Framtidens Radio för Sakernas Internet ARM Sweden AB Lund Sverige Dr. Tobias Tired
Översikt Projektets syfte och mål Bakgrund Genomförande Resultat - Mottagare - Sändare - Effektförstärkare Framtida planer Slutsatser
Projektets syfte och mål Utvärdering av radioarkitekturer för extremt effektsnåla transceivrar för Narrow- Band Internet of Things (NB-IoT)- standarden System on Chip (SoC)-krets Radio som klarar störningar on-chip Planera för integrerad effektförstärkare (PA) med hög verkningsgrad Minimering av kiselytan och kapselstorleken
Bakgrund NB-IoT användarfall Mycket stor marknadspotential!
Bakgrund Vad är NB-IoT? Tre sätt att installera ett NB-IoT system med BW = 180 khz Fristående utplacering i ett existerande GSM system Guard band installation med användande av outnyttjade resursblock i LTE www.ericsson.com RX: OFDMA TX: SCFDMA Samma som i LTE In-band installation som använder resursblock inom en LTE carrier
Bakgrund NB-IoT www.ublox.com NB-IoT: Licensierat spektrum Quality of Service (QoS)
Bakgrund NB-IoT mot konkurrenter NB-IoT: Ingen gateway behövs Använder cellulär infrastruktur NB-IoT
Genomförande ARM Cordio-N Narrow Band IoT arkitektur Mistbase VINNOVA radioförstudie By Mistbase AB in Lund Mistbase AB acquired by ARM in Feb. 2017 Layer 2 and 3 SW from NextG-Com in UK NextG-Com acquired by ARM in Feb. 2017
Genomförande NB-IoT radio ASIC - mål SAW P DC Arkitektur för min. kiselyta Lågkostnads CMOS RX: 729 2170 MHz TX: 699-1980 MHz On-chip PA Batteridrivna applikationer Min. P DC Högvolymprodukt Minimera tot. kostnaden Maximera marknaden Multiband support Hög integrationsgrad Min. antal externa komponenter
Genomförande Effektförbrukning NB-IoT radion SX? RX? Mottagare: RX Kanal-synthesizer: SX Sändare: TX On-chip effektförstärkare: PA Power classes: +20 dbm and +23 dbm TX? PA? PAE = (P out P in ) /P DC PAE = 60 % and P out = +20 dbm 240 mw in PA!
Resultat NB-IoT radioarkitektur
Resultat Mottagararkitektur alt.1: Zero IF mottagare 1/f brus DC offset Mindre utmaning jfr. sändaren
Resultat Mottagararkitektur alt.2: Low IF mottagare Undvik 1/f brus Undvik DC offset Mer komplex ADC samplingsfrekvens
Resultat-PA linearisering i upplänken Singelton: /4 QPSK /4 rotation av const. diag mellan varje symbol Amplitudinformation i TX signalen PA:t måste kunna återge TX-signalens envelopp Multiton QPSK:1,3,6 eller 12 toner Linjärt PA i klass A/AB Digital predistortion (DPD) Envelope tracking (ET) Envelope elimination and restoration (EER)
Resultat-NB-IoT upplänk forts. Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) QPSK singelton Saturerat PA QPSK singelton PA i linjära området TX modulation: Singelton /4 QPSK eller multiton QPSK Peak to Average Power Ratio (PAPR) PAPR =3 db (singelton) PAPR 6 db (multiton) Ej lämpligt med saturerat PA (klass A/AB) eller endast switchande (klass D/E) PA utan amplitudmodulering El-Khatib, Ziad, MacEachern, Leonard, Mahmoud, Samy A, Distributed CMOS Bidirectional Amplifiers Broadbanding and Linearization Techniques, Chapter 2 Modulation Schemes Effect on RF Power Amplifier Nonlinearity and RFPA Linearization Techniques, ISBN 978-1-4614-0271-8, Springer, 2012 Digital Communication Theory, http://www.qsl.net/pe1jok/commtheory. html ACPR
Resultat Kartesiskt PA utan envelopp tracking VCC Enkel väl beprövad arkitektur. Konstant VCC för PA:t Enpunkts-modulation: ingen missmatch mellan amplitud- och fasinformationen PA:t arbetar i sitt linjära område (klass A/AB) Låg PAE för låga P out Verkningsgrad PAE = (P out - P in ) /P DC
Resultat Digital fördistortion (DPD) Olinjäriteter i PA komplex förstärkning som ger AM till AM och AM till PM distortion Predistorter: Inversen för PA:ts komplexa förstärkning Fördelar: - Flexibilitet genom att ändra algoritm koefficienter - prestanda Nackdelar: - Komplex lösning - Bandbreddsexpansion: högre f klock för DAC och ADC
Resultat Linjärt PA med envelopp tracking (ET) Låg P out Lägre VCC RF in PA: t arbetar nära sin kompressionspunkt (OCP 1dB ) för alla P out Bibehållen PAE Efficiency for ET system
Resultat Olinjärt PA med polär basbandssignal och matningsmodulation (EER) Omvandling till polär signal digitalt i basbandet Olinjärt switchande PA med hög PAE. Insignal till PA:t: endast fasinformation Amplitudmodulering genom VDD Examensarbete LTH VT 2017
NB-IoT radio IC Framtida planer för ARM Sweden AB Nytt RF IC design center startat i Lund. Rekrytering pågår för ett signifikant antal personer. Söker RF IC konstruktörer med erfarenhet av utveckling av CMOS transceivrar och PA:n! Ny ansökan inskickad till VINNOVAS Smarta elektroniksystem - ARM Sweden AB - Lunds universitet - dbm RF Research AB Narrow Band Internet of Things (NB-IoT) sändare med integrerad effektförstärkare med hög verkningsgrad i CMOS teknologi
Sammanfattning Framtidens Radio för Sakernas Internet Projektsammanfattning-utfall - Förslag till energieffektiv radioarkitektur, särskilt lämplig för NB-IoT har tagits fram - Samarbete med Lunds Universitet har initierats - Samarbete har inletts med dbm RF Research AB i Linköping för PA design - Ett examensarbete har startats för ett polärt PA Mål för projektet-uppfyllelse - 3GPP specifikationen för NB-IoT har granskats - Arkitekturer har definierats som är optimala för specifikationen - Lämplig tillverkningsteknologi har definierats (40 nm CMOS) Resultat och förväntade effekter-utfall - Mistbase AB uppköpt av ARM i feb. 2017 - Positiv feedback från ARM på vår radioarkitektur!