0

基幹用ミリ波帯無線伝送システムの実現のための基盤技術の研究開発

成果発表会資料

富士通株式会社、独立行政法人 情報通信研究機構

1

研究開発の概要（富士通株式会社、独立行政法人 情報通信研究機構）

2

研究開発の目標

成果目標：70-100 GHz帯超広帯域無線通信システム基盤技術の実現・10Gbpsシステムを構成するための主要要素の開発：

InP HEMTプロセス技術、ミリ波MMIC技術、ﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄﾞ信号処理技術・ ミリ波パルス通信方式の原理実証：

上記要素技術を用いた送受信装置の作製、伝送実験実用システムの回線設計（伝送距離 1-3 km、伝送速度 10 Gb/s、ﾋﾞｯﾄ誤り率 <10-5）

・超10Gbpsシステム開発に向けたMMICの開発:超高速InP HEMT技術（fT>500 GHz)短パルス発生器MMIC(<5 ps)、超低雑音増幅器MMIC技術(利得>20 dB、NF<3 dB)

（例１）河川、湾、湖の横断

河

10Gbps無線

Ａ町

Ａ町

《自治体情報ﾈｯﾄﾜｰｸ》

（例3）災害時の非常用回線

《広域自治体ﾈｯﾄﾜｰｸ》

Ａ市/ＡCATV

Ｃ村/ＣCATV

光

情報ｾﾝﾀｰ情報ｾﾝﾀｰ

情報ｾﾝﾀｰ光

光

×

×光

光×光

Ｂ町/ＢCATV

（例2）ディジタルデバイド地域

《ﾃﾞｨｼﾞﾀﾙﾃﾞﾊﾞｲﾄﾞ地域の救済》

10Gbps無線

山中

谷

村落

孤島

光ファイバー系

70-100 GHz帯超広帯域無線通信システム

3

研究開発スケジュール（実績）H17年度 H18年度 H19年度 H20年度

1. 超高速InP HEMT素子 (富士通)

2. ミリ波MMIC(富士通)2-1. 広帯域増幅器

2-2. 超短ﾊﾟﾙｽ発生器

2-3. 超高周波実装

3. 超高速ﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄ ﾞ信号処理(富士通)

4. 10Gbps無線伝送ｼｽﾃﾑ(富士通)

3-1. ﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄﾞ回路

3-2. ｲﾝﾀｰﾌｪｰｽ

4-1. 伝送ｼｽﾃﾑ

4-2. 変調・多重化

基礎検討 ﾃﾞﾊﾞｲｽ･ﾌﾟﾛｾｽ確立 ﾌﾟﾛｾｽ安定化

基礎検討

設計・1次試作

設計・ 1次試作

改良設計・試作

改良設計・試作

試作・組立

試作・組立

逆ﾏｲｸﾛｽﾄﾘｯﾌﾟ構造 ﾌﾘｯﾌﾟﾁｯﾌﾟ構造

仕様検討 設計・試作 試作・組立

仕様検討

需要調査

実用ｼｽﾃﾑ仕様検討変調方式検討

伝送試験

10Gｼｽﾃﾑ向け研究開発

予備評価 2次設計

1. 超高速InP HEMT素子 (富士通)

2. ミリ波MMIC2-2. 超短ﾊﾟﾙｽ発生器 (富士通)

2-4. 超低雑音増幅器(情報通信研究機構)

超高速化改良超高速化探索・検討

評価ｼｽﾃﾑ試作ﾌﾟﾛｾｽ検討・

MMIC設計 設計・試作(高利得化)設計・試作(低雑音化)

設計・ 1次試作

基礎検討

H17年度 H18年度 H19年度 H20年度超10Gｼｽﾃﾑ向け研究開発

高周波実装技術確立

仕様決定 試作・組立1次試作

4

10Gシステム向け研究開発の成果（富士通株式会社）

5

インパルス無線方式通信システム

フィルタ 送信増幅器

アンテナ

ミリ波パルス

受信増幅器

検波器短パルス発生器

RF送信部 RF受信部

10 Gbpsデータ

10 Gbpsデータ

フィルタ 送信増幅器

アンテナ

受信増幅器

RF送信部 RF受信部

10 Gbpsデータ

10 Gbpsデータ

ミリ波発振器

ミキサ

周波数安定化回路

ドライバ増幅器

インパルス無線方式・ミリ波発振器・ミキサなど部品点数削減による小型化が可能・ベースバンド部の高品質クロックによりミリ波パルスの高品質化（低雑音化）が可能

従来方式（搬送波方式）-160

-140

-120

-100

-80

-60

1 10 100周波数（GHz）

位相

雑音

（dB

c/Hz

）

ﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄﾞ信号源

短パルス発生器

発振器

70 GHz以上で発振器同等以上の低雑音性確認-102 dBc/Hz@80 GHz

Cf. SiGe VCO -105 dBc @75 GHz

発振器と短パルス発生器の位相雑音比較

6

インパルス無線RF送信部の構成

ﾌｨﾙﾀ 高出力増幅器

ｱﾝﾃﾅﾐﾘ波ﾊﾟﾙｽ

短ﾊﾟﾙｽ発生器

10 Gbpsﾃﾞｰﾀ

1.9×1.7 mm0.7 W

6.5 ps

0.75 V

12.5 Gbps出力ﾊﾟﾙｽ

ｼﾞｯﾀ：256 fs rms

世界最高性能

11070周波数 (GHz)

通過損失

(dB

)

9050

-10

-20

0

-30

-40

-50

通過損失1.5±0.1 dB

反射

(dB

)

-10

-20

0

-30

-40

-50

通過帯域：78～93 GHz

3.6×3.6 mm

0.1 µm InP HEMT

7

インパルス無線RF送信部の特性

70 x 56 x 20 mm

ﾐﾘ波ﾊﾟﾙｽ

InP HEMT短ﾊﾟﾙｽ発生器 ﾌｨﾙﾀ

76 mV100 ps

78-93 GHz ﾐﾘ波ﾊﾟﾙｽ波形10 Gbps PRBS 231-1平均電力：-26 dBm

70-100 GHzで世界初となるON/OFF変調ｲﾝﾊﾟﾙｽ無線送信機を実現

8

インパルス無線RF受信部の構成

ｱﾝﾃﾅ

低雑音ｱﾝﾌﾟ(LNA)

検波器(DET)

ﾘﾐｯﾄｱﾝﾌﾟ(LA)

10 Gbps復号ﾃﾞｰﾀ

包絡線検波

70 80 90 100 110

0

-20

-40

Frequency (GHz)

S-pa

ram

eter

s (d

B)

40

20

-20

-60

-100

Gro

up d

elay

, τg

(ps)

60

20

S21

S11

τg

S22

0

20

40

60

80

100

120

140

75 80 85 90 95 100 105 110

Frequency (GHz)

Sensi

tivi

ty (

V/W

)

Matching circuit

Diode LPF

In Out

1.5 x 0.9 mm

2.6 x 1.4 mm

In OutInP HEMT LNA InP HEMT DET感度~120 V/W

9

インパルス無線RF受信部の特性

70 x 56 x 20 mm

ﾐﾘ波ﾊﾟﾙｽLNA

DETﾘﾐｯﾄｱﾝﾌﾟ 40 mV

100 ps

170 mV

100 ps

10 Gbps、PRBS 231-1

DET出力

受信機出力

70-100 GHzで世界初となるON/OFF変調ｲﾝﾊﾟﾙｽ無線受信機を実現

10 Gbps、PRBS 231-1

10

ベースバンド信号処理ボード

XFPSERDES

FPGA#1(IO)

OH/FEC LSIIFX30009

SERDES

FPGA#2(CTL)

V11Transceiver

PLD

FLASH

SRAM

16paraM

16paraM

16paraM

16paraM

16paraM

16paraM

Duple

xLC

DSUB9pin

1/4

同軸

同軸端子

同軸端子

同軸端子

ＰＬＬ669/693M

OSC48M

ＰＬＬ622/644M

622/693M_REF

OPT_IN

OPT_OUT

10G_OUT(DATA)

10G_IN(DATA)

CLK

CLK CLK CLK

POWERDC/DC

DC +5V DC +1.5V

DC +1.8V

DC +2.5V

SW LED

ジョンソン端子

CLKCLKROM

CLK_OUT1

CLK_OUT2

同軸端子

10G_OUT(CLK)

DC +1.2V

DC +3.3V

DC +5.0V

AMP

DC +1.2V

DC +2.5V

OC-192(10GbE)対応

10G_OUT(Monitor)

SPITransceiver

DSUB25pin

電源

XFP

Serdes

FPGA

FPGA

OH FEC

光ﾄﾗﾝｼｰﾊﾞ

電気信号

光信号

XFPSerdes Serdes

OH FEC

FPGA

FPGA

300×230 mm、+5 V、20 W

主な機能：１．光ﾌｧｲﾊﾞｲﾝﾀｰﾌｪｰｽ（E/O、O/E変換）２．受信クロックデータ再生（CDR）３．プロトコル選択（OC-192／10GbE）４．誤り訂正機能（FEC）

主な特性：１．送信データ：振幅0.5 Vpp、ジッタ2.4 ps rms２．受信感度：25 mVpp（差動）

光ﾌｧｲﾊﾞ系ｲﾝﾀｰﾌｪｰｽ搭載10Gbpsﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄﾞ信号処理ﾎﾞｰﾄﾞを実現

11

10 Gbpsインパルス無線ミリ波通信装置

システム構成

システム諸元

無線伝送実験結果

1.0E-12

1.0E-10

1.0E-08

1.0E-06

1.0E-04

1.0E-02

0 5 10 15 20 25 30 35

ホーンアンテナ間距離(cm)

BER

0 10 20 30送受信機間の距離 (cm)

10-12

ビット誤

り率

10-6

10-8

10-10

10-4

10-2

OC-192, FEC OnPN31

RF送信部 RF受信部

送信信号処理部受信信号処理部

10 Gbps光信号（入力） （出力）

方 式 インパルス無線、ON/OFF変復調、包絡線検波

周波数帯域 78-93 GHz (15 GHz)

送信電力 -26 dBm (10 Gb/s, PN31)

受信感度 >-36 dBm (Revised version)

アンテナ Horn (23 dBi)

プロトコル OC-192/10GbE

誤り訂正 G.709 v2, RS(255, 239), 7%OH

入出力I/F Serial Optical I/F (1310 nm)

インパルス無線ミリ波通信装置として世界で初めて、10 Gbpsを超える無線伝送に成功

原理実証を達成

12

実用システムへの展望

降雨時伝送距離3 kmの回線設計 屋外伝送試験用架体

・送信高出力増幅器の追加

・受信感度向上（低雑音増幅器、検波器）

・高指向性アンテナ採用

により、降雨時3 km程度の伝送距離が得られる見通し

高指向性レンズアンテナ

1 m

光ファイバ

晴天 霧雨 大雨雨量 0 0 25 [mm/h]周波数 [GHz]伝送速度 [Gb/s]送信電力 [dBm]送信部給電損失 [dB]送信アンテナ利得 [dBi]伝播距離 [m]自由空間伝播損失 [dB]酸素吸収 [dB]降雨減衰 0 1 36 [dB]受信アンテナ利得 [dBi]受信部給電損失 [dB]受信電力 -24 -25 -60 [dBm]バンド幅 [GHz]熱雑音 [dBm]雑音指数 [dB]S/N 46 45 10 [dB]

1401.2

501

19150

3000

10

4-74

8510

13

超10Gシステム向け研究開発の成果（富士通株式会社、独立行政法人 情報通信研究機構）

14

超高速InP HEMT技術

10001010.1Frequency (GHz)

100Cu

rrent

gain

(dB) 50

40

20

0

60

30

10

|h21|2

with CV

w/o CV 517 GHz

404 GHz

150100500Lr (nm)

1.8

1.6

1.4

1.2

2.0

g m(S

/mm

)

Lg=90 nm450

400

350

300

500

ｆ T(G

Hz)

Lr=90 nm

Lr=50 nm

4003002001000Lg (nm)

400

300

200

100

0

500

f T(G

Hz)

(Lg =80 nm): gm >1.9 S/mm, fT >450 GHz (配線前)

PD

D

InP substrate

d

i-InAlAs

G

i-InAlAs

i-InGaAs

n-InGaAs

S

i-InP

i-InAlAs

Lg Lr

Horizontal scaling Vertical scaling

Lr

ｽｹｰﾘﾝｸﾞによる高速化

寄生容量低減による高速化

Cavity

DrainGateSource DrainSiN

AuAu

BCBCavity

DrainGateSource DrainSiN

AuAu

BCB

空洞構造

15

超10 Gbpsシステム用超短パルス発生器MMIC

超100GHz 超10Gbpsに必要な半値幅<5psのﾊﾟﾙｽを実現

CLKNQQ

DATA

0.8 W, 2.4 x 1.7 mm

NRZ/RZ conv.

Delay ctrl. PG core

0

3

6

9

12

15

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

西暦　（年）

パルス半値幅　（ps）

130nm

130nm100nm

100nm

75nm

基幹用ﾐﾘ波Prj

短パルス性能の進展

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

15

12

9

6

3

0

ﾊﾟﾙｽ半

値幅

（ps

）

年 度

・ ﾃﾞﾊﾞｲｽ性能向上により、ﾊﾟﾙｽ幅を63%短縮・ 適用可能周波数を160 GHzまで伸張

75 nm InP HEMT短パルス発生器

16

低雑音増幅器MMIC集積回路の試作開発 (1)

InP-HEMTおよびMMICの歩留まり・信頼性向上を目指し、プロセスの簡略化を実施．

ゲート長 Lg = 35 nmのInP-HEMTにおいて遮断周波数 fT = 520 GHzおよび最小雑音指

数 NFmin = 1.0 dB (周波数 90 GHz)を達成．

InP-HEMTの断面TEM写真(ゲート長 Lg = 35 nm)

0.1 1 10 100 10000

20

40

60

80

-20 dB/decade

Ug

|h21|2

Cur

rent

gai

n (d

B)

Frequency (GHz)

Vds = 0.8 VVgs = 0.0 V

・

Freq. = 90 GHz (Source-pull)

fT = 520 GHzfmax = 425 GHz

同一バイアス条件にて、高速・高周波、低雑音特性を実現

Vds = 0.8 V Vgs = 0.0 V

NFmin = 1.0 dB

(b) ノイズサークル (90 GHz)(a) 高周波特性

17

70 80 90 100 110 120-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Vd = 1.1 VVg = -0.4 VId = 87 mA

|S12|2

|S22|2

|S21|2

S-pa

ram

eter

s (d

B)

Frequency (GHz)

|S11|2

Freq. = 79 GHz(Source-pull)

Id = 87 mA Vds = 1.1 VVgs = -0.4 V

・

Ga = 20.6 dB NFmin = 2.25 dB Vds = 1.1 VVgs = -0.4 V

3段構成 InP-MMICチップ(1.43×2.68 mm2)

利得 20 dB以上、雑音指数 3 dB以下の低雑音増幅器MMIC の開発に成功

(d) ノイズサークル (79 GHz)(c) 利得の周波数依存性

InP-HEMT (Lg = 50 nm)fmax = 550 GHz、fT = 450 GHz

前述デバイス技術により作製された最大発振周波数 fmax = 550 GHzのInP-HEMT

(Lg = 50 nm)を用いて、3段構成低雑音増幅器 MMICを作製．

利得 Ga = 20.6 dBおよび最小雑音指数 NFmin = 2.25 dBを周波数 79 GHzで達成．

低雑音増幅器MMIC集積回路の試作開発 (2)

18

研究成果のまとめ（富士通株式会社、独立行政法人 情報通信研究機構）

19

■ 本プロジェクトの意義・70-100GHｚ帯ミリ波を用いたパルス通信システムの基盤技術を開発し、その原理実証

を行うとともに、伝送距離1-3 km、ビット誤り率10-5以下、伝送速度10 Gbpsを実現するための回線設計を行うことで、電波資源拡大への有効性を明らかにした。

■ 開発成果概要・短パルス発生器を用いたミリ波無線通信システムで10 Gbpsエラーフリー伝送に成功

（世界初）・将来の超10 Gbps伝送システムに向けて

パルス幅5 ps以下の短パルス発生器MMIC利得20 dB以上、雑音指数3 dB以下の低雑音増幅器MMIC

を実現・特許出願：国内21件、外国11件、発表・論文等：57件

■ 実用化へのステップ本研究開発により、光ファイバ敷設が困難な山間僻地、離島等へのデジタルデバイド解

消用無線回線や、災害時緊急回線等への利用に向けた、基幹用ミリ波無線通信システムの中核技術を開発し、性能を実証した。フィールド試験において、天候などに起因するチャネル変動への適応制御機能を検討・付加していくことで、実用化が可能となる。なお、実際の導入に向けては、周波数割当や、利用者（事業者）ニーズに基づく機能要件等を踏まえ、実用仕様を検討するとともに実験、評価を重ねることが望ましい。

研究成果のまとめ