Sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas compactos y escalables para futuras redes 5G

Un receptor de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) por división de tiempo de 28 GHz con ocho elementos de radiofrecuencia, cada uno de los cuales ocupa solo 0,1 mm²ha sido desarrollado por investigadores de Tokyo Tech utilizando tecnología CMOS de 65 nm. Este diseño innovador reduce el tamaño del chip para la formación de haces. Al lograr una magnitud de vector de error de -23,5 dB en modulación de amplitud de 64 cuadraturas y velocidades de datos de hasta 9,6 Gbps, este receptor ofrece la mayor eficiencia de área y la conmutación de haces más rápida entre los receptores MIMO informados.

Para satisfacer la creciente necesidad de datos de aplicaciones como transmisión de video, realidad aumentada, vehículos autónomos y dispositivos de Internet de las cosas, la nueva radio 5G y las tecnologías futuras más allá de 5G utilizan múltiples haces, múltiples entradas y múltiples salidas para enviar y recibir múltiples flujos de datos simultáneamente.

Un componente esencial para el funcionamiento eficaz de MIMO es la formación de haces. La formación de haces ajusta las señales para enfocarlas hacia los transmisores o receptores. Este proceso mejora la calidad de la señal y minimiza las interferencias. Sin embargo, los receptores MIMO con formación de haces analógicos convencionales requieren formadores de haces separados para cada flujo de datos, lo que dificulta su implementación en un sistema MIMO de ondas milimétricas como un transceptor MIMO de 28 GHz donde la distancia entre antenas es de solo 5 milímetros.

Para abordar este problema, los investigadores dirigidos por el profesor Kenichi Okada del Instituto de Tecnología de Tokio han propuesto una técnica novedosa denominada conformador de haz MIMO por división de tiempo (TD-MIMO) que puede admitir MIMO de ondas milimétricas sin necesidad de hardware adicional. El trabajo se presentó en el Simposio IEEE 2024 sobre tecnología y circuitos VLSIdel 16 al 20 de junio en Honolulu, EE. UU.

«El mayor desafío de los receptores MIMO de ondas milimétricas convencionales es que su área y consumo de energía aumentan linealmente con la cantidad de flujos MIMO que necesitan soportar. Como resultado, el tamaño del chip aumenta con la cantidad de flujos MIMO. Por lo tanto, nunca se han demostrado más de tres flujos MIMO para una matriz 2D», explica Okada.

En los sistemas MIMO, cada antena se conecta con todas las demás a través de una red de rutas de radiofrecuencia (RF). La cantidad de estas rutas se determina multiplicando la cantidad de flujos MIMO por la cantidad de antenas. Por lo tanto, al aumentar la cantidad de flujos de datos, aumentan las rutas de RF necesarias.

En el funcionamiento TD-MIMO, un conformador de haz analógico cambia rápidamente el patrón o la dirección del haz del receptor a velocidades muy altas, lo que permite que varias señales utilicen las mismas rutas de RF. Después del proceso de conformado de haz, un conmutador TD-MIMO dirige cada flujo MIMO a puertos de salida separados, lo que garantiza que las señales no interfieran entre sí.

Este sistema utiliza desfasadores de conmutación rápida que pueden ajustar la fase de la señal en 2,5 nanosegundos y sincronización basada en reloj para controlar el tiempo de conmutación del haz. Este enfoque permite que el receptor TD-MIMO admita más flujos de datos simplemente aumentando la frecuencia del reloj, lo que garantiza una transmisión de datos escalable sin aumentar el tamaño del conjunto de chips.

Los investigadores desarrollaron un receptor TD-MIMO de 3 mm x 2 mm con tecnología CMOS de 65 nm que consta de 8 elementos de RF para manejar cuatro flujos de datos de radio 5G independientes a través de un ancho de banda de canal de 400 MHz utilizando modulación de amplitud en cuadratura (QAM) de 64. Las señales pasan a través de un combinador de potencia Wilkinson a un conmutador TD-MIMO, que las separa en cuatro rutas. Cada elemento de RF cuenta con un amplificador con cancelación de ruido y un desfasador rápido. Un amplificador de ganancia variable y un circuito de resincronización mantienen el sistema sincronizado al garantizar que la conmutación se realice con precisión.

El receptor manejó con éxito señales MIMO compatibles con 5G de un generador de formas de onda arbitrarias de Keysight transmitidas por antenas de bocina en cuatro direcciones. Logró una magnitud de vector de error de -23,5 dB en 64-QAM y un tiempo de conmutación de haz de velocidad Nyquist rápido de 0,15 ns, lo que permitió velocidades de datos de hasta 9,6 Gbps en la configuración MIMO de cuatro flujos.

«Este trabajo logra las velocidades de datos más altas con la mayor eficiencia de área entre los receptores MIMO listados», dice Okada. Cada elemento RF ocupa solo 0,1 mm²El conjunto de chips propuesto puede allanar el camino hacia sistemas MIMO multihaz más pequeños, compactos, eficientes y escalables para la transmisión de datos a alta velocidad.