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ディペンダブルワイヤレスシステム・デバイスの開発

研究代表者: 坪内 和夫 （東北大学 電気通信研究所）

研究分担者: 松澤 昭 （東京工業大学）岩田 誠 （高知工科大学）藤島 実 （広島大学）小熊 博 （富山高等専門学校）三菱電機株式会社

協 力 企 業: 日本電気株式会社ソフトバンクテレコム株式会社 ほか

2013 年 3 月 16 日(土) JST CREST/DVLSI 領域会議 資料

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802.20

802.11ac

LTE

LTE-A

10M1M100k10k

10m

100m

1000m

Bluetooth802.15.1

PHS

PDCW-CDMA

cdma2000

802.11

802.11a/g

UWB

セルラー系

近距離系

RF-ID

距離

Zigbee802.15.4

802.11n

cdmaOne

Narrowband Broadband

無線 LAN 系

TDMA CDMA

100M 1G

802.11b

mmWave802.15.3c802.11ad

広域化

高速化

超高速化

OFDMA

伝送速度 [bit/s]10G

標準規格 IEEE 系 (IP 通信)

非 IEEE 系

HSPA

802.16e

Dependable Air

DependableAir Platform複数の無線通信方式を一つの端末で通信可能

Dependable Air Platform

MBWA/WLAN

WLAN/WPAN

(A) ワイヤレスネットワークのディペンダビリティ追求の成果既存の評価手法にとらわれない高信頼・高安定な無線通信ネットワーク評価指標の追求 (東北大学 G)

– ヘテロジニアス化によりワイヤレスディペンダビリティ指数が 100 倍向上 ([1] 信学論 J95-C(12), Dec. 2012)– 携帯電話などのオフロード技術として地上系システムの大容量化に寄与

(B) ディペンダブル・エアを実現するネットワーク・信号処理技術異種方式連携・制御技術

– より広域で高速な通信環境を提供できる高信頼システムハンドオーバ技術の特許(東北大学 G，富山高専 G / with ソフトバンクテレコム)

世界初・スケーラブル周波数領域等化回路 (FDE) LSI チップ– 多重伝搬路干渉・デバイス特性補償のための LSI を開発し異種複数方式の伝搬路推定による

最適回線選択を実現 (東北大学 G，高知工科大学 G)

(C) ディペンダブル・エアの進化を支えるデバイス技術世界最小変換エネルギー・超高速 ADC

– 6bit, 700MSps ADC で世界最小変換エネルギー 250fJ/conv. を実現 (東京工業大学 G)世界最高水準・ミリ波帯オールシリコン CMOS LSI チップ開発

– 送信回路: 60GHz 帯送信回路チップ開発で高出力 (12.5dBm)，高利得 (40dB)，低位相雑音 (-89dBc/Hz@1MHz 離調) を実現 (90nm CMOS) (東北大学 G / with NEC)

– 受信回路: 5GHz/60GHz 帯統合ヘテロ無線ネットワーク用受信回路 LSI チップ開発(デモンストレーション) (90nm CMOS) (三菱電機 G)

– 80GHz 帯発振器 pMOS 発振回路: 世界で初めて pMOS ドランジスタでの動作を実現(65nm CMOS) (広島大学 G) 3

研究成果

研究成果 ディペンダブル・エア災害時でも必ずつながり，市民生活に革新をもたらす情報通信ネットワークとして，異種無線通信方式の統合による高信頼・高速無線ネットワークを実現

(A) ワイヤレスネットワークのディペンダビリティ追求の成果

(B) ディペンダブル・エアを実現するネットワーク・信号処理技術

(C) ディペンダブル・エアの進化を支えるデバイス技術

4

Dependable Air

GW

インターネット

異種システム統合ネットワーク

異種方式対応DWS BS/AP

GW

GW

AP

APAP

MT MTMT

ディペンダブル・エア端末

異種ネットワーク

AP

MT

代替回線シームレス接続

長バッテリ寿命端末

- +- +

- +- +

- +- +

- +- +

AP

ディペンダブル自律分散型情報・制御網 & 電力網⇒ [現存する実課題]

平常時: 周波数資源枯渇・オフロード災害時: 情報が必ず伝わるネットワーク

- +- +

BS

MT

MT

MBWA

WPAN

- +- +

- +- +

WLAN

SC

data

MC

Mod

.

MBWA

Uni

vers

al R

F Tx

Mod

ule

WLAN

WPAN

Scal

able

D/A

Con

vert

er

Depe

ndab

le F

DE

TxB

aseb

and

Mod

ule

課題 (C) デバイス技術

(課題 B)ネットワーク・信号処理技術

(課題 A) ディペンダビリティ評価指標

5

ワイヤレスネットワークのディペンダビリティ追求

• 課題:– 無線通信方式やその利用状態の多様化によって，これまでの主要な評価指標であった周波数利用効率

だけでは，無線通信方式の正当な評価は難しい

• ワイヤレスディペンダビリティ指標

– 通信制御エリアにおける総スループット指数– 同時通信可能なユーザ数

⇒ これらを通して，今後の無線通信ネットワークの

性能評価の指針について提案

[1] 坪内 ほか, ディペンダブル・エア, 信学論, J95-C(12), Dec. 2012.

東北大学 G(A) ディペンダビリティ評価指標

6

総スループット指数 (1): 定義・数値例

標準規格

単一方式の場合:高々 F = 30

L = 2km

L

MBWA100Mbit/s

F = 400

MBWA 単一セル

L (正方形一辺の長さ)= 0.2km

WLAN1Gbit/s

F = 40

WLAN 単一セル

L = 2km

LMBWA100Mbit/s

MBWA (セル端)1Mbit/s

F = 40

MBWA 単一セル

セル端での通信速度低下を考慮

L

S dRF rr)( )1(

通信制御エリアにおける総スループット指数 F

点 r におけるスループット

通信制御エリア:セル半径 L0, 面積 S

0Lr

effRSF )2(

minmaxRRReff Rmax: R(r) の最大値

（最大スループット）Rmin: R(r) の最小値

（最小スループット）

簡単化

定義

7

L= 2km

F = 400

MBWA 単一セル+ WLAN 複数セル

MBWA100Mbit/s

総スループット指数 (2): ヘテロネットワーク統合

min,1max,1max,22 RRRSFh

minmax RRSF )3(

)4(

高速システム1Gbit/s

広域（低速）システム最大値 100Mbit/s

min,1max,1max,2max,33 RRRRSFh MBWA + WLAN

+ WPAN (10Gbit/s)

F = 4000)5(

ディペンダブル・エア:複数の異種方式を組み合わせることで指数 F が向上

広域（低速）システム最小値 1Mbit/s

WPAN 10Gbit/s

単一セル

融合セル

WLAN1Gbit/s

MBWA (セル端)1Mbit/s

8

ディペンダブル・エアにおける異種方式基地局連携

異種方式連携制御機能:・ MBWA 基地局に導入（MBWA セル＝通信制御エリア）・ 光・無線協調回線を介して WLAN や WPAN 基地局が傘下

⇒ 異種無線通信方式の基地局が連携することにより，より広域で高速な通信環境を提供できる信頼性の高いネットワークが実現可能

[2] 無線通信端末装置，及び通信ネットワークプログラム，特許第 5049069 号[3] S. Kameda et al., IEICE Trans. Commun., E95-B(4), 1152-1160, April 2012.

東北大学 G／富山高専 G(B) ネットワーク・信号処理技術

9

ディペンダブル・エアを実現するヘテロネットワーク・スケーラブル受信回路

複数の無線システムを切り替え可能なスケーラブル FDE の実現– スケーラブル FDE を含む受信機のベースバンド部を ASIC 実装

700MHzRx

可変分周器～～5GHzRx

60GHzRx

700M/5GConv.

60G/5GConv. ～

ASIC評価ボード

SC

MC

IFFT

A/D

FDE

Dem

od.

～～

～

A/D

FFT

Channel Estimation

FPGA

CLK

to TxChannelSelect

東北大学 G／高知工科大 G

スケーラブル FDE ASIC試作・評価

10

スケーラブル ADC の開発

101

102

103

104

4 6 8 10 12 14分解能 (bit)

変換周

波数

(MH

z)

CLK

VINP_a VINP_b VINN_b VINN_a

Gate weighted interpolation

Offset CALVdd

Voutp

VoutnWPa WNaWNbWPb

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9Vcm [V]

Proposed

Conventional

6 7 8 9 10 11 12 13 140.1

1

10

100

1 103

1 104

1 105

CL(

fF),

Ec(f

J)

Resolution (bit)

CL

Ec

VDD=1V, Veff=0.2V

DDL

effin VC

TVv

k2_

この性能をスケーラブルに実現

導出したノイズ式

世界標準になった，低電力・低ノイズダイナミック比較器ノイズの比較

分解能と負荷容量・消費エネルギ

・超低電力化のために，ダイナミックアナログ回路技術を開発・ダイナミック比較器のノイズ式を導出・低電力・低ノイズダイナミック比較器を開発

ノイズ電力1/10

高分解能化=消費エネルギー増

各種無線規格に必要なADCを世界最小の消費電力で実現

①

②

③④

東京工業大学 G(C) デバイス技術

11

オールシリコン CMOS による RFIC

2012/9/4 CRESTサイトビジット 11

広島大学 G

12

Si CMOS 90nm プロセスによる受信器 RF IC の設計・試作・評価

90nm CMOS 5G/60GHz 受信 RFIC

(a) 60GHz帯受信フロントエンド

■60GHz帯受信フロントエンドIC (LNA(Low Noise Amplifier)・ミクサ) の設計・試作■5GHz帯受信フロントエンドIC (直交ミクサ・LNA・スイッチ) の設計・試作

(b) 5GHz帯受信フロントエンド

直交ミクサを5GHz帯／60GHz帯で共用することにより，受信器としてのディペンダビリティを向上．

■研究成果

・60GHz帯の要素回路を集積化した受信フロントエンドICの試作を行い目標性能を達成。・5GHz帯の要素回路を集積化した受信フロントエンドICの試作を行い目標性能を達成。・電磁界解析を導入することにより、60GHz帯ICのフリップチップ実装時においても所望の性能が得られることを確認。

(c) 5GHz/60GHz帯一体形受信フロントエンド

三菱電機 G

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3-D SiP 構造ヘテロ素子ビームフォーミングアンテナ

ビームエリア（3次元表示）

端末側を除く3次元方向のビームフォーミングを目指す

端末側(Dead Zone)

D

Patch sub-array F

Dipolesub-array B

Dipole sub-array C

Dipole sub-array A

Patch sub-array E 1.85mmConnector(LO input)

IF outputconnector

Passivemixer Planar

dipoleantenna

z

y

x

アレーアンテナの試作 (B 方向のみ)

4×2 平面ダイポールアレーアンテナ

東北大学 G

60GHz 帯無線通信端末通信距離 10m 程度: 利得 10dBi 程度の高指向性（狭ビーム幅）アンテナ必須

⇒ 利便性向上のためにビームフォーミングアンテナが必要不可欠

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DependableAir Platform複数の無線通信方式を一つの端末で通信可能

DependableAir Platform複数の無線通信方式を一つの端末で通信可能

延長計画 (2013-2014 年度)衛星系／地上系融合によるディペンダブル・エアの進化

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衛星系／地上系融合ディペンダブル・エア準天頂衛星等の衛星通信システムとの融合により，地上インフラを完全喪失した場合にも必ずつながる地上系・衛星系の異種へテロ無線通信システムを融合したディペンダブル・エアへ進化

■ 連携企業の展開（実用化）計画:・ 三菱電機・NEC:

衛星系／地上系融合通信システムへ展開+ 地上系異種方式統合無線通信システム+ 準天頂衛星を含む衛星系／地上系融合無線システム (衛星・制御局・携帯端末)

・ スカパー JSAT:衛星系／地上系融合通信サービス運用・提供

・ ソフトバンクテレコム:スマートフォンなどの高機能携帯端末導入による大容量無線通信ネットワークサービスの事業拡大(10 年で通信容量 1000 倍を実現)

・ 他に自動車・物流・ネットワーク機器企業の参画を計画(JVC ケンウッド，ルネサスエレクトロニクス 等)

■ 研究計画• 2013 年度: 異種無線対応スケーラブル・ディペンダブル無線通信端末技術開発

– 700MHz 帯／5GHz 帯／60GHz 帯異種方式対応スケーラブル送受信モジュール開発– ヘテロ素子ビームフォーミングアンテナ一体型・小形スケーラブル無線端末– 広帯域・低消費電力無線通信方式用ディペンダブル ADC

• 2014 年度: 衛星系／地上系融合ディペンダブル・エア技術開発– 災害時にも有効な準天頂衛星を用いたロケーション・ショートメッセージ通信アクセス方式– 衛星系／地上系異種へテロネットワーク間シームレス接続実証実験

衛星系／地上系融合によるディペンダブル・エアの進化延長計画 (2013-2014 年度)

ユニバーサルクロックシステム開発によるディペンダブル・エアの進化

700MHz ～ 60GHz複合アンテナ

準天頂衛星通信用無指向性アンテナ

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まとめ

• 研究成果: ディペンダブル・エアの提唱・実現– 災害時でも必ずつながり，市民生活に革新をもたらす情報通信ネットワークとして，

異種無線通信方式の統合による高信頼・高速無線ネットワークを実現• (A) ワイヤレスネットワークのディペンダビリティ追求の成果• (B) ディペンダブル・エアを実現するネットワーク・信号処理技術• (C) ディペンダブル・エアの進化を支えるデバイス技術

• 延長計画 (2013-14 年度)– ユニバーサルクロックシステムによるディペンダブル・エアの進化

• 準天頂衛星システムを用いた日本独自の基準時刻信号によるシステム同期型高信頼無線通信ネットワークの構築

⇒ 衛星系／地上系無線通信システムの統合化へ