Radiocommunicatie: Pioneren met 60 GHz communicatie (1992 – 1999)
Pioneren met 60 GHz communicatie (1992 – 1999)
TNO pionierde vanaf 1992 met millimetergolven rond 60 GHz voor communicatie. Het terrein van millimetergolven rond 60 GHz was destijds nog nauwelijks ontgonnen, terwijl dit nu met de ontwikkeling rond 5G de warme belangstelling heeft van vele partijen. Bekend was al wel dat elektromagnetische velden met radiofrequenties rond 60 GHz specifieke, interessante eigenschappen hadden.
Wat is er zo bijzonder aan 60 GHz?
Radiofrequenties rond 60 GHz hebben een unieke eigenschap: de energie van radiogolven met deze frequentie wordt deels door zuurstofatomen geabsorbeerd. Hierdoor bedraagt de reikwijdte voor praktische zendontvangers hooguit circa 1 kilometer. Voor het gebruik van draadloze communicatie biedt deze geringe reikwijdte interessante mogelijkheden die niet met andere radiofrequenties zijn te realiseren. Zo kunnen militairen berichten over korte afstand op 60 GHz uitzenden zonder dat een tegenstander die zich buiten de reikwijdte bevindt überhaupt opmerkt dat er een uitzending plaatsvindt. Hierdoor wordt niet alleen voorkomen dat het bericht in vijandelijke handen valt, maar blijft ook de aanwezigheid van de eenheid zelf onopgemerkt. Deze ‘heimelijke’ vorm van communicatie hadden we bij TNO ‘stealth communicatie‘ gedoopt, geïnspireerd door de benaming ‘stealth fighter’. De hoge 60 GHz frequentie heeft daarnaast als groot voordeel dat een grote hoeveelheid informatie snel overgezonden kan worden.
Die eigenschappen lonkten om nader verkend te worden voor onder andere militaire toepassingen zoals draadloze communicatie tussen tanks tijdens ‘radiostilte’ en breedbandige draadloze LANs binnen commandoposten. Begin 1992 werd dan ook besloten om met interne TNO-gelden een haalbaarheidsstudie op Waalsdorp op te starten naar 60 GHz toepassingsmogelijkheden en implementaties. Als onderdeel hiervan zou ook een 60 GHz-set aangeschaft en eventueel aangepast moeten worden. Silicium communicatie-ICs voor 60 GHz gebruikersapparatuur zijn tegenwoordig voor een paar tientjes per stuk te koop. Begin jaren ’90 waren er slechts enkele fabrikanten die (dure) solid-state 60 GHz zendontvangers konden leveren. Het betrof discrete technologie want een 60 GHz IC was zeer speciaal.
Uitdagend was het om de aanschaf binnen het beschikbare budget voor elkaar te krijgen. Er werd dan ook stevig onderhandeld. De leverancier maakte ons nog attent op ‘leuk spul’ dat vanuit het pas ‘geglasnostiseerde’ Rusland op de markt kwam. We hadden echter de nodige vraagtekens rond levering en kwaliteit. Het werden dus toch maar twee zendontvangers van het Amerikaanse Millitech. Uiteindelijk werden we het eens over de prijs en kon ook de praktische kant van het project doorgang vinden. Zo kon een richtverbinding voor het overbrengen van analoge videobeelden over maximaal een paar honderd meter worden opgezet.
Achteraf bleek dat het PTT Neherlab, dat later ingelijfd werd door TNO, in de periode 1989 – 1992 onderzoek verrichte aan de mate van afluisterbaarheid van 60 GHz quasi-geleidende transmissies.
Belangrijk was de aansluiting van het TNO onderzoek op het 60 GHz onderzoek bij de TU Eindhoven, waar ir. Peter F.M. Smulders aan het promoveren was op de haalbaarheid van 60 GHz breedbandige draadloze LANs voor met name een binnenhuisomgeving zoals een kantoortuin. Inmiddels lijkt die toepassing gekaapt te worden door VLC (Visible Light Communication).
Hij kon daarbij profiteren van de bij TNO aanwezige zendontvangers die geschikt werden gemaakt voor digitale transmissie op basis van Frequency Shift Keying (FSK; een digitale versie van FM). Hij zorgde tevens voor een student die onder TNO-begeleiding metingen kon verrichten aan onze proefopstellingen. Van de kant van de TU Eindhoven werden de metingen met computersimulaties aangevuld.
Ook werd een aantal speciale antennes ontwikkeld. Deze zogenaamde biconische antennes hadden rondom in het horizontale vlak een vrijwel constante zend- en ontvangstgevoeligheid. In de werkplaats op Waalsdorp werden vijf van die antennes gefabriceerd (zie foto hieronder). Zo’n biconical antenne kon de standaard richtantenne van de commerciële 60 GHz zendontvanger vervangen als dit voor een specifieke te testen toepassing nodig was.
Zoals gezegd lag destijds het gebruik van 60 GHz als radiofrequentie voor breedbandige draadloze Local Area Networks (LANs) voor de hand, zowel voor civiele als militaire toepassingen. Ook werd gedacht aan 60 GHz als radiofrequentie voor mobiele systemen. De netwerken hiervoor werden volgens een star cellulair concept ontworpen waarbij voor vaste aansluitende gebieden, vaste frequenties werden toegewezen. Hier kon de beperkte reikwijdte van 60 GHz-radiogolven soelaas bieden omdat dezelfde frequentie op korte afstand, dus al na hooguit een paar cellen, hergebruikt kon worden (dit is tevens een belofte van 5G). Dat scheelde kostbare spectrumruimte terwijl veel gebruikers per cel tegelijk konden communiceren. Merk op dat dit ontwerp door TNO werd bedacht in de periode dat GSM net in Nederland was geïntroduceerd! Daarnaast werd met de Koninklijke Marine gesproken over een ‘elektronische seinlamp’ op 60 GHz (zie ook de eerdere poging in de jaren ’50/’60 om de heimelijke schip-naar-schip communicatie te verbeteren). Ook zijn later voor de Koninklijke Luchtmacht diverse toepassingen van 60 GHz communicatie bedacht.
De gezamenlijke TNO – TU Eindhoven resultaten werden gepubliceerd in een paper voor het IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC) ’94, dat werd gehouden in het toenmalige Haagse Congresgebouw. Tijdens de presentatie op het symposium was een tamelijk knorrige Australische symposiumdeelnemer erg sceptisch over de technische realisatieperspectieven van 60 GHz-systemen, vooral voor de consumentenmarkt. Hij was duidelijk niet echt ontvankelijk voor een visionair verhaal… Gelukkig bleek uit reacties vanuit de zaal dat een meerderheid van de aanwezigen de essentie van het gepresenteerde gezamenlijke werk wel kon waarderen.
Ondertussen werden contacten gelegd met NCR en Ericsson, het toenmalige PTT Research, de brancheorganisatie Vereniging van Kantoor-, Informatie- en Communicatietechnologiebedrijven (VIFKA) en de marine en de landmacht om zicht te krijgen op de behoefte aan draadloze systemen in dit frequentiegebied en de mogelijke rol van TNO bij de ontwikkeling en de uitrol van deze systemen. In dit kader werd het TNO-systeem gebruikt in demonstraties tijdens diverse thema events. Op een van deze gelegenheden was ook een journalist van Jane’s Defence Weekly aanwezig die verslag deed van onze activiteiten. Dit wekte de belangstelling van de Royal Navy die ons via het nog pas opgerichte DERA (Defence Evaluation and Research Agency) benaderde. Na een goed face-to-face gesprek werd eind 1994 een opdracht gegund om de maritieme toepasbaarheid van 60 GHz en de praktische realiseerbaarheid ervan te onderzoeken. Daarbij lag de nadruk op de communicatie vanaf een vliegdek met een helikopter. In het project werd de expertise en competentie van de groep die zich binnen TNO intensief bezighield met MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuits) gebruikt om een uitspraak te doen omtrent de haalbaarheid van 60 GHz-systemen in geïntegreerde vorm. Op dat moment was Gallium Arsenide-technologie met enkele varianten nog de enige realisatiemogelijkheid voor dergelijke systemen. Die technologie was echter te kostbaar en niet geschikt om het benodigde zendvermogen te genereren. De reproduceerbaarheid van dergelijke MMICs voor 60 GHz was bovendien nog matig. Hierdoor kon het plan van de opdrachtgever om een technologiedemonstrator te maken helaas geen doorgang vinden.
Eind 1994 kon in een tweede interne opdracht een verbeterd 60 GHz-systeem worden ontwikkeld. Deze keer naar eigen ontwerp uit deelsystemen samengesteld. Veel componenten werden betrokken van Farran Technologies uit Ierland. Drie zendontvangers werden ontwikkeld met als doel een draadloos LAN te realiseren. Doordat de bestaande communicatieprotocollen niet geheel verenigbaar bleken met de karakteristieken van onze zendontvangers heeft dit echter niet geleid tot een stabiel systeem. Wel zijn de zendontvangers met succes ingezet tijdens de verbindingsoefening van de landmacht ‘Show It’ in 1996 en in een daarop volgende meetcampagne waarin de mogelijkheden van 60 GHz-communicatie voor landmachttoepassingen in diverse operationele terreinen werden vastgesteld. Maar hoe mooi die toepassingen ook waren, onder aan de streep bleef de conclusie dat het nog te vroeg was voor betaalbare handzame apparatuur voor een dermate hoge radiofrequentie.
In 1999 zijn ook voor de Koninklijke Luchtmacht de mogelijkheden van millimetergolfcommunicatieapparatuur verkend en wel voor 44 en 60 GHz. Dit betrof de communicatie voor gevechts- en transporthelikopters en de toen nog onbekende opvolger van de F-16. Omdat altijd sprake was van ‘direct zichtverbindingen’ werd de haalbaarheid van alle beschouwde toepassingen vastgesteld op grond van internationaal erkende radiopropagatiemodellen en op eerdere inzichten, opgedaan met het 60 GHz-systeem van TNO.
Inmiddels was in 1995 een Europees Advanced Communications Technologies and Services Programme (ACTS) samenwerkingsverband opgestart, genaamd MEDIAN dat onderzoek verrichtte naar Wireless Broadband CPN (Customer Premises Network)/LAN for Professional and Residential Multimedia Applications. TNO kon deelnemen aan dit internationale consortium van elf partners waaronder Dassault Electronique, TU Eindhoven (onder aanvoering van de eerder genoemde Peter Smulders), IMST, Motorola en het Finse VTT Electronics. Het consortium heeft een aantal jaren gewerkt aan de realisatie van een draadloos LAN waarmee de haalbaarheid van breedbandige datadiensten op 60 GHz kon worden gedemonstreerd.
In dit MEDIAN-consortium bleek de slagkracht aanwezig die TNO onmogelijk alleen kon opbrengen. TNO heeft in dit consortium wezenlijk bijgedragen op het gebied van de ontwikkeling van het draadloze communicatieprotocol en van de digitale signaalprocessing. De wijze waarop het zendsignaal werd gecreëerd was een basale vorm van de communicatietechnologie die nu in 4G wordt gebruikt en eerdaags ook in 5G in nog geavanceerdere vorm zal worden toegepast. Aan het einde van het project in 1999 werden geslaagde demonstraties gegeven voor de EC project officer bij TNO locatie Waalsdorp en op de ACTS Mobile Summit in Sorrento, met video als toepassing. De technologie was nog niet bepaald geminiaturiseerd, maar vanuit het project werd al wel aangegeven dat dit een kwestie zou zijn van tijd. Dat duurde uiteindelijk zo’n 20 jaar bleek achteraf. Zo is in december 2012 de IEEE 802.11ad Wireless LAN standaard voor de 60 GHz-band uitgebracht.
Referentie
Overduin, R., & Smulders, P. F. M. (1994). Feasibility of broadband inroom radio communications at 60 GHz. In Proc. 5th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC 1994 (pp. 119-126)
Met dank aan
Deze bijdrage is geschreven door Ir. R. Overduin en collega’s