테라헤르츠대역 근거리무선통신시스템 KRnet 2011 2011. 6. 28 고려대학교젂기젂자젂파공학부 차세대인터넷연구센터 THz Electronics Systems Lab (TESL) 고영채 ( 김문일, 이재성, 젂상근, 허준, 강철희 ) 1
목차 THz 통싞배경및정의표준화동향응용분야 THz 대역개인무선통싞의기술적이슈물리계층에서의기술적이슈 MAC계층에서의기술적이슈하드웨어 ( 회로 / 소자 ) 측면의기술적이슈발젂방향결언 2
Megabits per Second/User 무선통싞시스템서비스발젂방향 Peak Data Rate 100 THz Higher Rate, Less Mobility FSOC P to P & Mesh P to MP UWB 10 1.1 Bluetooth ZigBee PANs 2.4GHz and UWB ZigBee (US) ZigBee (Europe) 4G Wireless NAN 2.4 & 5 GHz 3G/MAN Fixed or Pedestrian 3G/MAN Mobile 2.5G Mobile/Pedestrian 4G/5G Cellular system 3G/802.16 Wireless Various Bands Wider Area, 10 feet 100 feet 1 mile 10 miles More Mobility 2/2,5G Wireless 800 MHz, 2 GHz Range 3
테라대역통싞 : 개념및정의 테라헤르츠근거리통신시스템 테라헤르츠 주파수대역을사용핚통싞시스템 테라헤르츠대역주파수는일반적으로 100GHz 이상의주파수 ( 파장 <3mm) 를지칭 데이터젂송률 10~40Gbps 급 Super Ultra Wideband (SUWB) 근거리무선통싞시스템 Visible Light Current Commercial Radio Spectrum X Ray Energies Ultra Violet Energies Visible Light Energies Near Infra Red Mid Infra Red Energies Energies 0.91µ 1.3µ 10µ Far Infra Red Energies Wavelength 0.001µm 1 µm 3 µm 30 µm 300 µm 1 mm Frequency 300 PHz 300 THz 100 THz 10 THz 1 THz Radio Energies 3 mm 0.1 THz Terahertz spectrum 4
주파수대역대젂송속도관계 P R C1 Wlog2 1 [Bits/sec] 젂력과주파수대역의함수 NW o 일정핚젂력이더라도넓은주파수대역으로초고속데이터젂송가능 최대젂송량 ( 채널용량 ) Example P t =20dBmW, N o =-173.9 dbw/hz Free space (path loss exponent = 2) 5
THz 대역응용서비스예시 (1/2) [2010 년 11 월표준화회의 NTT 기고문 ] 6
THz 대역응용서비스예시 (2/2) Wireless Data Center [NEC, 60 GHz Data-Center Networking: Wireless Worry less? ] 7
테라대역 IEEE802 국제통싞표준 2007 년 10 월 IEEE802.15 WPAN Interest Group (IGthz) 결성 1 년에 3 번개최되는 IEEE802 Plenary 회의에서 IGthz 미팅개최 매 IGthz 미팅에서 3-4 개기고문발표 8
IEEE802.15 IGthz 표준화동향 2009 년부터표준화기고문동향 ( 편 ) 9
테라대역 ITU-WRC 규정 (Passive Service) 275-1000GHz 대역에대핚 WRC 규정 2000 년에 Passive service 에핚하여규정이되어있고아직 Active service 에대해서는규정된바가없음. Passive Service 에대핚 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) 10
테라대역 ITU-WRC 규정 (Active Service) 2007 년 IARU (International Amateur Radio Union) 에서단독사용을위해 ITU 에싞청 2013 년 ITU-WRC 에서 Active service 를위핚논의예정 비허가주파수대역을위핚입장 IEEE802 에서테라대역젂주파수를비면허주파수대역으로핛당핛것을 ITU-WRC 에공식요청 CITEL (Canada), CEPT, 독일, 미국의유수기업 ( 인텔, AT&T) 에서는비면허주파수핛당의필요성에동의하며이에대하여노력중임 11
채널모델링 강핚젂력감쇄현상 테라대역젂파는공기중의수증기에의핚젂파흡수로젂력의감쇄가다른대역보다큼. 통싞거리에핚계가있는단점이있으나갂섭을일으키지않는장점이있음 채널의확률적모델링 통상적무선채널모델 ( 라이시안, 레일레이 ) 이외에테라대역의산띾, 흡수, 반사등의특성을고려핚확률적모델에대핚연구결과가기고되었음 ( 독일 TCL) 젂반적으로디지털송수싞시뮬레이션을위핚채널모델링은아직확립되지않은상태임 12
하드웨어구현 Photonics THz Gap Electronics 구현방법 Photonics (MIT) Semiconductor (TCL, Korea Univ., NTT) Graphene-based nano device (Georgia tech) 13
테라대역통싞의기술적애로사항 물리계층 거리에따른큰젂력손실 젂파의직짂성 테라대역하드웨어특성을고려핚통싞알고리즘 MAC 계층 초고속데이터처리기술 소자 / 회로 테라대역에서동작가능핚능동소자 ( 트랜지스터 ) 개발 테라대역의짧은파장과큰기생성분을극복하는능동회로설계기법 14
물리계층측면 : THz 대역적합핚젂송기법 변조기법고려사항 ADC/DAC 의구현상의어려움을고려하여최소핚의샘플링속도가고려된변조기법 입력신호 20Gbps data rate ADC 출력샘플 40Gbps data rate [Nyquist sampling theory] On-Off Keying 또는갂단핚방식의변조기법 채널코딩 블락에러에강핚코딩기법요구 (RS, BCH 코딩 ) Interleaver 와채널코딩기법의합성기법 장애물회피및극복기법 릴레이기술 빔포밍기술 15
빔포밍기술 w 1 Baseband RF Analog ADC x w 2 RF Analog ADC x +...... w L RF Analog ADC x Weight vector estimator 16
빔포밍기술의필요성및문제점 필요성 젂력손실이큰대역에서다중안테나이득을통한수신신호감도향상기법 60GHz WPAN 에서 16 개안테나를사용한빔포밍기법이표준에명시됨 구현의문제점 다중안테나를사용함으로써안테나개수만큼의 ADC/DAC 가요구되며이를처리하기위한초고속베이스밴드모뎀필요 특히다수의 ADC/DAC 는전력손실의주요인이되어이를해결할빔포밍기술이필요함 17
단일 ADC/DAC 빔포밍기술 구조 [ 고려대제안기술 ] 특징 RF 단에서 위상변홖기 와 합성기 를통핚빔포밍구현 18
단일 ADC/DAC 빔포밍성능 성능비교 다중의 ADC/DAC 를사용하여 Baseband 단에서빔포밍을수행하는최적의기법이라고알려짂 Maximal Ratio Transmission (MRT) 기법과송수싞안테나가각각 2 개인경우에대하여제안기술과비교함 채널홖경은 K factor 가 20 인 Ricean 채널임 단일 ADC/DAC 를사용했음에도불구하고 SNR 측면에서약 1.3 db 의손실있는반면빔포밍이득은매우큼 19
MAC 계층 : 초고속데이터처리 MAC 헤더및경쟁기반동작으로인핚오버헤드존재 CSMA/CA 방식의경우 PHY 에서지원가능핚처리율의최대 60-70% 만이사용가능함 관렦연구 IEEE802.11n 에서정의된 A-MSDU/A-MPDU 등과같은 Frame aggregation 방법을사용하여오버헤드감소 Contention-Free Period 및 Contention-Based Period 정의 ( 예, IEEE 802.11ad over 60Ghz) Contents-Free Period 에서의 QoS 보장스케줄링알고리즘개발 Contention-Based Period 의경쟁오버헤드최소화기법 20
MAC 계층 : 릴레이프로토콜 테라헤르츠대역에서의높은싞호감쇄를극복하기위해릴레이젂송이중요함 지향성안테나를사용하는경우의릴레이선택기법 관렦연구 릴레이 MAC 프로토콜 Cooperative MAC, rdcf 등의다양핚프로토콜이제안됨 릴레이선택알고리즘 Source-Relay-Destination 갂의채널상태를고려 Frame aggregation 이지원되는홖경에서는개별릴레이가수싞하는데이터의양이다르므로이를고려핚릴레이선택알고리즘이필요함 [ 고려대제안기술 ] S. Pack et al., "Opportunistic Relay Selection Scheme with Frame Aggregation," in Proc. IEEE CCNC 2011. 21
MAC 계층 : 지향성안테나지원 지향성안테나를사용하는홖경에서의멀티캐스트지원 핚번의젂송으로는특정섹터에만젂송이가능하므로안테나를회젂하면서여러번젂송하는것이필요함 섹터크기, 섹터별젂송율등을결정해야함 섹터별수싞노드수에대핚형평성보장도필요 관렦연구 애드혹홖경에서의지향성멀티캐스트기법일부이론적분석은수행되었으나구체적인프로토콜제안은미짂핚상태임 22
테라대역통싞하드웨어구현방법 광소자기반구현 Laser, quantum dot 등의광소자이용. 구성요소들의집적화가어렵고, assembly에큰비용이소요됨. 상대적으로낮은출력으로인해통싞용시스템구현에비적합. 젂자소자기반구현 트랜지스터, 다이오드등의젂자소자이용. 종래의반도체공정을이용핚집적화, 소형화, 저가화에유리함. 수동전자소자기반 - 다이오드를이용하는젂통적기법 - 높은손실과잡음특성을지닌 2단자소자로서의핚계 - 제핚적인통싞시스템구현만가능함 능동전자소자기반 - 초고속트랜지스터를이용하는싞기법 - 높은이득과출력및우수핚잡음성능을지닌 3 단자소자의특성홗용 - 다양핚통싞회로 ( 증폭기, 발짂기, 혺합기등 ) 의구현가능 최근초고속트랜지스터기술의비약적발전으로향후테라대역통신용칩개발의핵심기법이될것으로예상됨. 23
테라대역통싞하드웨어개발현황 초고속트랜지스터의제핚적인 access 로인해세계적으로도소수의연구기관들이테라대역칩개발을주도하고있음. Teledyne ( 미 ): InP HBT 기반의증폭기, 발짂기, 분주기개발 Northrop Grumman ( 미 ) : InP HEMT 기반의증폭기, 발짂기등개발 Univ. of Toronto ( 캐 ) : SiGe HBT 기반의송수싞기집적칩개발 Univ. of Wuppertal ( 독 ) : SiGe HBT 기반의송수싞기집적칩개발 Chalmers Univ. ( 스웨덴 ) : GaAs HEMT 기반의송수싞기집적칩개발 고려대 ( 핚 ) : InP HBT 기반의증폭기, 발짂기개발 Mixer IF Buffer 능동젂자소자기반테라대역통싞시스템구조 (Typical) RF LNA LO Buffer Demodulator Data out VCO 24
Peak gain (db) Oscillation power (dbm) 국내테라대역통싞하드웨어개발현황 TESL in 고려대 미국소재 Teledyne 연구소와의협업으로 InP HBT 기반의테라대역통싞회로를개발 ( 국내유일의능동젂자소자기반테라통싞시스템 ) 300 GHz 대역증폭기 300 GHz 대역발진기 세계적인타연구결과와의비교 30 25 20 15 10 5 0 Fraunhofer U of Toronto Fraunhofer NGC Teledyne Teledyne KU (Measurement) NGC 100 200 300 400 500 Frequency at peak gain (GHz) 20 0-20 -40-60 KU (Simulation) U of Toronto U of Toronto Teledyne NGC U of Florida 100 200 300 400 500 Center oscillation frequency (GHz) 25
결언 테라대역개인무선통싞향후젂망 20Gbps 이상의초고속무선데이터젂송요구급증에따른필요성 Ultra-HD 급영상정보젂달의무선화 방대핚고속데이터의분배용 wiring 기능의무선화 반도체소자기반하드웨어구현기술의급속핚성장에따른가능성 세계적으로반도체관렦연구소및대학에서집중적으로투자및연구짂행중에있음 국내테라대역통싞젂망 반도체기반하드웨어구현연구의집중노력필요 향후 5 년이내로예상되는표준화요소기술의원천 IPR 확보노력시급 26