1. No category

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
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c
.
電波透過窓
I
C
Short Range Indoor Wireless Access
System (Sony)
S
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C
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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
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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