Santiago Pacheco – RFCS Final Work, June’09 Comunicaciones en alta frecuencia: Tecnología a 60...

Santiago Pacheco – RFCS Final Work, June’09

Comunicaciones en alta frecuencia:

Tecnología a 60 Ghz mmW


¿Por qué usar tecnología a 60 GHz?

En este espectro de frecuencias los operadores no tienen que comprar licencias antes de operar con ellas.

Su uso se esta extendiendo en las comunicaciones wireless gracias a sus únicas caracteristicas frente a

interferentes y alta seguridad.


La molécula de oxigeno absorve energía electromagnética a 60 Ghz.


Gracias a este poder de absorción de la radiación, se permite reuso de frecuéncias, con lo que se pueden tener más enlaces dentro de la misma área geográfica.

Además es una banda muy segura ya que a 2,5 Km la señal se reduce por debajo del “noise level”.


Otro aspecto favorable es que las antenas trabajando a 60 Ghz son muy directivas, además de ser de un tamaño mucho menor.


Comparativa antenas micro-wave contra mmW


Aplicaciones de la tecnología mmW

Comunicaciones con alta tasa de datos (57-66 Ghz)

• Wireless HDMI video streaming

• Short Range Ultra fast file transfer

Comunicaciones con baja tasa de datos (94-100GHz)

· Aplicaciones en redes de sensores

Comunicaciones ópticas

Comunicaciones wireless chip-to-chip


Aplicaciones en automobiles

• Long range radar (76-77GHz bands)

• Short range radar (77-81GHz bands)

Enlaces tierra-vehículo y vehículo-vehículo

(comunicaciones HDR)


Ejemplo de uso de la tecnología mmW en vehiculos


Para una velocidad segura:

- Nuevas tecnologias que ayudan a la

detección, localización y evaluación de

daños.

- Nuevos sensores de detección

de obstaculos.

Apoyo lateral y monitorización al conductor:

- Ayuda en condiciones adversas de clima

o mal estado de la carretera.


Para seguridad en las intersecciones:

- Sistemas de reconocimiento de señales y marcas

viales.

Mitigación de colisiones y usuarios de la calzada

vulnerables: - Se

conseguiria localización y

clasificación de los obstaculos. -

Prevención de angulos muertos de visión.


Propuestas para el nivel PHY de 60 Ghz El grupo de trabajo del IEEE 802.15.3c, TG3c, fue

formado en Marzo de 2005.

Este grupo está desarrollando una alternativa para la PHY del estándar 802.15.3 basada en ondas milimétricas.

En la actualidad este grupo ya ha elaborado un borrador que ha sido revisado y modificado. Por lo que aún habrá que esperar para poder tener un estándar de estas WPAN.


Esta WPAN trabajará en la banda libre de licencias que va desde los 57 a los 64 Ghz y permitirá una alta coexistencia con las otras WPANs de la familia 802.15 y con las WLANs de la familia 802.11.

Hasta el momento dos grandes grupos han desarrollado las propuestas para tirar adelante este estándar. Estos grupos están formados por empresas privadas, centros de investigación y universidades.


– UM1: 'videostreaming' simple sin comprimir. Caudal mayor a 3 Gb/s a 10 m en NLOS y CER ≤ 10-9.

– UM2: 'videostreaming' múltiple sin comprimir. Dos modos: uno a 1,5 Gbps y el otro a 0,5 Gbps. Ambos a 10 m y con CER ≤ 10-9.

– UM3: transferencia de datos tipo 'office desktop'. Tres modos: síncrono a 1.5 Gbps, y asíncrono a 0,25 y 0,5 Gbps. Todos a 10 m y con CER ≤ 10-9.

– UM4: transferencia de datos tipo 'conference adhoc'.

– UM5: descarga de archivos a través de un quiosco.


La propuesta se compone de tres partes:

Modo 'Common rate' (CR) , se introduce para realizar DAA (detection and avoidance) y así proteger de interferencias a las transmisiones de video.

Portadora única (SC) intenta cubrir varias aplicaciones que van de una tasa de bit baja a alta pero en situaciones de potencia limitada y en entornos de LOS cercana.

Los sistemas OFDM pretenden cubrir aplicaciones con tasa de bit alta sobre ancho de banda limitado y en entornos de NLOS.


Dentro del modo OFDM existen dos modos bien diferenciados: – PHY de tasa alta (HRP): hasta 4 Gbps en un enlace direccional.

– PHY de tasa baja (LRP): hasta 10 Mbps en modo omnidireccional y hasta 40 Mbps en modo direccional.

Estos modos definen una PHY que soporta las siguientes características:– 'Streaming' de audio y video sin comprimir a una resolución

1080p (HD), color a 24 bits y refresco de 60 Hz.

– Transferencia de datos y video en HD en un rango de al menos 10 m.

– Tecnología de antenas inteligentes para permitir trabajar en NLOS


Otros grupos en la standarización de la banda de 60 Ghz


Diseño y modelado de transistores CMOS en circuitos mmW A frecuencias de mmW los elementos parásitos

inductivos y resistivos de los transistores se convierten en mas significativos.

En consecuencia es más critico modelar correctamente en los transistores estos nuevos parásitos, además de los elementos capacitivos parásitos que ya se tenían en cuenta.

El siguente modelo mostrado es valido hasta frecuencias de 65 Ghz.


Modelo de transistor en pequeña señal para NMOS


Líneas de transmisión en circuitos mmW Son una estructura importante cuando hablamos de

circuitos de mmW.

En estas frecuencias, los elementos reactivos necesitan de redes de adaptación y de valores alrededor de los 20-50 pH, valores que fácilmente podemos obtener con las líneas de transmisión (T-lines).

Además el cableado de interconexión se puede modelar directamente usandolas.


En contra, el factor que más determina las pérdidas de la línea es QL (factor de calidad inductivo).

Es por ello que se utilizan líneas coplanares en vez de microstrip, ya que mejoran este factor al tener el plano de tierra mas alejado de la linea de señal.


Ejemplos de circuitos: Receptor a 60 Ghz CMOS receptor front-end (LNA+mixer ), tecnología 130 nm


Aquí se muestra el mezclador convencional con el que se propone para el circuito diseñado


Amplificador a 60 Ghz de 3 etapas con líneas coplanares

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