eng
Выпуск #6/2016
М.Пирпоинт, Г.Ребейз
Переход к телекоммуникационным системам 5G – создание каналов связи с фазированными антенными решетками
Переход к телекоммуникационным системам 5G – создание каналов связи с фазированными антенными решетками
Просмотры: 2250
Рассмотрены каналы связи для телекоммуникационных систем пятого поколения (5G), созданные в Калифорнийском университете (Сан-Диего, США). Отмечено, что для разработки этих каналов использовалось контрольно-измерительное оборудование компании Keysight Technologies, функционирующее в области высоких частот (до 60 ГГц и выше).
Теги: phased array antennas telecommunication systems test equipment контрольно-измерительное оборудование телекоммуникационные системы фазированные антенные решетки
Д ля[1] перехода к телекоммуникационным системам 5G наряду с повышением скорости передачи данных необходимо решить задачу обслуживания большего числа абонентов на заданной площади, что обычно называют "уплотнением". Эта потребность подстегивает интерес к менее загруженным участкам спектра в СВЧ и КВЧ (миллиметровом) диапазонах и стимулирует переход от работы с широкой диаграммой направленности к узконаправленной передаче. В эру узконаправленной связи на одного абонента можно направить один или несколько лучей, что дает возможность многократно использовать одни и те же частоты, а также повышать уровень принимаемого сигнала. Узконаправленная связь позволяет существенно снизить стоимость услуг для потребителей и открывает множество дополнительных возможностей для применения систем 5G и выше, включая целый ряд новых приложений наземной и авиационной связи. Ключевое звено такого "уплотнения 5G" - антенна, физические размеры которой для узконаправленной передачи должны примерно в восемь раз превышать длину передаваемой волны. Но чтобы антенна сохраняла приемлемый для коммерческого использования размер, приходится задействовать меньшие длины волн или более высокие частоты - этим объясняется огромный интерес к незагруженному диапазону 60 ГГц. Чаще всего в данном диапазоне используется стандарт IEEE 802.11ad (WiGig), обеспечивающий скорость передачи до 7 Гбит/с за счет применения передатчиков и приемников с фазированными антенными решетками, которые повышают эффективность канала, улучшают параметры системы и помогают оптимизировать тракт передачи. Хотя преимущества внедрения 5G и многогигабитных каналов передачи весьма привлекательны, возможность их реализации определяется двумя ключевыми факторами: созданием недорогих фазированных антенных решеток и их адаптацией для использования в коммуникационных каналах 5G. Исследованием второй задачи занялись в прошлом году ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) в тесном сотрудничестве с компанией Keysight Technologies. Результаты работы представляют собой огромный прорыв - был успешно продемонстрирован первый в мире интегральный передатчик с 64-элементной (8 Ч 8) и 256-элементной (16 Ч 16) фазированной антенной решеткой. Его высокоэффективные встроенные антенны обеспечивают связь на гигабитных скоростях в радиусе нескольких сотен метров. В ходе демонстрации была доказана работоспособность такого канала и показана рекордная производительность. НАДЕЖНЫЙ ФУНДАМЕНТ Подготовка этой демонстрации потребовала огромных усилий и опиралась на два важных фактора. Один из них - создание первых в отрасли интегральных 64-элементных (8 Ч 8) [1] и 256-элементных (16 Ч 16) [2] фазированных антенных решеток, работающих в диапазоне 60 ГГц (рис.1). Эта разработка базировалась на ранних исследованиях, проводимых UCSD и компанией Tower Jazz при спонсорской поддержке Агентства перспективных оборонных исследований (DARPA). В результате были созданы интегральные системы на кристалле, каждая из которых содержала источник сигнала 60 ГГц, распределительные цепи, фазовращатели, усилители с регулируемым коэффициентом усиления и высокоэффективные интегрированные антенны. Второй фактор - опыт многолетнего сотрудничества между UCSD и компанией Keysight, начавшегося 10 лет назад с финансирования Keysight разработки микроэлектромеханических систем (МЭМС). В 2015 году компания Keysight укрепила сотрудничество с UCSD, став членом университетского Исследовательского центра беспроводной связи. В соответствии с договором компания Keysight поставляет оборудование для текущих исследований и финансирует научно-исследовательские работы. Примерно в тот же период по окончании разработки интегральных фазированных антенных решеток университет UCSD был готов перейти к внедрению этих кристаллов в коммуникационное оборудование 5G. Для этого ученым университета, работающим над проектом, понадобилась быстродействующая программно-аппаратная измерительная система, которая обеспечивала бы необходимые характеристики и точность. Исследователи UCSD обратились к своему давнему партнеру - компании Keysight, - и результаты были получены незамедлительно. Всего за несколько дней была смонтирована система для измерения характеристик каналов связи в диапазоне 60 ГГц, создан канал связи 60 ГГц, устойчиво работающий на расстоянии 4 м, потом 30 м и, наконец, около 100 м. ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ Для создания этого канала исследователи из UCSD использовали полнофункциональный комплект приборов компании Keysight (рис.2). В состав комплекта входили генератор сигналов произвольной формы M8190A, векторный генератор сигналов E8267D PSG и осциллограф высокого разрешения DSOS804A Infiniium серии S с 10-разрядным АЦП (рис.3). В качестве гетеродина использовался аналоговый генератор сигналов E8257D PSG. Необходимый сигнал 802.11ad частотой 60 ГГц создавался с помощью программного обеспечения (ПО) Keysight Signal Studio, а анализировался ПО Keysight 89600 VSA. Кроме того, очень полезным оказалось ПО 81199A Wideband Waveform Center, которое помогло обеспечить передачу, прием и внесение предыскажений в канал, а также уменьшить амплитуду вектора ошибки. После создания канала связи нужно было измерить его характеристики на дистанциях 4, 30 и 100 м. Для этого передатчик с 64-элементной фазированной антенной решеткой был установлен на штатив так, чтобы по уровню коммуникационных сигналов можно было измерять диаграмму направленности антенны. В качестве приемника использовалась стационарная рупорная антенна с коэффициентом усиления 20 дБ, подключенная к осциллографу Keysight, на котором была запущена программа демодуляции. Сигнальные созвездия измерялись для разных схем модуляции, центральных частот и углов сканирования. Для измерения на больших расстояниях передатчик был установлен на крыше 6-этажного дома, а приемник - на парковке, что создавало дополнительные помехи от автомобилей и деревьев. Измеренные сигнальные созвездия показали, что канал связи 60 ГГц работал устойчиво. На расстоянии 4 м (полный канал 802.11ad) передатчик с 64-элементной фазированной антенной решеткой создавал сложный канал связи на всех углах сканирования (±45° во всех плоскостях) и практически без дополнительных искажений, обеспечив скорость передачи 3,85 Гбит/с с модуляцией 16-QAM. Практически такие же результаты были получены на дистанции 30 м. На дистанции более 100 м канал связи обеспечил скорость передачи 1,54 Гбит/с с модуляцией QPSK при углах сканирования ±45° во всех плоскостях. ЗАГЛЯДЫВАЯ В БУДУЩЕЕ Успешная демонстрация первого в мире канала связи 5G на базе передатчика с функцией формирования диаграммы направленности с 64- и 256-элементной фазированной антенной решеткой - большой шаг на пути к внедрению технологий 5G. Но это еще не все. В ходе третьего этапа исследовательского проекта в следующем году ученые UCSD займутся разработкой компонентов приемника / передатчика, больших антенных решеток и более эффективных, объединенных в сеть систем 5G. Аппаратные и программные решения компании Keysight сыграют в этих исследованиях решающую роль. Новые разработки в рамках текущих исследований таят в себе огромные потенциальные возможности, способствующие переходу к узконаправленной связи 5G. Не менее важно, что эти работы прокладывают путь для будущих исследований и разработок в области коммуникационных систем миллиметрового диапазона. Статья была первоначально опубликована в журнале Microwave Journal в апреле 2016 года
<reference>Zihir S., Gurbuz O.D., Karroy A., Raman S., Rebeiz G.M. A 60 GHz 64-element Wafer-Scale Phased-Array with Full-Reticle Design. - Int. Microwave Symp., Phoenix, Az, May 2015.</reference>
<reference>Samet Zihir, Ozan D. Gurbuz, Arjun Karroy, Sanjay Raman, Gabriel M. Rebeiz. A 60 GHz Single-Chip 256-Element Wafer-Scale Phased Array with EIRP of 45 dBm Using Sub-Reticle Stitching. - IEEE RFIC Symp., Phoenix, Az, May 2015.</reference>
</references>
<reference>Zihir S., Gurbuz O.D., Karroy A., Raman S., Rebeiz G.M. A 60 GHz 64-element Wafer-Scale Phased-Array with Full-Reticle Design. - Int. Microwave Symp., Phoenix, Az, May 2015.</reference>
<reference>Samet Zihir, Ozan D. Gurbuz, Arjun Karroy, Sanjay Raman, Gabriel M. Rebeiz. A 60 GHz Single-Chip 256-Element Wafer-Scale Phased Array with EIRP of 45 dBm Using Sub-Reticle Stitching. - IEEE RFIC Symp., Phoenix, Az, May 2015.</reference>
</references>
Отзывы читателей
