Conectividad futura: no solo 5G

En el simposio de microondas IEEE (virtual) de 2021, la industria analizó hacia dónde se dirige la tecnología inalámbrica y cómo va más allá de 5G.

Los ingenieros de RF e inalámbricos se mantienen a la vanguardia de la conectividad. Después de todo, todo el mundo quiere hacer todo en su teléfono. La industria quiere controlar el proceso sin cables. Si bien los cables y las fibras unirán la red, las conexiones futuras serán cada vez más inalámbricas.

2021 IEEE International Microwave Symposium (IMS) Exposición celebrada Vivo en Atlanta Del 7 al 10 de junio, la mayor parte del contenido de la conferencia se llevó a cabo en línea del 20 al 25 de junio. El miércoles 23 de junio, IMS presentó la Cumbre del futuro conectado durante todo el día, conocida como la Cumbre 5G, que comenzó en 2017. La cumbre cubrió temas como el estándar 5G, 5G avanzado, Wi-Fi, 6G, materiales, fabricación y pruebas. . Shahriar Shahramian de Nokia Bell Labs presentó a los oradores y moderó la mesa redonda.

Richard Burbridge de Intel ha proporcionado una actualización del estándar 3GPP. “La versión 15 fue la línea de base”, dijo. Las opciones agregadas en la versión 16 y la versión 17 evolucionarán. Burbridge se refirió al Release 18 cuando comenzaron las discusiones técnicas en la semana del 28 de junio.

Las versiones 16 y 17 agregan URLLC e IIoT, respectivamente. Otras características son:

    Sensor IIoT Wi-Fi a través de 5G Soporte de precisión de posicionamiento (exterior 10 m, interior 3 m) Extensión FR2 de onda milimétrica a 71 GHz con espectro sin licencia de al menos 5 GHz Red privada Acceso integrado y Backhaul (IAB), incluido Wireless Backhaul V2X para la gestión del tráfico MIMO extensiones para mejorar el rendimiento Comunicaciones satelitales que llevan la banda ancha 5G y el IoT a áreas sin servicios terrestres, como satélites en órbita geoestacionaria y satélites en órbita terrestre baja. “La demora es un problema”, dijo. Dispositivo degradado (versión 17)

Las figuras 1 y 2 muestran las versiones 16 y 17. Haga clic en la imagen para ampliarla.

Figura 1. Richard Burbridge de Intel destaca las mejoras que la versión 16 de 3GPP aporta a 5G. Fuente: IEEE / IMS2021

Descripción general de la versión 17 de 3GPP

Figura 2.3 GPP Release 17 agrega satélite, IoT, servicios públicos, comunicaciones de máquina a máquina a gran escala y comunicaciones de seguridad pública a 5G.

Barbridge también mencionó cómo COVID-19 cambió el negocio de 3GPP. Las cosas se están ralentizando y se espera que la versión 17 se complete en marzo de 2022. Si no todos los participantes están en un solo lugar, todo llevará tiempo.

Carlos Cordiero de Intel consideró Wi-Fi 6 / 6E y 7 y siguió a Burbridge. También dijo que en 2030, Millimeter Wave Cellular, Wi-Fi-Bluetooth, Ultra Wideband (UWB) y satélites. La Figura 3 los resalta.

Figura 3. Para el 2030, planeamos usar incluso más tecnología inalámbrica de la que usamos actualmente. Fuente: IEEE / IMS2021

Cordiero se centró en Wi-Fi y explicó cómo Wi-Fi 6 puede mejorar el rendimiento. Las mejoras incluyen: OFDMA, 1024 QAM, agregar a MIMO Soporte y programación.

Cordiero ha mostrado resultados experimentales de que la velocidad de datos de Wi-Fi 6 puede alcanzar los 9,6 Gb / s, pero la velocidad real es bastante lenta, desde aproximadamente 2 Gb / sa 2,5 Gb / s. Además, la velocidad tiene cierto costo. Por ejemplo, Wi-Fi 6 ofrece canales de datos de hasta 160 MHz, pero el tamaño real del canal depende de la cantidad de usuarios. La Figura 4 muestra la compensación entre rendimiento y número de usuarios. Con la llegada de los productos Wi-Fi 6E, los primeros usuarios ya no disfrutarán de los beneficios de la mayoría de los demás usuarios que utilizan la banda de 6 GHz. Por lo tanto, se mejora el rendimiento. Esto cambiará a medida que aumente el número de usuarios. A medida que se utilicen más dispositivos, el espectro de 1200MHz eventualmente se llenará.

Unidad de recursos Wi-Fi y ancho de banda del canal

Figura 4. A medida que más usuarios se conectan y consumen unidades de recursos, las velocidades de datos de Wi-Fi pueden disminuir. Fuente: IEEE / IMS2021

La programación a través de Wi-Fi 6 se realiza en el nivel MAC, donde algunos puntos de acceso pueden tener prioridad sobre otros, como señaló Cordiero. La latencia es un 75% más alta que la de Wi-Fi 5.

Cordiero también proporcionó una descripción general de Wi-Fi 7, que probablemente estará disponible en 2024. La Figura 5 muestra los objetivos de Wi-Fi 7, incluidas velocidades de datos más altas con el cambio a 4096QAM. Lograr ese objetivo requiere un equipo de prueba y procesamiento de señales bastante bueno.

Especificaciones de Wi-Fi 7

Figura 5. Wi-Fi 7 aumenta el ancho de banda y los niveles de modulación QAM para aumentar las velocidades de datos. Fuente: IEEE / IMS2021

Harish Viswanathany de Nokia Bell Labs habló sobre las fallas actuales en 5G y lo que se necesita para 5G-Advanced y 6G (Figura 6).

Tecnologías clave 6G

Figura 6. La interfaz aérea AI / ML enfatiza el diseño de la capa física 6G. Fuente: IEEE / IMS2021

Haciendo eco del tema que apareció en Otras conferencias 5G / 6G, Viswanathany mencionó una interfaz aérea impulsada y diseñada por IA. La Figura 7 muestra que algunos bloques de lo que él llamó la cadena de señales “Deep Rx” pueden resultar en una reducción en el número de bloques funcionales. La teoría de que AI / ML será parte de la PHY. Por lo tanto, los ingenieros permiten que el sistema encuentre la mejor PHY basándose en los datos del canal de radio, en lugar de diseñar la PHY inalámbrica y digital completamente de acuerdo con las especificaciones. Lleva a la cuestión de tener suficientes datos de canal y suficiente potencia informática para hacer el trabajo, y cómo cumplir con los estándares técnicos regulatorios y de la industria.

Bloque AI / MLRx 6G

Figura 7. AI / ML le ayuda a comprender el diseño de la interfaz aérea 6G y a adaptarse a las condiciones del canal. Fuente: IEEE / IMS2021

Viswanathany comentó sobre la detección y el radar, especialmente sobre la visualización de marcos digitales similares a un radar que se utilizan para detectar en automóviles autónomos. “Necesitamos cientos de gigabits por segundo”, advirtió. “Las frecuencias subterahercios y OFDM probablemente no sean suficientes”.

En cuanto al tema del consumo de energía, Viswanathany preguntó: “¿Está utilizando un convertidor de analógico a digital (ADC) de alta resolución o de 1 bit? La potencia afecta el ruido de fase dominante a frecuencias más altas. El ADC de 5 bits y OFDM son una compensación razonable. Nosotros pensamos. “

Para MIMO a gran escala, Viswanathany cree que hay cuatro veces más antenas utilizadas a frecuencias más altas que las que se utilizan actualmente, como las frecuencias superiores a 100 GHz. Está considerando la formación de haces híbridos. Esta debería ser la mejor compensación entre rendimiento y consumo de energía. Además, Viswanathany espera que las radios 6G de ancho de banda amplio cubran muchas bandas de frecuencia de RF al mismo tiempo.

Jon Strange de Mediatek analiza cómo se necesitará la innovación de material 6G. Especialmente en la banda D (110 GHz a 170 GHz y banda G (275 GHz a 320 GHz)), los problemas de energía son importantes en estas frecuencias de sub-terahercios, y los amplificadores de potencia (PA) son los principales problemas. Las configuraciones de matriz de antenas MIMO 8 × 8 y 16 × 16 son comunes en los dispositivos de usuario debido a su pequeño tamaño. “Este no es un problema de diseño, pero es una de las tecnologías subyacentes”, dijo, ya que la tecnología para transistores 1THz no lo es. CMOS seguirá dominando durante algún tiempo, a medida que haya fundiciones disponibles.

Según Strange, CMOS no es práctico por encima de 250 GHz. Mientras esperaba estos nuevos materiales y transistores de alta frecuencia, Strange dijo: PA Survey del Instituto de Tecnología de Georgia, y señaló algunas extensiones CMOS como SOI, SiGe, InP (Figura 8). No subestime la necesidad de reemplazar el cable de cobre.

Figura 8. Jon Strange de Mediatek destacó las mejoras de CMOS necesarias hasta que se desarrollen nuevos materiales más rápidos. Fuente: IEEE / IMS

Curiosamente, dijo que la escala es la clave de todo. Los costos de desarrollo deben recuperarse con los millones de dispositivos vendidos.

Peter Gammel de GlobalFoundries continuó la discusión sobre los materiales semiconductores utilizados en PA y formación de haces. “La industria necesitará una combinación de materiales”, dijo.淕 aN impulsa las métricas, SiGe se desempeña mejor en frecuencias por encima de 500 GHz. Los aisladores de silicona (SOI) también son prometedores. El apilamiento físico de transistores da como resultado voltajes más altos. Puede ser posible. Necesitamos ofrecer tanto rendimiento como precio. La compensación es tamaño y poder. La tabla de la Figura 9 compara diferentes tecnologías y lugares donde se necesita innovación.

Figura 10. Esta tabla muestra dónde RFIC necesita innovación. Fuente: IEEE / IMS

La Figura 10 ilustra el concepto de apilamiento de transistores en SOI.

Figura 10. Cuando los transistores se apilaron en el PA, se generó un alto voltaje en la señal de salida. Fuente: IEEE / IMS

Roger Nichols de Keysight ha trasladado la conversación a las pruebas y la medición. Kate Ramley de NIST luego continuó la conversación con una presentación sobre la medición de sistemas inalámbricos.

Holograma de Nichols en Star Wars.淎 Lograr un holograma de resolución suficiente requiere una velocidad de datos más alta de lo que se piensa actualmente. Para alcanzar una velocidad de datos de 100 Gb / seg a 10 m, agudice el haz de señal para compensar la degradación. es necesario. Para hacer esto, necesita ajustar el haz con frecuencia para mantener la velocidad de datos. El ancho de banda del canal debe alcanzar los 800MHz. Para lograr estas velocidades de datos, es necesario mejorar el sistema de medición.

Nichols afirmó que no había mejorado significativamente la eficiencia espectral (bits / hercios) en 20 años. Una semana después, el 30 de junio, Capgemini anunció una aplicación RAN basada en aprendizaje automático. Aumento de la eficiencia espectral en un 15%.

En la Figura 11, Nichols muestra el EVM de -33 dBC que se puede lograr con el equipo de prueba actual. El ruido es un problema mayor en las bandas D y G debido al ancho de banda amplio del canal. El rango dinámico de la tabla refleja lo que necesita para 5G. La columna de la derecha muestra lo que los instrumentos de medición actuales deben lograr para cumplir con los números de la izquierda.

Figura 11. Roger Nichols de Keysight explicó lo que se necesita para obtener un equipo de prueba 6G. Fuente: IEEE / IMS

Probar dispositivos y conjuntos de antenas es difícil porque se requieren mediciones MIMO y radio (OTA) a gran escala para alcanzar velocidades de 100 Gb / s. Al probar su estación base, debe considerar la distancia, la ubicación y el movimiento de su dispositivo. La cantidad de antenas en la matriz no es muy alta debido a problemas prácticos como el peso y la resistencia al viento.

Nichols también ha abordado el problema de la energía a altas frecuencias donde la eficiencia del InPPA de 300 GHz es inferior al 10%. ADC es otro asunto. Nichols dijo que un ADC de última generación que funciona a 250 Gsample / s consume alrededor de 250 W. “La carrera actual”, dijo Nichols, “gasta más en electricidad que en cualquier otra cosa”.

Kate Remley concluye el día con una discusión sobre cómo medir los sistemas inalámbricos utilizados en NIST. Dado que los dispositivos y sistemas 5G se basan en mediciones OTA, los ingenieros necesitan una forma de aumentar la confiabilidad de las señales que se miden. Dado que los dispositivos 5G utilizan conjuntos de antenas, el NIST ha desarrollado un procedimiento para calibrar la señal de prueba y la cámara. Requiere una forma de onda de referencia para establecer cantidades conocidas y ver cómo la cámara de prueba modifica esas señales. Remley se centró en cómo los ingenieros del NIST calculan parámetros como el ángulo de llegada, el retraso y la reflexión con el objetivo de establecer mediciones con incertidumbre.

La forma de onda de referencia tiene varias características. En la Figura 12, puede ver las formas de onda aleatorias, altas y bajas. Relación de potencia pico a promedio (PAPR) más formas de onda “realistas”. La potencia promedio de cada forma de onda es la misma, pero el PAPR es diferente debido a las características de la señal en el dominio del tiempo. Estos cambios en PAPR marcan una diferencia en la relación de potencia del canal adyacente (ACPR).

Figura 12. Las señales que utilizan PAPR conocidos permiten a los ingenieros del NIST caracterizar las cámaras de prueba para señales inalámbricas. Fuente: IEEE / IMS

Se requieren mediciones oportunas para capturar la señal. Por lo tanto, NIST utiliza un generador de forma de onda arbitraria para generar pulsos síncronos que activan instrumentos de prueba como osciloscopios. La Figura 13 muestra la ruta de calibración.

Figura 13. Los ingenieros del NIST han desarrollado un procedimiento de calibración de medidas OTA utilizando varios instrumentos de prueba. Fuente: IEEE / IMS

“No quiero culpar al DUT por configurar la medición o cualquier cosa que sea parte de la medición”, concluye Remley.

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