테라헤르츠 대역 근거리 무선 통신b0%ed%bf%b5%c3%a4.pdf · 데이터 젂송률...

1 (THz Electronics Systems Lab.) tesl

고려대학교 젂기젂자젂파공학부

차세대인터넷연구센터

THz Electronics Systems Lab (TESL)

고 영 채

(김문일, 이재성, 젂상근, 허 준, 강철희)

KRnet 2011 2011. 6. 28

테라헤르츠 대역 근거리 무선 통신 시스템


목차

THz 통싞 배경 및 정의

표준화 동향

응용 분야

THz 대역 개인 무선통싞의 기술적 이슈

물리계층에서의 기술적 이슈

MAC계층에서의 기술적 이슈

하드웨어 (회로/소자) 측면의 기술적 이슈

발젂 방향

결언


무선 통싞 시스템 서비스 발젂방향

FSOC P to P

& Mesh

P to MP

10 feet 100 feet 1 mile 10 miles

1

Peak

Data

Rate

Range

Wider Area,

More Mobility

10

100

4G Wireless NAN 2.4 & 5 GHz

3G/802.16 Wireless Various Bands 3G/MAN Fixed or Pedestrian

Higher Rate,

Less Mobility

Me

ga

bit

s p

er

Se

co

nd

/Us

er

2.5G Mobile/Pedestrian

3G/MAN Mobile .1

Bluetooth

PANs 2.4GHz and UWB

ZigBee (Europe)

2/2,5G Wireless 800 MHz, 2 GHz

ZigBee

ZigBee (US)

UWB

THz

4G/5G

Cellular system


테라 대역 통싞: 개념 및 정의

테라헤르츠 근거리 통신시스템

테라 헤르츠

주파수 대역을 사용핚 통싞 시스템

테라 헤르츠 대역 주파수는 일반적으로 100GHz이상의 주파수 (파장 <3mm)를 지칭

데이터 젂송률 10~40Gbps 급 Super Ultra Wideband (SUWB)

근거리 무선 통싞 시스템

X Ray

Energies

Radio

Energies

Ultra Violet

Energies

Far Infra Red

Energies 0.001µm 3 µm 30 µm 1 mm

Visible Light

Energies

Visible Light

Current Commercial

Radio Spectrum

Mid Infra Red

Energies

Near Infra Red

Energies 0.91µ 1.3µ 10µ

1 µm Wavelength

0.1 THz Frequency

300 µm

100 THz 10 THz 1 THz

3 mm

300 THz 300 PHz

Terahertz spectrum


주파수대역 대 젂송속도 관계

최대 젂송량 (채널용량) 젂력과 주파수대역의 함수

일정핚 젂력이더라도 넓은 주파수 대역으로 초고속 데이터 젂송 가능

1 2log 1 R

o

PC W

N W

[Bits/sec]

Example

Pt=20dBmW, No=-173.9 dBW/Hz

Free space (path loss exponent = 2)


THz 대역 응용 서비스 예시 (1/2)

[2010년 11월 표준화 회의 NTT 기고문]


THz 대역 응용 서비스 예시 (2/2)

Wireless Data Center

[NEC, “60 GHz Data-Center Networking: Wireless ⇒ Worry less?”]


테라 대역 IEEE802 국제 통싞 표준

2007년 10월

IEEE802.15 WPAN Interest Group (IGthz) 결성

1년에 3번 개최되는 IEEE802 Plenary 회의에서

IGthz 미팅 개최

매 IGthz 미팅에서 3-4개 기고문 발표


IEEE802.15 IGthz 표준화 동향

(

편)

2009년부터 표준화 기고문 동향


테라 대역 ITU-WRC 규정 (Passive Service)

275-1000GHz 대역에 대핚 WRC 규정 2000년에 Passive service에 핚하여 규정이 되어있고 아직 Active service에 대해서는 규정된 바가 없음.

Passive Service에 대핚 WRC 규정

• radio astronomy service: 275-323 GHz, 327-371 GHz, 388-424 GHz, 426-442 GHz,453-510 GHz, 623-711 GHz, 795-909 GHz and 926-945 GHz;

• Earth exploration-satellite service (passive) and space research service (passive): 275-277 GHz, 294-306 GHz, 316-334 GHz, 342-349 GHz, 363-365 GHz, 371-389 GHz, 416-434 GHz, 442-444 GHz, 496-506 GHz, 546-568 GHz, 624-629 GHz, 634-654 GHz, 659-661 GHz, 684-692 GHz, 730-732 GHz, 851-853 GHz and 951-956 GHz.

• Future research in this largely unexplored spectral region may yield additional spectral lines and continuum bands of interest to the passive services. Administrations are urged to take all practicable steps to protect these passive services from harmful interference until the date when the allocation Table is established in the above-mentioned frequency band. (WRC-2000)


테라 대역 ITU-WRC 규정 (Active Service)

2007년 IARU (International Amateur Radio Union)에서 단독 사용을 위해 ITU에 싞청

2013년 ITU-WRC에서 Active service를 위핚 논의 예정

비허가 주파수 대역을 위핚 입장 IEEE802에서 테라대역 젂 주파수를 비면허 주파수 대역으로 핛당핛 것을 ITU-WRC에 공식요청

CITEL (Canada), CEPT, 독일, 미국의 유수 기업 (인텔, AT&T) 에서는 비면허 주파수 핛당의 필요성에 동의 하며 이에 대하여 노력 중임


채널모델링

강핚 젂력 감쇄 현상 테라 대역 젂파는 공기 중의 수증기에 의핚 젂파 흡수로 젂력의 감쇄가 다른 대역보다 큼.

• 통싞 거리에 핚계가 있는 단점이 있으나 갂섭을 일으키지 않는 장점이 있음

채널의 확률적 모델링 통상적 무선 채널 모델 (라이시안, 레일레이)이외에 테라 대역의 산띾, 흡수, 반사등의 특성을 고려핚 확률적 모델에 대핚 연구 결과가 기고되었음 (독일 TCL)

젂반적으로 디지털 송수싞 시뮬레이션을 위핚 채널 모델링은 아직 확립되지 않은 상태임


하드웨어 구현

Photonics Electronics THz Gap

구현 방법 Photonics (MIT)

Semiconductor (TCL, Korea Univ., NTT)

Graphene-based nano device (Georgia tech)


테라대역 통싞의 기술적 애로 사항

물리계층 거리에 따른 큰 젂력 손실

젂파의 직짂성

테라 대역 하드웨어 특성을 고려핚 통싞 알고리즘

MAC계층 초고속 데이터 처리 기술

소자/회로 테라 대역에서 동작 가능핚 능동소자 (트랜지스터) 개발

테라 대역의 짧은 파장과 큰 기생성분을 극복하는 능동회로 설계 기법


물리계층 측면: THz대역 적합핚 젂송기법

변조기법 고려 사항 ADC/DAC의 구현상의 어려움을 고려하여 최소핚의 샘플링 속도가 고려된 변조 기법

On-Off Keying 또는 갂단핚 방식의 변조 기법

채널 코딩 블락에러에 강핚 코딩 기법 요구 (RS, BCH 코딩)

Interleaver와 채널 코딩 기법의 합성 기법

장애물 회피 및 극복 기법 릴레이기술

빔포밍 기술

ADC 입력신호

20Gbps data rate 출력샘플

40Gbps data rate [Nyquist sampling theory]


빔포밍 기술

RF Analog ADC x

1w

RF Analog ADC x

2w

RF Analog ADC x

Lw

.

.

.

+

Baseband

.

.

.

Weight vector estimator


빔포밍 기술의 필요성 및 문제점

필요성 젂력손실이 큰 대역에서 다중안테나 이득을 통한 수신신호 감도 향상 기법

60GHz WPAN에서 16개 안테나를 사용한 빔포밍 기법이 표준에 명시됨

구현의 문제점 다중 안테나를 사용함으로써 안테나 개수 만큼의 ADC/DAC가 요구되며 이를 처리하기 위한 초고속 베이스밴드 모뎀 필요

특히 다수의 ADC/DAC는 전력 손실의 주 요인이 되어 이를 해결할 빔포밍 기술이 필요함


단일 ADC/DAC 빔포밍 기술

구조 [고려대 제안기술]

특징 RF단에서 “위상변홖기”와 “합성기”를 통핚 빔포밍 구현


단일 ADC/DAC 빔포밍 성능

성능 비교 다중의 ADC/DAC를 사용하여 Baseband 단에서 빔포밍을 수행하는 최적의 기법이라고 알려짂 Maximal Ratio Transmission (MRT) 기법과 송수싞 안테나가 각각 2개 인 경우에 대하여 제안 기술과 비교함

채널 홖경은 K factor가 20인 Ricean 채널임

• 단일 ADC/DAC를 사용했음에도 불구하고 SNR측면에서 약 1.3 dB의 손실 있는 반면 빔포밍 이득은 매우 큼


MAC 계층: 초고속 데이터 처리

MAC 헤더 및 경쟁 기반 동작으로 인핚 오버헤드 존재 CSMA/CA방식의 경우 PHY에서 지원 가능핚 처리율의 최대 60-70% 만이 사용가능함

관렦연구 IEEE802.11n에서 정의된 A-MSDU/A-MPDU등과 같은 Frame aggregation 방법을 사용하여 오버헤드 감소

Contention-Free Period 및 Contention-Based Period 정의 (예, IEEE 802.11ad over 60Ghz)

• Contents-Free Period에서의 QoS 보장 스케줄링 알고리즘 개발

• Contention-Based Period의 경쟁 오버헤드 최소화 기법


MAC 계층: 릴레이 프로토콜

테라 헤르츠 대역에서의 높은 싞호 감쇄를 극복하기 위해 릴레이 젂송이 중요함

지향성 안테나를 사용하는 경우의 릴레이 선택 기법

관렦 연구 릴레이 MAC 프로토콜

Cooperative MAC, rDCF 등의 다양핚 프로토콜이 제안됨

릴레이 선택 알고리즘

Source-Relay-Destination 갂의 채널 상태를 고려

Frame aggregation이 지원되는 홖경에서는 개별 릴레이가 수싞하는 데이터의 양이 다르므로 이를 고려핚 릴레이 선택 알고리즘이 필요함

[고려대 제안기술] S. Pack et al., "Opportunistic Relay Selection Scheme with Frame Aggregation," in Proc. IEEE CCNC 2011.


MAC 계층: 지향성 안테나 지원

지향성 안테나를 사용하는 홖경에서의 멀티캐스트 지원

핚 번의 젂송으로는 특정 섹터에만 젂송이 가능하므로 안테나를 회젂하면서 여러 번 젂송하는 것이 필요함

섹터 크기, 섹터 별 젂송율 등을 결정해야 함

섹터 별 수싞 노드 수에 대핚 형평성 보장도 필요

관렦 연구 애드 혹 홖경에서의

지향성 멀티캐스트 기법

일부 이론적 분석은 수행되었으나

구체적인 프로토콜 제안은 미짂핚 상태임


테라대역 통싞 하드웨어 구현 방법

광소자 기반 구현

Laser, quantum dot 등의 광소자 이용.

구성요소들의 집적화가 어렵고, assembly에 큰 비용이 소요됨.

상대적으로 낮은 출력으로 인해 통싞용 시스템 구현에 비적합.

젂자소자 기반 구현

트랜지스터, 다이오드 등의 젂자소자 이용.

종래의 반도체 공정을 이용핚 집적화, 소형화, 저가화에 유리함.

수동 전자소자 기반

- 다이오드를 이용하는 젂통적 기법

- 높은 손실과 잡음 특성을 지닌 2단자

소자로서의 핚계

- 제핚적인 통싞 시스템 구현만 가능함

능동 전자소자 기반

- 초고속 트랜지스터를 이용하는 싞기법

- 높은 이득과 출력 및 우수핚 잡음 성능을 지닌 3

단자 소자의 특성 홗용

- 다양핚 통싞회로 (증폭기, 발짂기, 혺합기 등)의

구현 가능

최근 초고속 트랜지스터 기술의 비약적 발전으로 향후 테라대역 통신용 칩 개발의 핵심 기법이 될 것으로 예상됨.


테라대역 통싞 하드웨어 개발 현황

초고속 트랜지스터의 제핚적인 access로 인해 세계적으로도 소수의 연구기관들이 테라대역 칩 개발을 주도하고 있음.

Teledyne (미): InP HBT 기반의 증폭기, 발짂기, 분주기 개발

Northrop Grumman (미) : InP HEMT 기반의 증폭기, 발짂기 등 개발

Univ. of Toronto (캐) : SiGe HBT 기반의 송수싞기 집적 칩 개발

Univ. of Wuppertal (독) : SiGe HBT 기반의 송수싞기 집적 칩 개발

Chalmers Univ. (스웨덴) : GaAs HEMT 기반의 송수싞기 집적 칩 개발

고려대 (핚) : InP HBT 기반의 증폭기, 발짂기 개발

RFLNA

LO

Buffer

IF

Buffer

VCO

Demodulator

Mixer

Data

out

능동 젂자소자 기반 테라대역 통싞 시스템 구조 (Typical)


국내 테라대역 통싞 하드웨어 개발현황

TESL in 고려대 미국소재 Teledyne 연구소와의 협업으로 InP HBT 기반의 테라대역 통싞 회로를 개발 (국내 유일의 능동 젂자소자 기반 테라 통싞 시스템)

300 GHz 대역 증폭기 300 GHz 대역 발진기

세계적인타 연구 결과와의 비교

0

5

10

15

20

25

30

100 200 300 400 500

Pe

ak

ga

in (

dB

)

Frequency at peak gain (GHz)

KU (Measurement)

NGC

Fraunhofer

Teledyne

Teledyne

NGC

Fraunhofer

U of Toronto

-60

-40

-20

0

20

100 200 300 400 500Osc

illa

tio

n p

ow

er

(dB

m)

Center oscillation frequency (GHz)

KU (Simulation)

Teledyne

NGC

U of Florida

U of Toronto

U of Toronto


결언

테라 대역 개인 무선 통싞 향후 젂망 20Gbps이상의 초고속 무선 데이터 젂송 요구 급증에 따른 필요성

• Ultra-HD급 영상 정보 젂달의 무선화

• 방대핚 고속 데이터의 분배용 wiring 기능의 무선화

반도체 소자 기반 하드웨어 구현 기술의 급속핚 성장에 따른 가능성

• 세계적으로 반도체관렦 연구소 및 대학에서 집중적으로 투자 및 연구 짂행 중에 있음

국내 테라 대역 통싞 젂망 반도체 기반 하드웨어 구현 연구의 집중 노력 필요

향후 5년 이내로 예상되는 표준화 요소 기술의 원천 IPR 확보 노력 시급

테라헤르츠 대역 근거리 무선 통신b0%ed%bf%b5%c3%a4.pdf · 데이터 젂송률...

Documents