המהפיכה הבלתי נמנעת: גלים מילימטריים בדור החמישי

29 יולי, 2016

ספקטרום הגלים המילימטריים (mmWave) מתחיל להיפתח לשימוש מערכות הדור החמישי (5G), אך עדיין לא ברור איזה תדרים ייבחרו. להלן סקירת האופציות העומדות בפני התעשייה

ספקטרום הגלים המילימטריים (mmWave) מתחיל להיפתח לשימוש מערכות הדור החמישי (5G), אך עדיין לא ברור איזה תדרים ייבחרו. להלן סקירת האופציות העומדות בפני התעשייה

מאת: ג'יימס קימרי, מנהל מחקר RF ושיווק SDR בחברת National Instruments

בעוד גופי התקינה העולמיים נערכים להגדרת הדור הבא של התקשורת האלחוטית, מאלצים נושאי ומטרות הדור החמישי (5G) לשנות את הדרך בה חושבים החוקרים. הגדלת הנצילות הספקטרלית של רשתות המבוססות על הדור הרביעי אינה מספיקה על-מנת לאפשר את הקפיצה הדרושה בקצבי הנתונים, ההשהיות והקיבולת הדרושים לשלושת הקבוצות העליונות של hישומי הדור החמישי (איור 1), כפי שהן הוגדרו עלי ידי 3GPP במטרה לספק תקשורת רחבת סרט, מיידית, בו-זמנית וכל מקומית.

קבוצת היישומים לתקשורת ניידת רחבת סרט משופרת Enhanced Mobile Broadband – eMBB כפי שהיא מוגדרת על-ידי IMT 2020, צופה שיא בקצב העברת הנתונים שיהיה גדול אף מ-10Gbps. כלומר פי 100 מאשר קצב העברת הנתונים בדור הרביעי. על-פי תיאורמת שאנון -הרטלי, יש קשר בין קצב הנתונים לבין רוחב הסרט, המגדיר את הקיבולת כפונקציה של רוחב הסרט ורעש הערוץ. היות והספקטרום שמתחת ל-6GHz כבר מוקצה במלואו, הופך התחום שמעל תדירות זו , ובמיוחד תחום הגלים המילימטריים (mmWave), לאלטרנטיבה מושכת עבור ישומי Embb. השאלה היא אילו תדרים בתחום זה הם המתאימים ביותר.

האופציות הקיימות בספקטרום התדרים

ארגון התקשורת הבינלאומי ITU וארגון 3GPP תכננו תוכנית בת שני שלבי מחקר עבור תקני הדור החמישי 5G. הצעד הראשון מגדיר תקופת מחקר בתדירויות שמתחת ל-40GHz על-מנת לענות על הצרכים הדחופים עד ספטמבר 2018. השלב השני, שיתחיל ב-2018 ויסתיים בדצמבר 2019, יתמקד באיפיוני ביצוע עיקריים כפי שהותוו על-ידי ה-IMT 2020, ויתמקד בתדירויות של עד 100GHz.

על מנת לתאם באופן גלובלי את התקינה בתחום הגלים המילימטריים, ITU פרסמה רשימה של פסי תדרים אפשריים בין 24GHz לבין 86GHz, הכוללת את הפסים הבאים:

24.25GHz-27.5GHz

31.8GHz-33.4GHz

37GHz-40.5GHz

40.5GHz-42.5GHz

45.5GHz-50.2GHz

50.4GHz-52.6GHz

66GHz-76GHz

81GHz-86GHz

זמן קצר לאחר מכן, באוקטובר 2015, פירסמה הוועדה הפדרלית לתקשורת (FCC) בארה"ב הערה להצעת חקיקה (NPRM) המציעה פסי שירות גמישים בין התדרים 28GHz, 37GHz, 39GHz וכן בין פסי התדר 64GHz-71GHz.

מה הם התדרים "הטובים" ביותר?

בעוד גופי תקינה כגון ITU ו-3GPP קבעו את שנת 2020 כמועד היעד שבו יושלמו תהליכי ההגדרת של הדור החמישי, ספקי תקשורת סלולרית פועלים להאצת מועד אספקת שירותי 5G. בארה"ב, החברות ורייזון ו-AT&T מתכננות לבדוק גרסה מוקדמת של 5G כבר בשנת 2017. קוריאה מתכננת לבצע ניסויים ב-5G כבר במהלך המשחקים האולימפיים בשנת 2018, ויפן רוצה להדגים את טכנולוגיית 5G באולימפיאדת טוקיו בשנת 2020.

הפעילויות האלה מצביעות על התדרים הבאים כמועמדים מועדפים:  28GHz, 39GHz ו-73GHz. יש לכך כמה סיבות. קודם כל, בהשוואה ל-60GHz שבו יש הפסדים של 20dB/km בערך בגלל הבליעה של החמצן באטמוספירה, הבליעה בתדרים אלה נמוכה יותר, ולכן הם מתאימים יותר לתקשורת ארוכת טווח.

תדירויות אלה פועלות היטב גם בסביבה של ריבוי נתיבים ויכולות לשמש לתקשורת ללא קו ראייה (NLoS). באמצעות שילוב של אנטנות מאוד כיווניות, עיצוב ועקיבת אלומה (beamforming and beamtracking), גלים מילימטריים יכולים לספק ערוץ תקשורת אמין ומאוד מאובטח.

הספקיות לא ממתינות לרגולטור

הפעילות של ספקי תקשורת משפיעה על בחירת התדרים השימושיים בתחום זה. סמסונג החלה לבצע ניסויים משלה כבר בפברואר 2015 והמדידות שביצעה הראו כי 28GHz הוא תדר מתאים לתקשורת סלולרית. המדידות שלה איששו, כצפוי, את ההנחה שבתדר זה קיים ניחות בסביבה עירונית, אך ניתן להשיג תקשורת לטווחים העולים על 200 מטר.

בנובמבר 2015 ביצעה גם חברת קואלקום ניסויים בתדר 28GHz שכלל 128 אנטנות, על-מנת להדגים טכנולוגיות של mmWave בסביבה אורבנית צפופה. הניסוי הראה כיצד עיצוב אלומה כיווני ניתן לשימוש בתקשורת ללא קו ראייה (NLoS). לאור הכרזת ה-FCC כי התדר 28GHz יוכל לשמש לתקשורת ניידת, יש לצפות כי ייערכו ניסוים נוספים בפס זה בארה"ב.

חברת ורייזון אף השלימה הסכם עם XO Communications לחכירת ספקטרום 28GHz עם אופציה לרכישתו בסוף 2018. יש לשים לב כי הפס 28GHz אינו כלול ברשימת התדרים האפשריים של ITU וטרם נקבע אם הוא ישמש לצרכי תקשורת 5G.

הזמינות של התדר הזה בארה"ב, קוריאה ויפן, ביחד עם התחייבות של ספקי תקשורת בארה"ב לבצע בו ניסויים מקדימים, יכולים לדחוף את השימוש ב-28GHz בארה"ב ובקוריאה, ללא התחשבות בתקינה הבינלאומתי. ה-FCC ער לכך שתדר זה לא נכלל ברשימה שפרסם הארגון לתקשורת ניידת IMU.

אבות טיפוס תורמים לפיתוח התקשורת בגלים מילימטריים

כיום ברור כי לתדר 28GHz יש חשיבות לתקשורת ב–5G. במשך שנים עסקה התקשורת הניידת גם בתחומי 73GHz ו-E. חברת נוקיה השתמשה בנתוני מדידת ערוץ 73GHz שביצעה NYU על-מנת להתחיל את מחקריה בתחום זה.

בכנס המשתמשים השנתי NIWeek, שחברת נשיונל אינסטרומנטס בשנת 2014, הציגה נוקיה חומרה מתוצרת NI לפיתוח אבות טיפוס להדגמת מערכת ראשונה של תקשורת באויר בתדר 73GHz. נוקיה המשיכה לפתח את המערכת והדגימה לציבור את הישגיה החדשים במהלך הקונגרס העולמי לתקשורת ניידת (MWC) ב-2015 .

אב הטיפוס שהוצג היה בעל יכולת של מעל 2Gbps תוך שימוש באנטנות עדשה ומעקב אלומה. גרסת MIMO  של המערכת הוצגה באותה שנה בוועידת 5G בברלין, ואז כבר היא הגיע ליותר מ-10Gbps. כעבור פחות משנה, ב-MWC 2016 נוקיה הציגה תקשורת תקשורת דו-כיוונית באויר שפעלה ב-14Gbps.

נוקיה לא היתה החברה היחידה בכנס זה שהדגימה יכולת בתחום 73GHz. חברת Huawei בשיתוף Deutsche Telekom הציגה אב טיפוס מבוסס מערך MIMO מרובה משתמשים, שהיה בעל נצילות ספקטרלית גבוהה ותפוקה פוטנציאלית של 20Gbps למשתמש יחיד. בעתיד צפויים מחקרים נוספים בתחום זה.

לתחום תדרים זה יתרון בהשוואה לתחומים של 28GHz ו-39GHz והוא הזמינות של רוחב פס רציף מעל 2GHz, בעוד שבתדר 28GHz מוצע רוחב פס של 850MHz, ובשני פסי התדרים שסביב 39GHz ניתן להשיג בארה"ב רוחבי פס של 1.6GHz ו-1.4GHz.

בפס 39GHz מבוצעות כיום בדיקות, ויתכן שלאור התכונות שלו הוא יזכה לאימוץ רחב. ה- FCC הציע אותו כתדר פוטנציאלי לשימושי תקשורת ניידת. לחברת ורייזון, אשר שואפת להציג את תוצאות ניסויי השדה שלה ב-28GHz, יש גישה ל- 39GHz לאור קשריה עם חברת התקשורת XO, אשר לה רשיון בתחום 39GHz. אך עדיין נראה שהתחומים 28GHz ו-73GHz זוכים ליותר תמיכה ציבורית וצפויים להתבצע בהם יותר מחקרים.

על-מנת להפיק תועלת מההבטחה שצופנים הגלים המילימטריים עבור הדור החמישי, על החוקרים לפתח טכנולוגיות, אלגוריתמים ופרוטוקולי תקשורת חדשים לגמרי, היות והתכונות הבסיסיות של הגלים המילימטריים שונות מהמודלים המוכרים של תקשורת סלולרית, ובאופן יחסי הן לא מוכרות.

יש חשיבות לבניית אבות טיפוס בתחום הגלים המילימטריים, במיוחד בשלב מוקדם זה. כך אפשר יהיה להדגים את ההיתכנות של טכנולוגיות או מושגים ולהגיע לממצאים שלא ניתן להשיגם רק על-ידי סימולציות. אבות טיפוס לתקשורת בגלים מילימטריים בזמן אמת באויר, ובתרחישים שונים, יוכלו לחשוף את סודות ערוצי התקשורת בתחום זה, ויוכלו לאפשר חדשנות, אימוץ טכנולוגיות וצמיחה.

אתגרי הפיתוח עולים בסדר גודל

השימוש בגלים מילימטריים לצורך תקשורת ניידת יוצר אתגרים רבים, בהם: זמינות של רכיבי סיליקון מסחריים מן המדף, רכיבים אנלוגיים ואבני בנייה נוספות הדרושות לפיתוח המערכות. צרכים אלה מעכבים את מסחור המערכות. ניקח לדוגמא מערכת תחנות בסיס המסוגלות לעבד אותות בתדרים של ג'יגהרץ רבים.

רוב מערכות ה-LTE כיום משתמשות בערוצים של 10MHz (ולכל היותר 20MHz) ועומס החישוב עומד ביחס לינארי לרוחב הפס. במלים אחרות, יכולת החישוב צריכה לגדול פי 100 או יותר, על-מנת לענות על דרישות הדור החמישי. השכבה הפיסיקלית של תשתיות המערכות בגלים מילימטריים יתבססו על FPGA כטכנולוגיה שתאפשר פיתוח אבות טיפוס לזמן אמת.

בנוסף על כרטיסי FPGA, יהיה צורך בממירי DAC ו-ADC ברמה גבוהה ביותר, על-מנת ללכוד פסי תדר של 2GHz ברוחב פס רציף. בשוק יש כבר כמה RFIC הכוללים צ'יפים שיכולים לבצע המרה בין פס בסיס לתדירויות גלים מילימטריים, אך אלה הן אופציות מוגבלות והן מכסות בעיקר את פס התדרים 60GHz, שלא קיבל רישוי.

לחלופין, המהנדסים יכולים להשתמש בדרגות IF ו-RF במקום RFIC. לאחר שיפותחו תחנות בסיס ו-IF, יוכלו המהנדסים למצוא מספר קטן של ספקים המציעים אופציות למערכי רדיו מבוססי RFIC לתחנות בסיס. פיתוח מערכים כאלה דורש מומחיות רבה בתחום תכנון RF ומיקרוגל.

זהו תחום שונה לגמרי מתחום פיתוח כרטיסי FPGA, כך שלצורך פיתוח החומרה הנדרשת יידרש צוות מומחים בעלי נסיון בתחומים שונים. בנוסף יש צורך ביכולות תכנות מערכת מרובת FPGA לעיבוד ערוצים של ג'יגהרץ רבים, דבר המגדיל את רבת הסיבוכיות של המערכת.

השימוש בגלים מילימטריים ל-5G הוא בלתי נמנע

חברת NI פיתחה מערכת ייעודית לגלים מילימטריים על-מנת לענות על צרכי החוקרים המתמודדים עם הסיבוכיות ואתגרי התוכנה של תחום זה. המערכת NI mmWave Transceiver מספקת ערכת כלי חומרה שניתנים להגדרה על-ידי המשתמש, לצורך בניית אב טיפוס יחד עם קוד מקור יעודי לתכנון השכבה הפיזיקלית הדרושה למערכות גלים מילימטריים.

שכבה זו אחראית להיבטים היסודיים של מערכת פס בסיס בגלים מילימטריים, ומספקת הפשטה עבור עיבוד ותנועת נתונים במערכת מרובת FPGA, על-מנת לאפשר אינטרגרציה פשוטה. כלים אלה תוכננו כדי להאיץ את המעבר מאבות טיפוס למערכות ומוצרים אשר יהיו חיוניים לפיתוח טכנולוגיות הדור החמישי.

למרות שעתיד הדור החמישי עדיין לא ברור, גלים מילימטריים לבטח יהוו אחת הטכנולוגיות שישמשו להגדרתו. הכמות הגדולה של פסי סרט רציפים הזמינים מעל 24GHz הם בגדר צורך הנחוץ כדי לעמוד בתפוקת הנתונים הנדרשת. חוקרים כבר השתמשו באבות טיפוס והראו שטכנולוגיית גלים מילמטריים יכולה לספק קצב נתונים גדול אף מ-14Gbps. השאלה הגדולה היא איזה תדר יאומץ באופן רחב ליישומי 5G.

פורסם בקטגוריות: חדשות , תקשורת , תקשורת אלחוטית