1 Antennas, Propagation and Transceiver IC Technologies for Millimeter Wave Radio Systems for 5G Networks. - the Tokyo Tech Wireless Fiber Project-. m 1k Makoto Ando Tokyo Institute of Technology 3 Multi-Band HetNet • Macro-pico interference management is necessary • Spectrum splitting loss occurs in single-band HetNet（e.g. ABS） • Multi-band HetNet achieves BW enhancement without interference Single-Band 2GHz band Macro： Center freq: 2GHz BW: ρ×10MHz Tx power: 46dBm Pico： Center freq: 2GHz BW: (1-ρ)×10MHz Tx power: 24dBm 7/2/2013 Multi-band 3GHz band Macro： 60GHz band Macro： Center freq: 2GHz BW: 10MHz Tx power: 46dBm Center freq: 2GHz BW: 10MHz Tx power: 46dBm Pico： Center freq: 3.5GHz BW: 100MHz Tx power: 30dBm Pico： Center freq: 60GHz BW: 2.16GHz Tx power: 10dBm C-RAN with MM-Wave Fronthaul 4 • Integrate 60G pico BSs as RRHs of C-RAN based cellular network • mm-wave fronthaul based on enhanced CPRI to reduce deployment cost Macro BS Enhanced RRH based 60G pico BS Mm-wave fronthaul is introduced to reduce deployment cost 7/2/2013 60G pico BSs are connected to C-RAN as RRHs to integrate into 3GPP standards “Tokyo Tech Wireless-Fiber Project” 2007.4-2012.3-2016.3 Background of MM-wave Project Thickness of the antenna substrate : 1.2 mm m 32 m Post-wall planar antenna Backside Connector 75 mm VGG MMIC Package Upper side (for DC and IF) IF VDD (cm) The 5 year (2007-2012) project “RF Coexisting Technology on High Speed Baseband IC for Millimeter Wave Radio Systems” was supported by Government (MIC) as well as Industry’s participation. The objective was to develop RF coexisting technology on high speed baseband CMOS for Millimeter wave radio systems. Outdoor and indoor beyond Gbps were designed, the former of which was installed in Tokyo Tech campus. Frequency (GHz) Distance (m) 10 4 10 10 10 50 1Gbps 3 WIPAS Backhaul エントランス B-WIPAS B-WIPAS 2 10 1 100 Outdoor 3.5Gbps Digital Electrical デジタル家電 Equipment（Movie） Digital Electrical USB2.0 デジタル家電 Equipment 無線 Radio 0.1 動 画 1.0 Data Rate Indoor ( Gbps ) 10 target target usage usage image image Outdoor Mobile NetworkBackhaul RadioEntrance FixedWirelessAccess Indoor FileTransfer（ 0～１0ｍ） Kioskdownload Peer-to-peer Download Time [sec] Time required for contents download via wireless systems 2011年1月 Measured average speed WiMAX LTE A社FTTH B社FTTH 12Mbps 4Mbps 40Mbps 120Mbps Micro UHF MM-wave 映像DVD 音楽CD X 40GHz X 60GHz 雑誌・漫画 単行本 新聞 Contents Size [MB] 1GB: 3sec->1.5sec DVD: 13sec->7sec Waveguide ﾎﾟｽﾄ壁導波路 平面ｱﾝﾃﾅ Slot plate MMIC ミリ波 吸収リッド MMIC RF/IF/ASIC modules Radome Medium Range Outdoor Entrance Radio Systems (JRC) S y s t e mS p e c . 電波透過窓 I C Short Range Indoor Wireless Access System (Sony) S y s t e mS p e c . I C “R FC o e x i s t i n gT e c h n o l o g yo nS i l i c o nC M O S H i g hS p e e dB a s e b a n dI Cf o rM i l l i m e t e rW a v e R a d i oS y s t e m s ” (T o k y oT e c h ) P h a s eN o i s eC o m p en s a t i o nb yDi g i t a l S i g n alP r o c e s s i n g( T o k y oT e c h) P h a s eN o i s eC o m p e n s a t i o nb yD i g i t a l S i g n a lP r o c e s s i n g( T o k y oT e c h) P a c k ag i n g ,M M I C , RFM o d u l e ( A M SY S ) P a c k ag i n g ,M M I C , RFM o d u l e ( A M SY S ) G aNH P A ( N E C ) O u t d o orS y s te mE q ui p m e n t ( J R C) In d o o rS y s t e mE q u i pm e n t H ig hG a inA r r ay s ( To k y oTe c h . ) P r o p a g a t i o nT e s t（W i l l c o m ，K D D Il a b ） ( S o n y) A nt e n n a so nP CB/C hi p( T ok y oT ec h ) In d o o rD e m o n st r a t i o n( S o ny ) chip size (mm x mm) power consumption (mW) CMOS chips development RF BB feasibility study for indoor syst. Step 1 Step 2 Future Study (Tokyo Tech) 90 nm mm2 43 600 mW 65 nm 38 mm2 560 mW (Tokyo Tech + Company) 2007 90 nm mm2 98 450 mW 2008 2009 65 nm ~ 53 mm2 300 mW 40 nm 40 nm 35 mm2 560 mW 30 mm2 200 mW 40 nm (system integrated as including CPU, MAC, interface) 30 mm2, 500mW Outdoor syst. F.Y.2009 38 GHz 600 Mbps 1 km 2009~ Indoor syst. F.Y.2011 60GHz 2.5 Gbps 1m History of CMOS Fabrication 1 9 年度 2 0 年度 2 1 年度 2 2 年度 2 3 年度 8 9 1 01 11 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 11 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 11 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 11 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 11 2 1 富士通株式会社製 9 0 n m C M O S プロセステクノ ロジL S I 試作 1 ブロック 富士通株式会社製 9 0 n m C M O S プロセステクノ ロジL S I 試作 1 ブロック 富士通株式会社製 9 0 n m C M O S プロセステクノ ロジL S I 試作 1 ブロック 富士通（株）製9 0 n m C M O S プロセステクノロジL S I 試 作 １ブロック 6 5 n m C M O S プロセステクノ ロジを用いたチップ製作 １ブロック 9 0 n m / 6 5 n m ＣＭＯＳプロ セステクノロジを用いた チップ作成 6 5 n m / 9 0 n m ＣＭＯＳプロセ ステクノロジを用いた チップ作成 9 0 n m C M O S プロセスＬＳＩ 試作 6 5 n m C M O S プロセスＬＳＩ 試作（6 5 n m 1 区画） 6 5 n m C M O S プロセスＬＳI 試 作 9 0 n m C M O S プロセスＬＳＩ 試作（9 0 n m 2 区画） 9 0 n m / 6 5 n m ＣＭＯＳプロセ スL S I 試作 屋外システム検討用 6 5 C M O S プロセスL S I 6 5 n m C M O S チップ試作 6 5 n m C M O S チップ試作 6 5 n m C M O S チップ試作 6 5 n m C M O S チップ試作 6 5 n m C M O S チップ試作 R F 性能向上 6 5 n m C M O S チップ試作 M u l t i G b p s 要素 6 5 n m C M O S チップ試作 R F 性能向上２ 6 5 n m C M O S チップ試作 M u l t i G b p s 要素 改良 Item Short-range system spec. example Specification Unit Note Ch./Transmit mode IEEE802.15.3c base Transfer distance ≦1 Modulation π/2 – QPSK Single carrier Transmission rate： 3.456Gbps Error correction LDPC(1440, 1344) Information rate： 3.225Gbps Tx. Output power Symbol rate：1.728Gsps m Max. distance ≦ 3m 3 mW (4.8dBm), @3dB back-off Tx /Rx Antenna gain >6 dBi Each (for bi-directional transmission) Rx NF <10 dB Rx input level -60 ～ -25 dBm 5cm～3m transmit distance range Phase noise < -85 dBc/Hz @1MHz offset ADC effective bit >5 bit power consumption <500 mW Module power total (RF+BB） Chip size <3 x3 mm2 RF/BB each chip Required C/N 8.5 dB @BER=1e-6, LDPC(1440, 1344) Global COE International Symposium The International Workshop of Millimeter Wave Wireless Technology and Applications December 6, 2010, Tokyo Institute of Technology, Japan In corporation with Ministry of Internal Affairs and Communications Session 1: Key Note Speech Chair: Prof. K. Araki • (9:00-9:20) Prof. Makoto Ando (Tokyo Tech., Japan) • (9:20-9:40) Prof. Akira Matsuzawa (Tokyo Tech., Japan) • (9:40-10:15) Prof. Asad Abidi (UCLA, USA) Session 2: Research & Development in the World Chair: Prof. K. Okada • (10:35-11:10) Prof. Roberto Sorrentino (Univ., Perugia, Italy) • (11:10-11:45) Prof. Shuzo Kato (Tohoku Univ., Japan) • (11:45-12:20) Prof. Wei Hong (Southeast Univ., China) • (12:20-13:40) Poster Session (Royal Blue Hall) and Technical Demo (Corridor) Session 3: Millimeter-wave Comm. Systems Chair: Mr. Taniguchi • (13:40-14:15) Ph.D Yorgos Palaskas (Intel, USA) • (14:15-14:50) Prof. Shiban K. Koul (IIT Delhi, India) • (14:50-15:15) Mr. Fumio Ozawa (JRC, Japan) • (15:15-15:40) Dr. Makoto Noda (Sony, Japan) Session 4: Constituent Technologies Chairs: Prof. J. Hirokawa Prof. K. Fukawa • (16:00-16:35) Dr. Sohrab Emami (Sibeam, USA) • (16:35-17:10) Prof. Jri Lee (Natl. Taiwan Univ., Taiwan) • (17:10-17:45) Dr. Duixian Liu (IBM Watson, USA) • (17:45-18:05) Prof. Jiro Hirokawa (Tokyo Tech., Japan) • (18:05-18:25) Prof. Kenichi Okada (Tokyo Tech., Japan) • (18:25-18:45) Dr. Satoshi Suyama (Tokyo Tech., Japan) “Tokyo Tech Wireless-Fiber Project” 2007.4-2012.3-2016.3 MM-wave Gigabit network image 40GHz & 60GHz Personal Big data transfer Provider Up Home server Contents Deliver Down Transfer to Target ＧATE 新聞 音楽 書籍 映像 MM-wave Gigabit network for mobile Cloud 40G GATE GATEHz 40G Hz 60GHz 60GHz ６０GH帯通信用モジ ュール GATE GATE 光幹線網 G GATE GATE ６０GH帯通信用モジ ュール搭 載型情報端末（次世代iPa d?) 40G Hz 40G Hz 40 Hz 40G Hz Hz 40GHz 40GHz P-P P-P 40G Hz 40GHz Active Mesh 40 G 60GHz GATE GATE GATE 44GHz Track Approach 60GHz GATE Mobile Mobile GATE GATE RF-CMOS chip image ß-ßßSmart phone 東工大 松澤・岡田研 提供 Antenna PKG image データ閲覧端末 アムシス 提供 contents viewer with 60GHz chip ß-ßßCamera Frequency (GHz) Distance (m) 10 10 3 WIPAS Backhaul 2Gbps エントランス B-WIPAS B-WIPAS 2 10 100 4 10 10 50 1 Outdoor 6Gbps Digital Electrical デジタル家電 Equipment（Movie） Digital Electrical USB2.0 デジタル家電 Equipment 無線 Radio 0.1 動 画 1.0 Data Rate Indoor ( Gbps ) 10 Hz WiLAN GH Gigabit Access Trans. Equip. （GATE） 40 （先行接続⇒大容量データ授受準備） 700 distance [mm] 600 500 400 300 200 60GHz 100 接続が持続しやすい Antenna 900 800 60GHz 45dBi 1000 Antenna 900 Hz 60G distance [mm] Hz 60G 5dBi 1000 38 dB 34 800dB 30 dB 700 26 dB 600 22 dB 18 500dB 14 dB 400 10 dB 6300 dB 2200 dB -2 dB 100 -6 dB -200 -1 0 0 0 100 200 -200 -100 0 100 200 horizontal position [mm] h o riz o n ta l p o sitio n [m m ] Highly Intelligent CMOS 60GHz RF Frontend and BB Chip ○ 高度インテリジェンス性を備えた60GHz帯RFフロントエンド／ベーズバンドCMOS集積回路 雑音信号 重畳 RF フロントエンド RF FE chip 60GHz in 自律性能補償機能、セルフテスト 機能等による無線特性の向上 A out RX LO 60GHz out TX ベースバンド B/B chip ABB CTL A in D out DBB 制御部 環境温度・印加 電圧変化 制御部 プロセス 変動 ABB DBB CTL D in 実装 搭載 携帯端末 無線アクセスゲート 6Gbps, 0.5W, GATE High efficiency modulation/demodulation 16QAM –CMOS Phase noise, IQ-imb., Propagation Rain rate (mm/h) Network operation, Proactive routing against Rain 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 19:00 Estima tion by Rx Level by 4 paths 40GHz 64QAM DDD System 1Gbps x 2 September 12, 2009 Tipping-bucket Rain Ga uge at W8 Tipping-bucket Rain Ga uge at I6 Different Rain Rates for Strong rain Similar Rain Rates for Weak rain 19:30 20:00 20:30 21:00 Time Throughput reduction < 10% Network operation, Gate data handling in the network 基幹通信網 低速 網 ード 6Gbps, Network Data < 1.5 times Dual 10bit ADC (Improved version) Low Jitter PLL 実績 1０bit ADC 要求 複数のゲートを通過す ることで、すべての チャンクを受信し, ファ イルを合成可能 1Gbps x2, 260MHz System on C hip for 38G-1Gbps System ンロ ダウ どのチャンクをどこのゲート で受信すべきかをネット ワーク側で制御 ファイルを断片(チャンク) に分割し, チャンク単位で ユーザ端末に送信 高速 網 無線アクセスゲート 1 AD Cov. 12bit 800Msps for DDD System 1.6wà0.15w
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