Wifi-verkot ruuhautuvat ennen pitkää. Avuksi voi ottaa 60 gigahertsin alueen vapaat millimetriaallot. Niillä onnistuu niin videonsiirto kuin mekaanisen liittimen korvaaminen langattomalla linkillä.

Artikkelin kirjoittaja Peiju Chiang toimii Lattice Semiconductorin tytäryhtiön SiBEAMin tuotemarkkinoinnista vastaavana johtajana. Hän vastaa yrityksen 60 gigahertsin tuotteiden bisnesstrategioista ja tuotteiden kehityksestä. Chiangilla on 12 voden kulutus langattomien piirien kehityksessä. Ennen SiBEAMia hän työskenteli Silicon Imagen ja Realtek Semiconductorisin palveluksessa järjestelmäsuunnittelun ja markkinoinnin tehtävissä.

Millimetriaaltotekniikat voivat ratkaista kaistaleveystarveongelmat, jotka syntyvät kasvavan laitemäärän liittyessä internetiin ja yrittäessä siirtää yhä suurempia datamääriä nykyisten kiinteiden ja langattomien yhteyksien yli. 60 gigahertsin lisensoimattomille taajuuksille on jo tulossa usean gigabitin lähetinvastaanottimilla varustettuja laitteita. Niiden kaistanleveys on jo suurempi kuin ruuhkautuvilla 2,4 ja viiden gigahertsin lisensoiduilla taajuuksilla toimivissa laitteissa. Usean gigabitin nopeudella ne tarjoavat jo parempia palveluja kuin muutaman sadan megabitin yhteydet tuovat, tämän hetken edistyksellisimmät langattomat laitteet.

Monien sovellusten odotetaan hyötyvän 60 gigahertsin millimetrialueen ratkaisuista. Näihin kuuluvat kapasiteetin lisäämien perinteisiin wifi-verkkoihin kotiona ja rakennusten välille data- ja videoyhteyksiä varten. Samat tekniikat ovat lupaavia myös esimerkiksi mekaanisten liittimien langattomaksi korvaajaksi kulutuselektroniikassa ja mobiililaitteissa. Tämä lyhyen kantaman langattomat liittimet mahdollistavat ohuemmat ja kestävämmät tuotteet, kun romuluisista vanhoista liittimistä päästään eroon. Samalla päästään eroon veden, kosteuden, pölyn ja muiden laitteita sotkevien laitteiden aiheuttamista ongelmista.

Valmistajat ovat jo alkaneet integroida millimetriaaltoradioita laitteisiinsa. Käyttöönotossa täytyy kuitenkin ottaa huomioon riskitekijät, sekä valitessa oikeaa, vasta nousevaa standardia että valitessa sopivaa teknologiapartneria toteutukseen. Tämä artikkeli antaa yleiskuvan näistä tekniikoista, sovelluksista ja toteutushaasteista, joita valmistajat kohtaavat yrittäessään suunnitella laitteita, jotka tyydyttävät kaistannälkäisten käyttäjien tarpeet.

60 GHz: seuraava etulinja

Wifi- ja bluetooth-tekniikoista, jotka tekivät mobiilidatan vallankumouksen mahdolliseksi, on tullut niiden oman menestyksensä uhreja. Wifin oli alunperin tarkoitus operoida 2,4 gigahertsin vapailla taajuuksilla , mutta tekniikan nopea suosio pakotti Wi-Fi Alliancen määrittelemään tekniikan toiminnan myös seuraavalla globaalisti käytettävissä olevalla vapaalla alueella viidessä gigahertsissä. 5 gigahertsin langattomien protokollien ja radioarkkitehtuurien nopean kehityksen ansiosta wifi on onnistunut pysymään kannettavien tietokoneiden, tablettien ja muiden mobiililaitteiden kasvavan kaistanleveystarpeen kyydissä mukana.

IoT: säännöt uusiksi

Innostus kasvaa kovaa vauhtia, kun älylaitteet digitaalisista televisioista kahvinkeittimiin ja jääkaappeihin liittyvät internetiin. Samalla kun verkkoon kytkettyjen laitteiden määrä suorastaan räjähtää, niiden kaistanleveystarve ylittää nopeasti sen, mitä olemassaolevilla taajuuksilla voidaan täyttää. Ongelma pahenee entisestään, kun mobiilioperaattorit siirtävät kasvavan määrän multimedialiikenteestään wifin vapaille taajuuksille.

Tämän tuloksena molemmat tämän päivän yleisesti käytössä olevat vapaat ISM-kaistat ovat nopeasti tukkeutumassa. Työn alla olevat tekniset parannukset voivat tuoda hetken helpotusta, mutta ne eivät voi lopulta ratkaista ruuhkautumisongelmaa, joka koskettaa erityisesti asuntoja, toimistoja, julkisia tiloja ja muita suuren käyttäjämäärän alueita.

Looginen ratkaisu kasvavaan ruuhkaisuuteen on ottaa käyttöön tekniikoita ja tuotteita, jotka kykenevät toimimaan 60 gigahertsin eli millimetriaaltoalueen taajuuksilla, joilla regulaattorit kuten FCC ovat määritelleet laajan alueen spektristä teollisuuden vapaaseen käyttöön. Kun käytössä on yli seitsemän gigahertsiä vapaita taajuuksia neljäksi 1,8 gigahertsin kanavaksi pilkottuna, tämä uusi alue tuo käyttöön 20 kertaa enemmän kaistaa kuin vastineensa viidessä gigahertsissä.

Langattomat liittimet – kaikkea muuta kuin tyhmä idea

60 GHz:n millimetriaaltoalue tuo myös laitevalmistajille innovatiivisen ratkaisun mekaanisten liittimien aiheuttamiin ärsyttäviin ongelmiin. Kun millimetri-dataliitäntää käytetään pienen RF-tehon ja sopivan antennin kanssa, liitäntä voi toimia ns. langattomana liittimenä, joka pienillä etäisyyksille tuo kestävämmän liitettävyyden ja voi korvata tämän päivän mekaaniset liitinratkaisut. Itse asiassa SiBEAM on esitellyt langattoman liitinratkaisun, jossa on demonstroitu jopa 12 gigabitin datanopeutta sekunnissa (full duplex eli molempiin suuntiin). Tämä nimellä Snap tunnettu tekniikka on tarkoitettu useimpien tavanomaisten data- ja videoliittimien korvaajaksi, mukaan lukien USB 2.0, USB 3.0, HDMI ja DisplayPort.

Langattomat liittimet ovat erityisen hyödyllisiä mobiililaitteissa kuten älypuhelimissa, tableteissa ja kameroissa, sillä se poistavat laitteista mekaanisen liittimen, joka on yksi herkempiä komponentteja rikkoutumaan. Sen lisäksi, että liittimen aukoista pääsee laitteen sisälle taskunpohjan nöyhtää, hikeä ja muita epäpuhtauksia, useimmilla mekaanisilla liittimillä on taipumus kulua ja irrota piirilevyliitännästään kauan ennen kuin tuotteen akku tai sen komponentit ehtivät pettää. Mekaanisen liittimen poistaminen lisää laitteen elinikää vettä, pölyä, likaa, kosteutta ja päälle kaatunutta kahvia vastaan.

Lisäksi langattomat liittimet mahdollistavat ohuiden, tyylikkäiden laitteiden suunnittelun, mikäli niissä ei tarvitse tehdä kompromisseja mekaanisten liittimien vaatiman tilan takia. Mekaanisista liittimistä on jo nyt tullut suunnitteluprosessin kompastuskivi, kun valmistajat yrittävät vastata yhä ohuempien tablettien, älypuhelimien ja muiden elektroniikkalaitteiden kysyntään. Jo nyt liittimet voivat viedä jopa puolet kulutuselektroniikkalaitteen korkeudesta.

Lyhyen kantaman langattomat liittimet auttavat myös poistamaan EMI-ongelmia. Usein mekaaniset liittimet ovat epätoivotun radiokohinan suurin lähde ja gigabittinopeuksilla liittimen aiheuttama EMI-säteily on järjestelmätasolla hyvin hankala poistaa. Tämä tekee suunnittelusta vaativampaa ja nostaa jokaisen laitteen hintaa.

Langattomat liitinratkaisut kuten SiBEAMin Snap-tekniikka auttavat näin suunnittelemaan ohuempia, toimivampia mobiililaitteita, jotka suoriutuvat paremmin todellisessa käytössä.

Sovellukset ja markkinat

Millimetriaaltoalueen radioaaltojen etenemisominaisuudet ovat ainutlaatuisia.

- RF-signaalit käyttäytyvät millimetritaajuuksilla paljon enemmän valon kuin tavanomaisten radioaaltojen tavoin. Tämän takia mm-alueen ensimmäiset toteutukset olivat rajattuja näköyhteyteen (line-of-sight). Viime aikojen innovatiiviset radiotekniikat kuten keilanmuodostus ja keilansuuntaaminen ovat mahdollistaneet kestävien ja toimivien linkkien toteuttamisen ilman näköyhteyttä.
- 60 gigahertsin signaaleja heikentää happi, mikä ilmiönä voi suuresti rajoittaa linkin kantamaa. Tämä ongelma täytyy ratkaista, jotta voi toteuttaa kuluttajien odottaman langattoman kokemuksen. Tämä edellyttää järjestelmätason osaamista sekä tietotaitoa radio- ja antennisuunnittelussa.
- Toisin kuin 2,4 ja 5 gigahertsin signaalit, 60 gigahertsin RF-energia ei läpäise useimpia seiniä. Tämän takia 60 gigahertsin tekniikat sopivat parhaiten sellaiseen käyttöön, joka on rajoittunut huoneen seinien sisälle.

Nämä tekijät näyttäisivät ensi alkuun rajoittavan millimetriaaltoalueen käyttömahdollisuuksia, mutta oikein määritellyt sovellukset tuovat ainutlaatuisia etuja sekä käyttäjille että valmistajille. Nämä sovellukset asettuvat kolmeen yleiseen luokkaan, ja niitä erottaa toisistaan ensisijaisesti linkin kantama.

Gigabitin langattomat liittimet

Langattomat liittimet, tai toisin sanoen pienen kantaman datalinkit (Close Proximity Data Links) tuovat suuren kaistanleveyden I/O-linkit kulutuselektroniikkaan ja tietokoneisiin 10 millin etäisyyksillä. Yksi lupaava millimetriaaltoalueen toteutus on jo tarjolla SiBEAMin Snap-tekniikan muodossa. Sen suuri datanopeus sopii ihanteellisesti esimerkiksi langattomiin telakointiasemiin ja laitteiden väliseen synkronointiin. Keskimäärin 12 gigabittiä sekunnissa siirtävä Snap-yhteys voi kokonaan korvata USB-, HDMI- ja DisplayPort-liittimet datan ja videon siirrossa. Snap täydentää langatonta lataamista ja yhdessä ne antavat suunnittelijoille mahdollisuuden kehittää täysin liittimittömiä laiteratkaisuja.

Gigabitin langattomien liittimien mahdollisia sovelluksia.

Langattomat yhteydet sisätiloissa

Millimetriaaltotekniikoita voidaan käyttää myös parantamaan tämän päivän wifi-verkkoja lisäämällä niihin paljon kaivattua kapasiteettia. Itse asiassa yksi aktiivisimmista standardointihankkeista näille sovelluksilla on IEEE 802.11ad, joka aiemmin tunnettiin nimellä Wireless Gigabit – tai lyhyemmin WiGig. Standardi määrittelee uuden fyysisen kerroksen 802.11-verkkoihin 60 gigahertsin taajuusalueella ja siitä on hyvää vauhti tulossa seuraavan sukupolven wifi-teknikka, joka helpottaa ruuhkaisuutta tämän hetken 2,4 ja 5 gigahertsin alueilla.

Tämänhetkinen 802.11ad-määritys sisältää parannellun version standardin 802.11 MAC- eli Media Access Control -kerroksesta, joka tukee datanopeuksia aina 7 gigabittiin asti sekunnissa. Standardin valmistuttua ja uusien tuotteiden jo tullessa markkinoille Wi-Fi Alliance on jo käynnistämässä 802.11ad-sertifiointiohjelmia.

Vaikka tuleva 802.11ad-standardi mahdollistaa videonsiirron IP-pohjaisena pakettiprotokollana, on 60 GHz WirelessHD -standardiin perustuvia tuotteita toimitettu jo lähes 10 vuoden ajan. Kun tekniikka on nimenomaisesti kehitetty videon siirtoon eri laitteiden välillä, WirelessHD-standardia tukevat tuotteet siirtävät 1080p60-tasoista FullHD-videota yhdessä monikanavaisen äänen kanssa lähes nollalatenssilla, mitä odotetaan kaapeliyhteyksiltä. WirelessHD:n suuri kapasiteetti ja alhainen latenssi sopii hyvin video- sekä langattoman pelaamisen ja virtuaalitodellisuuden sovelluksiin. Se tuo ”kaapalinkaltaisen” HDMI-yhteyden ilman piuhaa ja hyödyntää käytössä olevaa 7 gigahertsin kanavaa jopa 28 gigabittiä sekunnissa siirtävänä datalinkkinä. Sitä pitkin kulkevat niin 2D- kuin 3D-kuva, kuin 4K-videokin.

Ensimmäisen aallon WiHD-läppärit, -älypuhelimet, -digitelevisiot, -videoprojektorit ja virtuaalitodellisuuslasit on otettu vastaan hyvin, kiitos niiden helppokäyttöisyyden ja suorituskyvyn. Esimerkiksi LeTV:n MAX1-älypuhelin on saavuttanut suosiota Kiinassa, koska siihen integroitu WiHD-liitäntä antaa käyttäjille mahdollisuuden heijastaa pelejä, elokuvia ja muuta videosisältöä langattomasti videoprojektoriin, LCD-näytölle tai muulle HD-ruudulle. Jos käyttäjällä ei ole WiHD:tä tukevaa laitetta, sen tuomasta nopeudesta pääsee nauttimaan helposti WiHD-HDMI-sovittimen avulla, joita valmistaa jo nyt useampi yritys.

60 gigahertsin millimetriaalloilla rajoitettu kantama ja signaalien ainutlaatuiset etenemisominaisuudet mahdollistavat sen, että eri standardit toimivat saumattomasti samassa rakennuksessa, jopa samassa huoneessa.

Sekä 802.11ad että WiHD täydentävät 60 gigahertsin näköyhteysvaatimusta (line-of-sight) keilanmuodostuksen ja -ohjaamisen avulla lähetin- ja vastaanotinpiirien välillä. Verkkoprosessorit ja vaiheryhmäantenniin (phase array antenna) integroitu RF-piiri lisäävät signaalin tehollista lähetystehoa ja antavat langattoman järjestelmän valita parhaan käytettävissä olevan Tx/Rx-polun. WiHD:n tapauksessa tämä tekniikka on mahdollistanut pisteestä-pisteeseen tyyppisten liitäntöjen toteuttamisen jopa 10 metrin matkalla myös ilman näköyhteyttä.

Gigabitin langattomat linkit ulkotiloissa

Millimetriaaltotekniikat ovat tärkeässä roolissa myös tulevaisuuden verkkojen paluukanavana, joihin kuuluvat 5G-laajakaistalaitteet, kiinteiden verkkojen paluukanavalaajennukset ja pisteestä-pisteeseen -linkit, joissa 60 gigahertsin kanavan kapasiteetti ja pitkälle optimoitu RF-linkki tekevät siitä ihanteellisen ”langattoman kuidun”, jolla korvata tämän päivän kuitupohjaiset paluukanavat.

Tällä hetkellä on useita tekniikoita, jotka kisaavat markkinoiden suosiosta, mutta useimmat järjestelmät perustuvat jonkinlaiseen IEEE 802.11ad-standardin toteutukseen. Aiemmin mainittujen yhden huoneen sisäisten sovellusten lisäksi tämä 802.11-standardin laajennus sisältää tuen pitkille (jopa 500 metrin) linkeille 60 gigahertsin taajuusalueella.

Toteutusstrategiat

60 gigahertsin millimetriaaltotekniikan toteuttamisessa on omat haasteensa, mutta avuksi on olemassa käytännön strategioita. Ehkäpä paras neuvo on valita CMOS-pohjainen RF-piiri, jonka varaan järjestelmänsä rakentaa. Aiemmin monet RF-piirien valmistajat ovat luottaneet eksoottisiin, kalliisiin prosesseihin kuten galliumarsenidiin (GaAs) tai piigermaniumiin (SiGe), jotka tuovat vain rajoitetusti integrointi- ja kustannushyötyjä. Nyt millimetrialueen laitteita on ryhdytty valmistamaan yleisissä CMOS-prosesseissa. Tällaiset CMOS-pohjaiset RF-piirit auttavat laskemaan millimetrialueen tuotteiden kustannuksia sellaiselle tasolle, että ne sopivat kulutuselektroniikan markkinoille.

Mikäli tarjolla on sopiva kaupallinen ratkaisu, se on yleensä paras valinta erityisesti ensimmäisen aallon tuotteisiin. Olemassaolevat RF-piirit voivat sekä nopeuttaa markkinoille pääsyä että alentaa kehityksen kustannuksia, jolloin resurssinsa voi omistaa sellaisten toimintojen lisäämiseen tuotteeseen, joilla erottua kilpailijoista.

Kannattaa kuitenkin miettiä muutamaa asiaa, ennen kuin sitoutuu johonkin valmiiseen kaupalliseen piirisarjaan:

- Mitkä ovat valitun 60 gigahertsin vaikutukset sovellukseen? Pitääkö siirtää videota huoneen sisällä? Vai pitääkö siirtää suuria määriä dataa lyhyillä etäisyyksillä erittäin nopeasti?
- Oletko kehittämässä suljettua järjestelmää vai tarvitseeko tuotteen olla jonkin standardin mukainen?
- Toimiiko tuote akkuteholla vai onko käytössä kiinteä virtalähde? Datanopeus, kantama, antennisuunnittelu ja komponenttivalinta riippuvat käytössä olevasta tehosta ja toiminta-ajasta.
- Millaisia rajoituksia tuotteen teollisessa suunnittelussa on? Jokaisessa langattomassa laitteessa RF-piiristön sijoittelu järjestelmän sisällä vaatii erityistä huolellisuutta. 60 gigahertsiä tule lisää haasteita lyhyiden millimetriaaltojen ominaisuuksien takia. Pienikokoisissa laitteissa kuten älypuhelimissa lämmön haihtuminen ja lämpösuunnittelu ylipäätään lisäämään suunnittelun monimutkaisuutta.
- Kustannukset? Datanopeus, kantama, laitetyyppi, erilaisten langattomien komponenttien sijoittelu ja järjestelmätason toteutus vaikuttavat tuotteen loppukustannuksiin.

Lopuksi

Kun 2,4 ja 5 gigahertsin ISM-taajuudet lähestyvät kyllästymistä, millimetrialueen lisensoimaton osuus tarjoaa paljon kaivattuja avoimia taajuuksia, joilla langattomat laitteet voivat nauttia uudesta kapasiteetista ja ruuhkatotmuudesta. Standardit ovat jo valmiina sekä sisätilojen wifi-palveluja että ulkotilojen pidempiä point-to-point -linkkejä varten. Millimetriaaltotekniikat ovat lupaavia myös ultralyhyen kantaman langattomiin liittimiin, jotka eliminoivat perinteisiin mekaanisiin liittimiin liittyvät kestävyyden, EMI-häiriöiden ja teollisen muotoilun ongelmat.

Edistyneillä CMOS-prosesseilla on mahdollista vapauttaa kaikkien näiden sovellusten potentiaali 60 gigahertsin aluella kustannustehokkaalla tavalla. SiBEAM on yksi harvoista yrityksistä, joka on valmistanut millimetrialueen piirejä volyymeissä useissa CMOS-prosessisukupolvissa yli 10 vuoden ajan. Osa yhtiön menestystä on seurausta sen suunnitteluprosessista, jossa tuotteen tuotannon testivektorit luodaan CMOS-prosessista käytetysn datan perusteella. Tuotantotesteissä näiden erittäin tarkkojen testivektorien tuottamia tuloksia käytetään informaationa, jonka avulla suunnittelijat hienosäätävät suunnittelua saannon ja suorituskyvyn optimoimiseksi. Metodologia voidaan siirtää eri prosessisukupolvista ja valmistuskumppaneilta toiseen. SiBEAM tarjoaa asiakkailleen tukea jokaisessa vaiheessa suunnittelua, tuotantoa testaamista ja käyttöönottoa mukaan lukien RF-suunnittelu, lämpösuunnittelu, kotelointi, lopputoteutus ja FCC-yhdenmukaisuuden testaaminen.