризацией, двойной поляризацией и MIMO

Использование решений LOS MIMO за пределами несущих частот 100 ГГц привлекательно из-за уменьшения необходимого расстояния между антенными элементами по мере увеличения частоты. Оптимальное разнесение антенн d_opt в вертикальном и горизонтальном направлениях можно записать как [11]:

где f — частота, c — скорость света, N — количество антенных элементов в вертикальном или горизонтальном направлении, а D — длина скачка. Возможен отрыв 70–80 процентов от оптимального значения при лишь ограниченном снижении коэффициента усиления системы [9]. Например, на частоте 155 ГГц расстояние между антеннами составит 0,4 м для расстояния 300 м и 0,8 м для 1 км. Существуют технологические проблемы (например, обработка сигналов), связанные с разработкой LOS MIMO в диапазоне D, но в долгосрочной перспективе ожидается, что это позволит сделать последний шаг к пропускной способности 100 Гбит/с и даже выше, как показано на рисунке 4.

Длина скачка за пределами 100 ГГц

При оценке способности микроволновой транспортной связи обеспечивать высокопроизводительную транспортировку на расстояние следует учитывать три параметра:

1) общий коэффициент усиления системы — передаваемая мощность плюс коэффициент усиления антенны минус требуемая мощность принимаемого сигнала.

2) целевая доступность — совокупное время, в течение которого выбранная емкость должна поддерживаться на промежуточном участке, которое обычно выражается в процентах времени в год, где 99,99–99,999 процентов являются обычными целевыми показателями для телекоммуникационного уровня.

3) местный климат — планирование прыжка выполняется с помощью методов прогнозирования распространения с использованием статистических данных о долгосрочных дождях и многолучевости для местоположения прыжка.

Максимальная длина скачка в зависимости от общего усиления системы для различных уровней доступности и местных климатических условий на частоте 155 ГГц показана на рисунке 5. Он иллюстрирует общий коэффициент усиления системы для двух примеров оборудования: один с антеннами 50 дБи, что является общим рекомендуемым максимальным усилением антенны в практическое развертывание микроволновой печи; и один с 35 дБи, что является рекомендуемым максимальным усилением антенны для объектов с раскачиванием мачт, таких как станции транзитной связи небольших сот, установленные на опорах освещения. Каждый из примеров предназначен для конфигураций, поддерживающих примеры от 10 до 100 Гбит/с на рис. 4, которые имеют одинаковый системный выигрыш. По мере развития технологии диапазона D ожидается, что передаваемая мощность и чувствительность приемника будут того же порядка, что и для современного оборудования 70/80 ГГц, даже если ранние реализации могут иметь гораздо меньший коэффициент усиления системы, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Максимальная длина скачка в зависимости от общего усиления системы на частоте 155 ГГц для различной интенсивности дождя (более 0,01 процента в году) и для двух разных конфигураций антенн

Скорость дождя 20, 50 и 100 мм/ч, превышаемая в течение 0,01 процента времени в году, репрезентативна для мягких, умеренных и суровых местных климатических условий. Коэффициенты доступности 99,9 процента и 99,995 процента на рисунке 5 соответствуют потерям при распространении, которые превышают общий выигрыш системы примерно на 9 часов в год и 26 минут в год. При использовании адаптивной модуляции более низкий уровень модуляции во время сильного дождя увеличивает усиление системы, чтобы избежать ошибок передачи, но приводит к снижению пропускной способности. Например, уменьшение модуляции с 64QAM на BPSK соответствует увеличению усиления системы на 15 дБ, но снижению пропускной способности на 17 процентов. Как показано на рисунке 5, длина скачка в несколько сотен метров достижима для антенн с меньшим коэффициентом усиления. Используя антенны с высоким коэффициентом усиления, можно достичь длины скачка около 1–2 км и даже до 2–4 км для целей с более низкой доступностью, таких как многодиапазонные конфигурации. Таким образом, длина пролета в диапазоне D хорошо подходит для городских и пригородных развертываний.

Полупроводниковые технологии как ключевой фактор развития

Полупроводниковые устройства играют важную роль во всех современных радиотехнологиях. Транзитное микроволновое оборудование исторически использовало схемы на основе арсенида галлия (GaAs). Совсем недавно нитрид галлия (GaN) стал использоваться в коммерческих продуктах из-за его высокого напряжения пробоя, обеспечивающего более высокую мощность передачи. Также существует значительный интерес к кремниевым чипсетам на основе КМОП или SiGe-HBT из-за их более низкой стоимости производства одного чипа в больших объемах и высокой плотности интеграции. Это особенно актуально для развертываний на небольшом расстоянии, где высокая выходная мощность менее важна, например, в диапазоне частот 60 ГГц.

Под влиянием космической, оборонной и фотоиндустрии полупроводниковые технологии, предназначенные для использования на частотах за пределами 100 ГГц, за последние несколько десятилетий претерпели огромную эволюцию [12]. Сегодня существует несколько коммерческих технологий, доступных для приложений с частотой выше 100 ГГц, и еще несколько исследуются на предмет еще большей производительности, как показано на рисунке 6. Тремя основными классами транзисторных технологий являются HBT, HEMT и MOSFET [12], где обычно используется MOSFET, реализован в SOI CMOS для работы на высоких частотах. Ключевым свойством является размер элемента, поскольку транзистор с меньшим размером элемента поддерживает более высокие частоты. Как правило, схемы рассчитаны на работу при частоте ниже половины fMAX, где fMAX — частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице. Можно значительно приблизить рабочую частоту к fMAX, но это приведет к снижению энергоэффективности и увеличению затрат на проектирование. Другими важными свойствами материала являются минимальный коэффициент шума (NFmin) и напряжение пробоя (Vbr), которые определяют чувствительность приемника и максимальную передаваемую мощность соответственно. Правый столбец на рисунке 6 указывает на коммерческую зрелость технологии, где дополнительными аспектами являются стоимость разработки и производства. Генерация фликкер-шума, эффекты памяти и температурное поведение не включены в таблицу, но их также следует учитывать.

Рис. 6. Обзор полупроводниковых технологий за пределами 100 ГГц и их ключевые параметры

Максимальная передаваемая мощность ограничивает усиление системы. Были опубликованы исследования усилителей мощности на основе технологий GaAs, InP и SiGe, обеспечивающих выходную мощность более 10 дБм за пределами 100 ГГц [13–15]. Ожидается, что в будущем GaN продемонстрирует еще более высокую выходную мощность благодаря высокому напряжению пробоя материала. GaAs pHEMT обеспечивает высокое напряжение пробоя и низкий коэффициент шума, а через несколько лет ожидается, что он сможет поддерживать диапазон D. InP поддерживает очень высокие частоты, хотя и требует высоких материальных затрат. Благодаря своим хорошим характеристикам он может быть полезен для исследований и разработок оборудования в диапазоне D. Это также может быть применимо для долгосрочных коммерческих приложений на частоте около 275 ГГц.

Кремниевые технологии, такие как SOI CMOS и SiGe-HBT, сегодня осуществимы вплоть до диапазона D, хотя максимальная выходная мощность ограничена из-за низкого напряжения пробоя кремния, а коэффициент шума хуже по сравнению с технологиями GaN и GaAs. Благодаря превосходным свойствам высокой степени интеграции кремниевые технологии перспективны для недорогих приложений ближнего радиуса действия за пределами 100 ГГц.

Предстоит преодолеть множество дополнительных препятствий. Компоновка и межсоединение на частотах выше 100 ГГц представляют собой сложную задачу из-за коротких длин волн. Паразитные эффекты более выражены, а требования к допускам высоки при проектировании, производстве и сборке, особенно при рассмотрении широкой полосы пропускания. Перекрестные помехи и нежелательные резонансы являются дополнительными проблемами, поскольку типичный размер монолитной микроволновой интегральной схемы (ММИЦ) имеет порядок длины волны. Это затрудняет использование традиционных межсоединений, таких как соединение проводов и флип-чип, с высокой производительностью.

Исследования в области высокочастотных технологий приобретают глобальный интерес. Одним из примеров являются негальванические межсоединения чип-волновод, которые в настоящее время исследуются в рамках финансируемого Европейским Союзом проекта Horizon 2020 M3TERA, где кремниевые волноводы с низкими потерями изготавливаются с использованием

Метод 3D-микрообработки, позволяющий получить кремниевую платформу со встроенными компонентами для промышленной сборки. Другим примером является исследовательская программа по заказу Министерства внутренних дел и коммуникаций Японии «Программа исследований и разработок в области технологии многодесятигигабитной беспроводной связи на субтерагерцовых частотах», которая исследует источники радиоизлучения за пределами 275 ГГц. Третий пример — исследовательская программа TWEETHER, финансируемая Horizon 2020, которая фокусируется на усилителях высокой мощности с частотой выше 100 ГГц.

Это долгий и извилистый путь от исследований до полноценного коммерческого оборудования, отвечающего нужным характеристикам и стоимости. В конечном итоге этого можно достичь только при наличии конкурентоспособной отраслевой экосистемы, разделяющей общее видение [6].

Заключение

Непрерывное стремление обеспечить более высокую пропускную способность данных привело к использованию все более высоких частот там, где обычно доступен больший спектр. Огромный рост использования диапазона 70/80 ГГц, который мы видим сегодня, стал возможен благодаря нескольким годам исследований и разработок и большой работе по регулированию спектра, а также опыту, полученному от нескольких поколений технологий и продуктов. Аналогичные усилия в настоящее время предпринимаются на пути к микроволновой транспортной связи за пределами 100 ГГц, чему способствует быстрое развитие высокочастотных полупроводниковых технологий и многообещающие новые устройства. В свете этого мы ожидаем увидеть крупномасштабное развертывание решений с частотой более 100 ГГц в 2025–2030 годах. Диапазоны W и D, несомненно, смогут поддерживать пропускную способность в диапазоне от 5 до 100 Гбит/с на расстояниях до нескольких километров.

Литература:

1. ITU, 2016, Radio Regulations, part 1 chapter II article 5 (Frequency allocations) and part 3 resolution 767 (Studies towards an identification for use by administrations for land-mobile and fixed services applications operating in the frequency range 275–450GHz), available at: https://www.itu.int/pub/R-REG-RR-2016
2. Ericsson, October 2016, Ericsson Microwave Outlook report 2016, available at: https://www.ericsson.com/assets/local/microwave-outlook/documents/ericsson-microwave-outlook-report-2016.pdf
3. Ericsson Technology Review, January 2016, Microwave backhaul gets a boost with multiband
4. CEPT ECC WG SE19, Work items SE19_37 and SE19_38, more information can be found at: http://eccwp.cept.org/default.aspx?groupid=45
5. ETSI mWT ISG, Work item DGS/mWT-008, more information can be found at: https://portal.etsi.org/webapp/WorkProgram/Report_WorkItem.asp?WKI_ID=47907
6. ITU-R, 2012, Recommendation F.746, Radio-frequency arrangements for fixed service systems, available at: https://www.itu.int/rec/R-REC-F.746/en
7. ITU-R, 2015, Recommendation P.530, Propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial line-of-sight systems, available at: https://www.itu.int/rec/R-EC-P.530/en
8. ECC Report 258, 2017, Guidelines on how to plan LOS MIMO for Point-to-Point Fixed Service Links, available at: http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/official/pdf/ECCREP258.PDF
9. ECC Report 211, 2014, Technical assessment of the possible use of asymmetrical point-to-point links, available at: http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/official/pdf/ECCREP211.PDF
10. 2005 IEEE 61st Vehicular Technology Conference, Vol. 1, 2005, Lattice array receiver and sender for spatially orthonormal MIMO communication, available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/1543276/
11. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 1, no. 1, September 2011, An overview of solid-state integrated circuit amplifiers in the submillimeter-wave and THz regime, available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/6005342/
12. 2014 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, Tampa, FL, 2014, A 112–134GHz SiGe amplifier with peak output power of 120mW, available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/6851686/
13. 11th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), London,2016, 150GHz GaAs amplifiers in a commercial 0.1-μm GaAs PHEMT process, available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/7777493/
14. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 64, no.4, April 2016, A D-Band 48Gbit/s 64QAM/QPSK Direct-Conversion I/Q Transceiver Chipset, available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/7433461/
15. Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation, Barcelona, 2010, Long term path attenuation measurement of the 71–76GHz band in a 70/80GHz microwave link, available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/5505467/