Wat gaat 5g ons brengen?

We worden overstelpt met ronkende 5g-beloftes. Maar wat is er nou precies voor nodig om die werkelijkheid te laten worden en hoe gaan we het allemaal maken? Industrieveteraan Pieter Hooijmans laat er zijn licht over schijnen.

Je kunt vandaag de dag geen technisch tijdschrift of nieuwssite openen noch conferenties bezoeken zonder te worden overstelpt met ronkende 5g-beloftes: waar en wanneer we dat willen, krijgen we Gb/s draadloos internet. En wel binnenkort. Deze vijfde generatie mobiele technologie moet de huidige zeer succesvolle 4g-lte-technologie gaan opvolgen dan wel complementeren. De noodzaak van zulke hoge mobiele brandbreedtes zal ik hier niet ter discussie stellen, laat staan betwijfelen, want de geschiedenis leert dat we alle beschikbare bandbreedte snel opgebruiken.

Om gigabits per seconde te realiseren, is veel frequentiebandbreedte nodig, zelfs in combinatie met de moderne hogere orde modulatietechnieken. Vooral voor mobiele applicaties is de uitdaging dat een hoge relatieve bandbreedte (bandbreedte gedeeld door de draaggolffrequentie) leidt tot hogere vermogensdissipatie en dus kortere batterijduur. Het eenvoudigste voorbeeld zijn breedbandfilters: hoe breedbandiger het filter, hoe groter de verliezen, en dus zijn extra versterkertrappen nodig om het signaalniveau op te krikken, met extra stroomverbruik tot gevolg.

De klassieke oplossing voor dit probleem is om naar hogere draaggolffrequenties te gaan. Daardoor neemt de relatieve bandbreedte af bij gelijke bandbreedte. Niet verbazingwekkend dus dat 5g hetzelfde doet: in plaats van de huidige banden van 800 tot 3500 MHz voor 2g, 3g en 4g gaat 5g naar 26 tot 29, 37 tot 40 en zelfs 60 tot 66 GHz. Microgolven op de mobiele telefoon!

Voor alle duidelijkheid: het hart van een oude microgolver bonkt van opwinding bij het idee van microgolven voor consumententoepassingen. Vijftien jaar geleden, als groepsleider van de Integrated Transceivers-researchgroep op het Natlab, probeerde ik al om het Philips-management ervan te overtuigen dat de frequenties alleen maar hoger zouden worden en dat we SiGeC-bicmos-technologie moesten industrialiseren. Als Qubic4x en Qubic4mmw, met ft’s tot 200 GHz, zijn die er gelukkig gekomen (tegenwoordig heten ze Qubic8 tot Qubic10).

Toentertijd voorzag ik applicaties tot 20 GHz; van 40 GHz had ik niet durven dromen. En inderdaad: 6 GHz wifi, 20 GHz Ka-band-satellietcommunicatie en 24 GHz autoradar zijn werkelijkheid geworden, hoewel de laatste twee nog steeds als klassieke microgolfmodules met golfgeleiders. Nu gaan we echter naar nog hogere frequenties, met veel kleinere dimensies, zodat we ze in een mobiel apparaat kunnen gebruiken.

Mimo en phased arrays

In alle 5g-verhalen is het technologiemantra hetzelfde: 5g wordt mogelijk dankzij massieve mimo- en phased array-antennes op microgolffrequenties. Wat betekent dit?

Mimo (multiple input multiple output) is er al en vindt op bescheiden schaal toepassing in 4g. De technologie gebruikt meerdere zend- en ontvangstkanalen om hogere bandbreedtes te realiseren. Door op dezelfde frequentie, maar per antenne met verschillende coderingen voor elk kanaal uit te zenden, krijgt de ontvanger een ‘soep’ van deze signalen (plus eventuele gereflecteerde multipadsignalen) binnen, alles op dezelfde frequentie. Massieve signaalprocessing en wat kennis over de kanaalkarakteristieken maken het dan toch mogelijk de verschillende uitgezonden signalen te decoderen. Omdat geen extra frequentiebandbreedte is gebruikt, neemt de bandbreedte-per-hertz toe met het aantal zendkanalen. 4g-mimo is meestal 2×1 of 4×1, met meerdere zendantennes en slechts één ontvanger in de mobiele telefoon. Bij hogere orde mimo voor 5g (4×4, 8×4, et cetera) zijn dus zowel aan de zend- als aan de ontvangstkant meerdere zenders en ontvangers nodig.

Phased arrays zijn apart of in combinatie met mimo in te zetten. Deze technologie gebruikt meerdere antenne-elementen aan de zend- en/of ontvangstkant om middels adaptieve bundelsturing verbindingen te optimaliseren. Phased arrays zijn al enkele decennia oud en worden veelvuldig toegepast in militaire en vliegtuigradars, maar zijn (enorm) groot en (heel erg) duur.

Recente technologieontwikkelingen hebben echter geleid tot spectaculaire grootte- en kostenreducties. Moderne systemen gebruiken directe digitale synthese (dds) van alle (middenfrequente) signalen voor alle antennes, zeer snelle da- en ad-converters en hooggeïntegreerde SiGe-rf-frontends voor de laatste frequentieconversie en de fase- en versterkingsaanpassing voor elk antenne-element. De compacte SiGe-ic’s zijn direct achter de antennearray te plaatsen. Een 26 GHz 8×8-array met een halve lambda tussen de elementen is niet groter dan vier bij vier centimeter.

Véél duurder dan 4g

Hoe gaan we dit allemaal maken? Laten we beginnen met het makkelijkste: de halfgeleidertechnologieën. Die zijn voor één keer niet het probleem. Met cmos (alles kleiner dan 22 nm is prima) krijgen we alle processorcapaciteit die we nodig hebben. Adc’s, dac’s, dds en if-processing gaan het beste met een mixed-signal cmos, bijvoorbeeld 55 nm. En de moderne SiGe-technologieën ondersteunen transceivers tot 40 GHz met hoge integratie, lage verliezen en goede faseruis. Zelfs de vermogensversterker kan nu in SiGe, want hoe meer antenne-elementen, hoe minder vermogen per element. Anders is er altijd nog GaAs of GaN. Zoals altijd is voor een optimale systeempartitionering een mix van technologieën het beste – mensen die claimen dat alles in één (meestal zeer geavanceerd) cmos te maken valt, moeten we ook hier niet serieus nemen. Bij dit alles is de powerconsumptie acceptabel laag, zodat we het in principe kunnen gebruiken in een mobiel apparaat.

Voor mimo en phased arrays hebben we meerdere parallelle zend- en ontvangstpaden nodig. En dan geen simpele antennediversiteit, maar het hele pad van dsp tot antenne en weer terug. Dus als een enkele transceiver zoals gebruikt in een moderne telefoon (bijvoorbeeld een Qualcomm Snapdragon-chipset plus Qorvo- of Skyworks-pa-filterswitchmodules plus antenne) x kost, gaat een 4×4 mimo/diversiteitstransceiver minimaal 4x kosten. We hebben het dan niet over euro’s, maar over tientallen euro’s! Waarbij ik er voor het gemak van uitga dat een 20+ GHz transceiver niet duurder is dan een exemplaar voor 3 GHz en dat de mimo-overhead ten opzichte van gewone kanaalprocessing beperkt is. (Beide zijn waarschijnlijk niet waar.) Met andere woorden: 5g wordt véél duurder dan wat we vandaag gewend zijn met 4g – een interessant issue, want we hoeven geen 5g, we willen het alleen (onder de aanname dat we er niet meer voor hoeven te betalen).

Ten slotte de vormfactor. Door de hogere frequenties mogen de phased arrays dan klein worden, waardoor ze in principe passen in een telefoon, ze zijn wel heel richtingsafhankelijk, in tegenstelling tot de huidige bijna omni-antennes voor 3g en 4g. Hoe gaan we ze inbouwen? Hoe voorkomen we dat handen of hoofd de antennes blokkeren? Ik heb nog geen enkel praktisch voorstel gezien; in de met veel tamtam gepubliceerde 5g-experimenten gaat het meestal om auto’s vol apparatuur en een grote array op het dak.

Nog vele jaren ontwikkeling

Qua basistechnologieën moet 5g mogelijk worden. Alle bouwstenen lijken er te zijn, maar het is duidelijk dat er nog een paar fikse implementatie- en kostenuitdagingen liggen. Hoe nu verder? Allereerst denk ik dat de gedroomde 5g-systemen nog vele jaren ontwikkeling nodig hebben om hun grootte- en kostendoelen te halen. Wat goed is voor alle (jonge) rf-engineers, die nog jaren interessant werk voor de boeg hebben.

In de tussentijd hebben we gelukkig marketingcollega’s die een mooie tussenoplossing hebben bedacht: we gaan 4g upgraden en noemen dat 5g! Als we dus de komende jaren over 5g-uitrol horen, zijn dat eerste experimenten met ietwat hogere bitrates en wellicht een beetje mimo in banden rond de 4 GHz. Ook dat is vooruitgang. Iedereen blij!