FREEDOMSFutur REsEau trs haut dbit pour applications DOMestiques et Spatiales

Appel Projet ANR Tlcommunications Mai 2006

CEA-Leti

STMicroelectronics

CNRS (Plateforme millimtrique)

Thomson

Alcatel Alenia Space

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SOMMAIRE1 RSUM..................................................................................................................................................................4 2 DESCRIPTION COURTE DU PROJET ...........................................................................................................5 2.1 MOTIVATIONS ET PERTINENCE...........................................................................................................................5 2.2 ENJEUX: SCIENTIFIQUES, TECHNIQUES, CONOMIQUES ASSOCIS...............................................................................9 2.3 DESCRIPTION DES OBJECTIFS ..........................................................................................................................10 2.4 CARACTRE NOVATEUR DU PROJET...................................................................................................................11 2.5 VERROUS SCIENTIFIQUES ET/OU TECHNOLOGIQUES LEVER.................................................................................11 2.6 MTHODOLOGIE, RSULTATS ET PERSPECTIVES...................................................................................................12 3 BUT DU PROJET ................................................................................................................................................13 4 CONTEXTE ET TAT DE L'ART ..................................................................................................................15 4.1 ETAT DE LART.............................................................................................................................................15 4.1.1 Systmes de communication 60 GHz ............................................................................................15 4.1.2 Applications satellitaires 60 GHz...................................................................................................16 4.1.3 Etat de lart Technologique...............................................................................................................17 4.2 SITUATION DU MARCH, ANALYSE DE LA CONCURRENCE, TENDANCES ..................................................................18 4.3 NORMES, BREVETS, RGLEMENTATION .............................................................................................................21 4.4 AUTRES PROJETS CONNUS PORTANT SUR DES SUJETS PROCHES ..............................................................................21 4.5 QUALIFICATIONS DES ACTEURS ET VALEUR AJOUTE DE LA COOPRATION .............................................................22 4.6 PLATEFORME CNRS MILLIMTRIQUE MMW (IEMN, IXL, LAAS, LEST) ............................................22 4.6.1 IEMN.................................................................................................................................................22 4.6.2 IXL ...................................................................................................................................................23 4.6.3 LAAS ................................................................................................................................................23 4.6.4 LEST ................................................................................................................................................24 4.7 PARTENAIRES INDUSTRIELS.............................................................................................................................25 4.7.1 STMicroelectronics ..........................................................................................................................25 4.7.2 AlcatelAleniaSpace (AAS-F) ...........................................................................................................25 4.7.3 THOMSON ......................................................................................................................................26 4.7.4 CEA-LETI.........................................................................................................................................27 5 ORGANISATION DU PROJET ET DESCRIPTION DES SOUS PROJETS.............................................29 5.1 SOUS-PROJET 1 : ARCHITECTURES...................................................................................................................31 5.1.1 Description du sous-projet, du responsable et des partenaires ........................................................31 5.1.2 Objectifs du sous-projet ....................................................................................................................31 5.1.3 Dtail des ralisations ......................................................................................................................31 5.1.4 Livrables...........................................................................................................................................33 5.2 SOUS-PROJET 2: CONCEPTION ET INTGRATION SILICIUM.....................................................................................34 5.2.1 Description du sous-projet, du responsable et des partenaires ........................................................34 5.2.2 Objectifs du sous-projet ....................................................................................................................34 5.2.3 Dtail des ralisations et chances .................................................................................................34 5.2.4 Livrables...........................................................................................................................................38 5.3 SOUS-PROJET 3 : TRAITEMENT BANDE DE BASE .................................................................................................39 5.3.1 Description du sous-projet, du responsable et des partenaires ........................................................39 5.3.2 Objectifs du sous-projet ....................................................................................................................39 5.3.3 Dtail des ralisations ......................................................................................................................39 5.3.4 Livrables...........................................................................................................................................41 5.4 SOUS-PROJET 4 : VALIDATION TESTS ET DFINITION DES MODULES ......................................................................43 5.4.1 Description du sous-projet, du responsable et des partenaires ........................................................43 5.4.2 Objectifs du sous-projet ....................................................................................................................43 5.4.3 Dtail des ralisations.......................................................................................................................43 5.4.4 Livrables .........................................................................................................................................46 5.5 SOUS-PROJET 5 : DMONSTRATEUR APPLICATIF ...............................................................................................48 5.5.1 Description du sous-projet, du responsable et des partenaires ........................................................48 5.5.2 Objectifs du sous-projet ....................................................................................................................48 5.5.3 Dtail des ralisations ......................................................................................................................48 5.5.4 Livrables...........................................................................................................................................49

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6 RSULTATS ESCOMPTS PERSPECTIVES ...........................................................................................50 6.1 CRITRES DE RUSSITE DU PROJET PAR RAPPORT AUX OBJECTIFS VISS ..................................................................50 6.2 RETOMBES SCIENTIFIQUES.............................................................................................................................50 6.3 RETOMBES INDUSTRIELLES ET CONOMIQUES....................................................................................................50 6.4 PARTICIPATION AUX ORGANISMES DE NORMALISATION OU STANDARDISATION .........................................................51 7 PRINCIPES DE L'ACCORD DE PROPRIT INTELLECTUELLE QUI SERA SIGN.....................52 8 RALISATIONS FINALES ET INTERMDIAIRES, CHANCES, REVUES DE PROJETS..........53 9 BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................................................53 10 PLANNING ET FOURNITURES....................................................................................................................54 11 MAIN DUVRE ET COTS ........................................................................................................................55

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Rsum

On constate ce jour que le canal hertzien ne permet pas daccder des dbits dpassant 500 Mbits/s. Les terminaux et les rseaux daccs sans fils sont donc toujours un goulot dtranglement ne permettant pas dexploiter au mieux, avec des terminaux nomades, les possibilits des technologies de linformation et de la communication. Lide dexploiter le large spectre disponible autour de 60 GHz pour des communications trs haut dbit, courtes distances nest pas nouvelle. Cette ide a dj t tudie dans le pass (RNRT COMMINDOOR et galement plusieurs projets IST) mais larrive des dernire technologies CMOS permet denvisager une trs forte diminution des cots des composants (Front-ent RF) offrant ainsi la possibilit de crer un march de volume en autorisant un dploiement grande chelle de ces futurs rseaux. Le projet FREEDOMS vise dmontrer la faisabilit dune liaison radio 60 GHz trs haut dbit (1 Gbits/s attendu, dans le volume dune pice) laide de circuits raliss sur des technologies avances (CMOS-SOI 65nm) et intgrant des antennes agilit de faisceau. FREEDOMS permettra damliorer, la fois au niveau du terminal et du rseau daccs, la cohrence des divers systmes de transmission filaires et sans fil. Les aspects protocoles (MAC) ne seront pas directement traits dans FREEDOMS qui se focalisera sur le dveloppement des briques juges essentielles pour assurer le dveloppement de la couche physique des rseaux personnels WPAN (Wireless Personal Area Network) millimtriques ou des communications inter et intra satellites. Dautre part, limplmentation partielle (cot rception uniquement) dun lien radio bas sur des techniques radio impulsionnelle (Ultra Large Bande) permettra de raliser une opration de mesure de distance offrant ainsi la possibilit de localiser les terminaux. Cette possibilit pourra tre exploiter soit au travers des couches protocoles (routage dans les rseaux adhoc, stratgies multi-bond, optimisation de consommation,), soit pour dvelopper des services bass sur linformation de localisation ( Context aware services ). Cette bande de frquence prsente galement un grand intrt dans le domaine spatial. En effet, lattnuation supplmentaire (15dB/km) due une raie dabsorption de loxygne centre 60 GHz permet de mieux isoler les liaisons intersatellitaires (et de les prserver ainsi des ventuels perturbateurs terrestres) ou de pouvoir, dans les systmes WPAN, r-utiliser la frquence dans la cellule adjacente vitant ainsi une coteuse planification de frquences. De plus, de part sa robustesse intrinsque aux rayonnements, la technologie SOI envisage dans FREEDOMS est bien adapte aux applications spatiales. Summary Today, data rates of radio access networks and terminals are limited to some 100 Mbps. This limitation does not allow wireless technologies to propose a continuous stream at very high data rates from the terminal to the final application. Therefore, although the idea of transmitting in the 60 GHz ISM band to design very high data rate links is not new, using the emerging nanotechnology area to drastically reduce the components cost count can be now envisioned. Such a technology makes it possible the deployment at a large scale of very high data rate millimetre waves links for short range communications. The goal of FREEDOMS is to demonstrate the feasibility of a 60 GHz very high data rate (>500Mbps) radio link with integrated devices designed on an advanced CMOS-SOI 65 nm technology. Versatile antennas using beam forming techniques will also be designed on the same technology. Neither MAC nor protocol layers will be addressed in this project, but some key functions in direct relation with upper layers will be evaluated. More precisely the project will study the possibility of changing the radiating pattern of an integrated beam forming antenna with a signal coming from the baseband. In the same idea by using existing blocs of some partners, a minimum of additional functions will be designed in order to demonstrate an impulse radio

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link at 60 GHz with ranging capabilities. Ranging will be a key functionality for future deployment of millimetre wave adhoc networks. An other goal of the project is to address satellite-to-satellite communications. At 60 GHz the oxygen absorption peak provides a good physical immunity to terrestrial interferences, in addition to the natural SOI robustness against radiations effects. Thereby this project becomes also of great interest for high data communications between satellites organised in a short range constellation.

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Description courte du projet

2.1 Motivations et pertinence Alors que les supports filaires permettent aujourdhui de transporter des flots de donnes des dbits de plusieurs centaines de Mbits/s (Ethernet, USB2, firewire/IEEE1394), les rseaux daccs radio (rseaux locaux, rseaux personnels) atteignent pniblement quelques 10 Mbits/s avec trs vite de fortes dgradations dues au canal radio. Ainsi, aujourdhui le trs haut dbit nest pas accessible pour les objets nomades. Ce dcalage est illustr sur le graphe ci-dessous (figure 1) avec la superposition de lvolution de 2 supports filaires (Ethernet et USB2.0) avec deux standards de communications radio hertziens. La principale raison de cette limitation est due labsence dune bande passante suffisante dans des bandes de frquences infrieures 6 GHz, gamme de frquence dans laquelle des technologies fort pouvoir dintgration et orientes low cost sont disponibles aujourdhui. Au dbut des annes 2000, ce constat a t la base de la forte motivation pour promouvoir la technologie Ultra Large Bande. Cette forte demande industrielle pour satisfaire les besoins applicatifs engendrs par la multiplication des objets nomades a permis dobtenir, de la part des autorits de rgulation amricaine, une autorisation dmettre des signaux ULB (Ultra Large Bande). En effet, en ayant accs 7,5 GHz de bande (de 3,1 10,6 GHz), lULB est une technologie bien adapte au trs haut dbit et a fait lobjet de forts dbats lIEEE (802.15.3a). Cependant, la disponibilit de cette bande est loin dtre acquise pour tous les continents, de plus le niveau de puissance autoris est trs faible (avec un maximum de -2.5 dBm sur les 7.5 GHz de bande) et les liaisons ULB devront galement cohabiter avec de nombreux autres utilisateurs de cette bande spectrale (avec entre autre WiFi). Lide dutiliser une bande ISM ( Industrial Scientific Medical ) sans licence (environ 3 GHz communs aux Japon, US, CE) autour de 60 GHz pour des liens haut dbit (applications WPAN) nest pas nouvelle avec de nombreux travaux de R&D durant la dernire dcennie la fois au niveau Europen (IST MEDIAN, BROADWAY) mais galement au RNRT avec comme par exemple le projet COMMINDOR achev en 2002. A lpoque, ces projets mettaient en uvre pour les tages radiofrquences des technologies base darsniure de gallium (AsGa).

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Evolution des standards 10000 10 10GBase-T 1000 1000Base-T 2.0 USB2.0 100 10 10Base-T Ethernet 100 100Base-T 802.11 802.11a 1.1 USB1.1 USB 1.0 USB1.0 802.11 802.11b WLAN 802.11 WPAN

60 GHz 802.15.3

1000

802.11

10 () D bit (Mbps) 1

1 1Base-T

0,1 1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

Ann e

Figure 1 : Evolution des standards Aujourdhui, les toutes dernires technologies silicium CMOS permettent de concevoir des circuits radio en bande millimtrique. Cette avance technologique laisse prsager des opportunits de dploiement de rseaux sans fils trs haut dbit compatible avec des cots acceptables pour satisfaire les contraintes conomiques des marchs grand public. Cette analyse et cette forte opportunit conomique nont pas chapp aux grands fabricants de semi-conducteurs tels que INTEL, IBM, Freescale, NEC qui depuis 2 ans publient de nombreux papiers sur le sujet. De plus, depuis 2004 un groupe spcifique t cre au sein de la standardisation IEEE, il sagit du 802.15-3c, lactivit de ce groupe est de plus en plus importante, les travaux visent actuellement tablir un modle de canal afin de comparer des architectures alternatives de couches physique en exploitant un modle de propagation commun. Dans ce contexte, FREEDOMS vise dmontrer la faisabilit dun lien radio 60 GHz trs haut dbit (de 500Mbits/s 1 Gbits/s) laide de circuits raliss sur des technologies silicium avances de type CMOS-SOI intgrant des antennes agilit de faisceau. FREEDOMS permettra damliorer, la fois au niveau du terminal et du rseau daccs, la cohrence des divers systmes de transmission filaires et sans fil. Les aspects protocoles (MAC) ne seront pas directement traits dans FREEDOMS qui se focalisera sur le dveloppement des briques juges essentielles pour assurer le dveloppement de la couche physique des rseaux WPAN millimtriques ou des communications inter et intra satellites. Dautre part, limplmentation partielle (cot rception uniquement) dun lien radio bas sur des techniques radio impulsionnelle (Ultra Large Bande) permettra de raliser une opration de mesure de distance offrant ainsi la possibilit de localiser les terminaux. Cette possibilit pourra tre exploiter soit au travers des couches protocoles (routage dans les rseaux adhoc, stratgies multi-bond, optimisation de consommation, ), soit pour dvelopper des services bass sur linformation de localisation ( Context aware services ). Cette bande de frquence prsente galement un grand intrt dans le domaine spatial. En effet cette gamme de frquence correspond une raie dabsorption de loxygne (attnuation supplmentaire de 15dB/km). Cette attnuation additionnelle permet de mieux isoler les liaisons intersatellitaires (et les prserver ainsi des ventuels perturbateurs terrestres) ou de

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pouvoir, dans les systmes WLAN, rutiliser la frquence dans la cellule adjacente vitant ainsi une complexe planification de frquences. Dans le domaine satellitaire, cet intrt a t mis en avant ds lavnement des premires constellations de satellites ddies des applications de tlphonie mobiles ou des applications multimdia. Le projet multimdia Teledesic visait il y a dj dix ans lutilisation de liens inter-satellites en bande V (60 GHz). Faute de maturit technologique cette poque, les liens inter-satellites mis en uvre avec la constellation Iridium par exemple ont utilis la bande Ka (vers 23 GHz). Aujourdhui, les liens inter-satellitaires sont galement considrs pour des missions scientifiques ou dobservation. En effet, ces missions sont aujourdhui principalement limites par le volume des instruments embarqus. Si les technologies de dtection et de traitement du signal/information permettent des prouesses de prcision, les tailles des optiques, des lentilles, les focales souhaites sont matriellement bornes par les limitations en taille de la plate-forme satellite et les capacits des lanceurs. Lide est donc de rpartir les diffrentes fonctions des instruments sur deux, voire plusieurs satellites, et dutiliser des liaisons inter satellites 60 GHz pour les coordonner et les interconnecter. Outre les liaisons inter-satellites, lquivalent du sans fil domestique pour des applications spatiales est la liaison intra satellite : il sagit de relier entre-eux les quipements du satellite travers un rseau local. A ce jour, le systme de gestion de donnes (OBDH pour On Board Data Handling System) est bas sur des liaisons filaires de type avionique (standard 1553). Dans un premier temps, il vise rduire lencombrement et la masse des harnais DC en envisageant un transit sans fil des donnes de tlcommande et de tlmtrie entre lunit centrale et lensemble des quipements de la charge utile. Diffrentes technologies sont envisages telles que les transmissions optiques infra-rouges ou la technologie des courants porteurs permettant de vhiculer les signaux de commande et de tlmesure par couplage sur les bus de tensions dalimentation, en lieu et place des connexions filaires utilises aujourdhui. Une autre alternative serait lutilisation de radiofrquence sans fil (exemple BlueTooth). Toutes ces solutions prsentent des inconvnients qui limitent leur dploiement. Lutilisation dune liaison hyperfrquence en bande V est une solution trs prometteuse ds que la technologie sera disponible. La bande V prsente aussi lnorme avantage dtre trs loin des bandes de frquence habituellement utilises pour des tlcommunications spatiales, et donc dviter tout problme de compatibilit lectromagntique. Lvolution des dbits distribuer dans un environnement domestique est lie trois secteurs commerciaux avec un moteur particulier pour les trs hauts dbits quest la tlvision HD.: Le secteur du monde informatique, avec des changes de fichiers de plus en plus gros, contenant des flux datas, audios, photos, vidos Le secteur de llectronique grand public, et en particulier le march de la vido Haute Dfinition sur les tlvisions. Le secteur des quipements mobiles tels que les camras vidos, les appareils photos, les tlphones portables, les PDA, les baladeurs, Les formats courants conduisent des dbits de lordre de 1.5 Gbps (non compress) et atteindront plusieurs Gbps comme le montre la figure ci-dessous.

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De plus la convergence entre ces quipements, implique non seulement un lien sans fil, lequel simplifie les soucis de connectique, mais aussi un faible encombrement du module sans fil afin de pourvoir lintgrer facilement dans tous les appareils. La technologie 60 GHz est particulirement approprie ces deux spcificits. Parmi les scnarios dutilisation explorer on peut citer lchange de vidos au format Haute Dfinition (ncessitant un trs haut dbit) entre diffrents appareils tels que la TV, le camscope, un dcodeur, et un serveur domestique (Media Center).

HD Flat Display

HD camcorder

Decoder or CD player

Media client server8

Une autre application montrant lintrt dun lien sans fil trs haut dbit, concerne le tlchargement de fichiers, en particulier audiovisuels en trs peu de temps. Le tableau ci-dessous fait une comparaison des temps de tlchargements entre diffrentes technologie existantes et une technologie trs haut dbit, pour des supports de taille diffrentes.

On constate en particulier que le temps ncessaire pour charger un film de 1 Gbytes (en qualit SD) prendra 2.4 mn avec du WiFi 802.11a alors quil ne prendrait que 8s avec une technologie possdant un dbit de 1 Gbps. De mme, un film en qualit DVD prendra 10 mn en WiFi 802.11a alors quil ne prendrait que 34 s avec un dbit de 1 Gbps et 13 s avec un dbit de 2.5 Gbps. Cette capacit de transfert trs haut dbit va ouvrir de nouveaux champs dapplication commerciaux et de nouveaux usages domestiques. 2.2 Enjeux: scientifiques, techniques, conomiques associs Le premier dfi sur lequel va se concentrer le projet concerne la miniaturisation des systmes de radiocommunication avec des recherches dans le domaine technologique o nous proposons dexplorer la faisabilit de raliser des modules radiofrquences complexes miniaturiss en exploitant et poussant aux limites les filires nanolectroniques CMOS . Le second dfi concerne les principes de communication envisags o le projet soriente vers des communications trs courtes distances, pouvant sorganiser en rseau, trs focalises optimisant les ressources nergtiques globales disponible. Enfin, le troisime dfi concerne les architectures matrielles et logicielles ncessaires qui devront tre robustes, reconfigurables afin de supporter les diverses contraintes environnementales. FREEDOMS propose dexplorer les potentialits dune filire CMOS SOI pour la ralisation simultane des antennes miniaturises et des modules de communication, ce qui va induire une augmentation trs importante de la densit dintgration engendrant ainsi une forte rduction des cots de fabrication. Enfin, les mthodologies de conception doivent galement tre tudies soigneusement car il sera important davoir une stratgie visant tudier certains phnomnes physiques (utilisant des modlisations lectromagntiques) et de dvelopper des modles lectriques quivalents les plus fidles possibles sur des trs large bande de frquence afin denvisager une modlisation de haut niveau pour concevoir les architectures des futurs systmes. 9

Il faut souligner que lutilisation de technologies silicium pour ce type dapplications (WPAN, communication inter et intra satellites, ) va se traduire par des modules ultra compacts dots dintelligence dont le cot de fabrication sera trs rduit, avec un impact conomique trs significatif. FREEDOMS permet galement de prparer larrive de nouveaux services numriques offrant des capacits de dbit et dinteractivit fortement accrus. Par exemple, la dmonstration de la possibilit de transmission simultane de plusieurs signaux vido haute dfinition et le tlchargement instantan de donnes multimdia, ouvriraient la porte de nouvelles applications et services utilisant les rseaux domestiques: jeux vidos interactifs, enregistrement et visualisation de programmes en haute dfinition (TVHD, DVD, etc). Le dveloppement de solutions sans fil optimales en termes de rapport performance/cot ouvre de relles perspectives conomiques de march grand public. 2.3 Description des objectifs FREEDOMS va concentrer ses efforts sur la dmonstration de la faisabilit dun lien sans fil 1 Gbits/s permettant ainsi une connectivit sans couture avec les bus numriques filaires classiques (e.g. standard IEEE 1394) ; ainsi il serait possible dinterconnecter sans fils des quipements domestiques numriques avec des dbits de lordre du Gbits/s. Le principal objectif de FREEDOMS sera de prouver la faisabilit dun SOC (System On Chip) pour lien radio trs haut dbit (performance attendu de 1 Gbit/s) sur des courtes distances (de 10 100 mtres), incluant : - La ralisation dantennes intgres afin daugmenter la compacit des modules de transmission - Le dveloppement dun tage RF (mission/rception) en technologie CMOSSOI compatible la fois avec des formes dondes mono porteuse et impulsionnelle en bande millimtrique - Le dveloppement des traitements numriques en bande de base adapts la fois aux formes dondes mono porteuses et impulsionnelles ; ce module devra tre galement capable deffectuer une mesure de distance - Un suivi actif de la standardisation lIEEE avec des contributions techniques - Une comparaison entre les deux formes dondes envisages (mono-porteuse et impulsionnelle) Le deuxime objectif de FREEDOMS est de valider des briques en lien avec un dploiement en rseau : - Agilit de faisceau sur les antennes. Lobjectif est de jouer sur le diagramme dantennes afin daugmenter la directivit soit pour amliorer le bilan de liaison (et ainsi offrir des dbits suprieurs), soit damliorer lincertitude sur les valuations de distance. - Mesure de distance en radio impulsionnelle Autres objectifs induits de FREEDOMS: - Mise en place dune bibliothque de briques de base qui permettra de rapidement sadapter aux besoins dun futur standard donnant ainsi aux partenaires du projet un fort avantage concurrentiel. Laspect modularit sera particulirement pris en compte afin de favoriser un portage de ces briques de base vers un nouveau domaine applicatif. - Dmontrer le concept dintgration htrogne (antennes intgres sur la puce)

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- Mise en place des outils de modlisation et de simulation permettant une conception rapide et robuste du systme radio (incluant loptimisation) 2.4 Caractre novateur du projet A notre connaissance, FREEDOMS est le premier projet de R&D visant tudier et promouvoir une technologie CMOS silicium bas cot pour des applications (WPAN, communications satellites) radiofrquences 60GHz. FREEDOMS est galement le premier projet proposer une intgration complte monolithique dun rseau dantenne dans un SOC (system on chip). Cest dautant plus vrai pour une application spatiale dont la technologie classique ce jour est lArsniure de Gallium (AsGa) avec la pousse vers des structures mtamorphiques pour la monte en frquence en rception. De plus, lobjectif dintgration monolithique (SOC) de lensemble dun tage RF millimtrique est un vritable challenge pour des applications spatiales qui en gnral adoptent des solutions moins intgres pour favoriser des besoins de flexibilit. Le dveloppement, lvaluation et la mise en place dune bibliothque de briques de base et la ralisation dun SoC commun des applications WPAN et communications spatiales est une approche originale. FREEDOMS permettra dvaluer des technologies novatrices pour deux applications aux caractristiques trs diffrentes : une sur les communications inter et intra satellites ncessitant une trs haute fiabilit, lautre sur les WPAN devant satisfaire les trs fortes contraintes de cots inhrentes ces applications grand public. Lambition clairement affiche ici est la recherche de ruptures technologiques majeures qui donneront notre industrie une avance apprciable en comptitivit. 2.5 Verrous scientifiques et/ou technologiques lever Les verrous que nous avons identifis pour ce projet sont de natures diverses et concernent la fois des aspects systme, des aspects de mthodologie de conception et de validation exprimentale darchitectures monolithiques (SOC) de systmes de communication miniaturiss tout silicium 60 GHz. Cette capacit propose par FREEDOMS denvisager une intgration monolithique du systme complet aura un impact conomique majeur car il permettra de satisfaire bon nombre dapplications industrielles o le cot est une contrainte forte. Nous allons maintenant donner quelques dtails en ce qui concerne ces verrous adresss par FREEDOMS : Au niveau systme, les architectures de communication 60 GHz utilisant des technologies CMOS nont jamais t abordes mme si lon relve quelques rsultats sur des briques de base. Compte tenu des limitations possibles des technologies CMOS ces frquences, il sera important dapporter de linnovation dans le domaine de la conception afin de pouvoir malgr tout garantir un systme de radiocommunication efficace et fiable. En particulier, les choix des composants passifs auront une importance dterminante sur les performances finales. Au niveau des dispositifs lmentaires, il sera important de valider les briques de base par des modles lctriques robustes afin de pouvoir envisager une modlisation complte de haut niveau et offrir des possibilits doptimisation au niveau systme. Lintgration dantennes miniaturises multifaisceaux est une des difficults et un des enjeux majeurs du projet. Enfin, la mthodologie de conception pour concevoir le systme doit tre tudie en dtail pour minimiser les drives technologiques lies au process , les sensibilits des divers composants et les consommations tout en optimisant les caractristiques millimtriques.

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Pour lever ces verrous, une priode de 36 mois est ncessaire. 2.6 Mthodologie, rsultats et perspectives Nous proposons dans FREEDOMS une dmarche descendante puisque nous focalisons les efforts de R&D sur la ralisation dun lien radio unitaire trs haut dbit courte distance. Les spcifications techniques de ce lien radio seront drives des donnes systmes imposes la fois par les standards en cours ou futurs des WPANs 60 GHz. La partie rception devra permettre un mode mixte de fonctionnement soit avec une forme donde monoporteuse ou une forme donde impulsionnelle. Pour ce dernier mode, nous veillerons ce que larchitecture slectionne permette de rutiliser au maximum les fonctions dveloppes lors de lapproche monoporteuse. Les divers sous-systmes ou briques de base seront dvelopps sur une technologie silicium dont nous chercherons exploiter et pousser au mieux les potentialits dans le domaine de la conception dtages radiofrquences millimtriques. Cette mthodologie permettra de dvelopper une bibliothque de blocs rutilisables dans dautres architectures RF millimtriques mettant en uvre dautres formes dondes et dainsi satisfaire rapidement potentiellement dautres propositions faites en standardisation. Ce dernier point nous semble essentiel, en effet les efforts en standardisation ne font que commencer et les solutions finales adoptes ne sont pas connues. Il convient de prparer lavenir tout en conservant toute la souplesse ncessaire pour appliquer les rsultats du projet le plus rapidement possible lorsquun standard mergera. Les principaux rsultats attendus de FREEDOMS sont : La caractrisation de la technologie silicium envisage ces frquences, Le dveloppement dune bibliothque de briques de base gnriques (composants passifs et actifs) millimtriques en technologie CMOS La ralisation dantennes et de rseaux dantennes intgres sur silicium Les techniques de traitement du signal (traitement bande de base) spcifiques et adaptes aux 2 formes dondes proposes (mono-porteuse et impulsionnelle) La ralisation dun module trs compact tout silicium et avec une orientation SOC permettant dtablir un lien radio unitaire trs haut dbit (1Gbits/s) sur des courtes distance (10 100 mtres). Le test du systme complet et la dmonstration dun lien vido haute dfinition.

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But du projet

Le but de FREEDOMS est daboutir un dmonstrateur complet permettant de valider des briques critiques en technologie CMOS dun lien radio trs haut dbit (1Gbits/s) pour : Le dveloppement des futurs rseaux WPAN trs haut dbit 60 GHz Les communications inter et intra satellites. Dans ces gammes de frquence, les pertes (inversement proportionnelle au carr de la frquence) lies la propagation dans latmosphre sont importantes, mais les puissances autorises sont au moins de 20 dB suprieures ce qui est autoris pour lULB dans la plage de frquences comprises entre 3,1 et 10,6 GHz. Dautre part, le gain sur les antennes peut tre important ces frquences et devrait permettre de compenser sans trop de problme les pertes lies la monte en frquence. Dans ce contexte, la directivit des antennes va naturellement limiter les effets nfastes induits par la prsence de trajets multiples, ainsi des modulations monoporteuse simple (par exemple une modulation QPSK) ncessitant de faibles niveaux de recul sur les amplificateurs devraient conduire un trs bon rapport performance/complexit du systme global. Le cur de FREEDOMS consistera donc dmontrer la faisabilit en technologie silicium dun lien trs haut dbit (1Gbits/s) selon le schma de la figure 2. Sur cette figure, les blocs en rose sont ceux qui feront lobjet dun dveloppement spcifique en technologie CMOS SOI. Le choix sest port sur ces blocs car ceux sont les plus critiques raliser et cest de ces derniers que la performance globale du lien radio sera obtenue. Les blocs en bleu seront quant eux raliss partir de composants existants afin doptimiser le cot global du projet, les blocs en blanc sont disponibles. Enfin, pour valider la possibilit de raliser des antennes directives agilit de faisceau, un rseau dantennes sera conu, coupl au lien et test. Dans une architecture de type rseau adhoc , la position des noeuds est une donne primordiale pour loptimisation du rseau. LULB, en mode impulsionnel, est une technologie trs bien adapte pour effectuer des mesures de distance partir dun simple calcul de temps de vol (principe utilis dans les techniques radar). La transposition dimpulsion 60 GHz permet de bnficier des bonnes proprits de rsolution spatiale (et donc dune trs forte prcision de linformation de distance) tout en bnficiant dun niveau de puissance dmission nettement plus confortable que celui de la FCC. A noter qu 60 GHz, lutilisation dimpulsions ULB au sens donn par la FCC se traduit par une bande relative de quelques pourcents seulement, il ny a donc pas de complexit supplmentaire sur les ttes de rception radio contrairement ce quil se passe dans les bandes de frquences traditionnelles (3,1 10,6 GHz). Aprs avoir identifi et rutilis les blocs communs aux deux approches (monoporteuse et impulsionnelle), un minimum de fonctions spcifiques sera dvelopp afin de dmontrer la faisabilit, en technologie silicium, dun lien radio impulsionnel 60 GHz et la capacit de ce lien radio fournir une information de distance avec une prcision sub_mtrique. En mode impulsionnel, la partie mission ralise en technologie III-V sera prte par lIEMN pour la dmonstration.

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Figure 2: schma de larchitecture systme Le projet FREEDOMS permettra de lever des verrous indispensables pour assurer le dveloppement des futurs rseaux radios millimtriques trs haut dbit.. A travers lutilisation de technologies CMOS- SOI avances, FREEDOMS permettra une intgration monolithique dune liaison radio haut dbit et performante, la capacit dexploiter des technologies intrinsquement peu onreuses permettrant de plus de satisfaire les fortes contraintes de cots inhrentes aux applications multimdias domestiques. La forte capacit dintgration de ces technologies ainsi que le faible encombrement des antennes permettra terme de raliser des liens radio extrmement compacts intgrables dans de nombreux objets (setup box, PC, TV, magntoscopes, ). FREEDOMS rpond plus particulirement la thmatique trs haut dbit de lappel doffre. FREEDOMS fait appel plusieurs technologies et expertises prsentes dans le consortium (ULB, technique mono porteuse, antennes agiles, algorithme de mesures de distance, traitement du signal). Les rsultats de FREEDOMS seront valids au travers dun dmonstrateur. Compte tenu de la nouveaut (technologie silicium) et de loriginalit des solutions techniques proposes ltude, FREEDOMS offre de relles opportunits de brevets d'invention et de contribution en standardisation. Dautre part, tant donn la jeunesse de la technologie CMOS-SOI, FREEDOMS sinscrit sans aucun doute en amont du dveloppement industriel, avec une horizon march au del de 5 ans ; il rentre donc naturellement dans la catgorie recherche industrielle , plus particulirement dans le cadre dun projet dintgration.

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4

Contexte et tat de l'art

4.1 Etat de lart 4.1.1 Systmes de communication 60 GHz Comme dj mentionn en introduction les travaux dans ce domaine sont nombreux, attiss par les relles opportunits conomiques offertes moyen ou long terme.. Aux USA, les acteurs pertinents sur les thmatiques conception CMOS millimtrique sont : Universit de Berkeley BWRC, Universit de Californie UCLA, IBM Research et INTEL Research. Au Japon, NEC est trs actif dans le domaine du millimtrique avec lintroduction rcente dun lien 1 Gbits/s (RF1394, voir figure 3) pour des applications multimdias bases sur le standard IEEE 1394a-2000. Les circuits dvelopps (AsGa) implmentent des modulations simples (ASK) et permettent des ports de 17 m en condition de visibilit des antennes (Line-Of-Sight) pour une puissance mise de 10 mW [1], le dbit atteint est de 1.25Gbits/s. En EUROPE, lIEMN-IRCIA a propos et dmontr pour la premire fois la possibilit de transposer un signal impulsionnel ULB en bande de base autour de 60 GHz pour des liaisons trs haut dbit (> 500 Mbits/s) courte porte (# 10 m) en utilisant des filires PHEMT 0.2 m et 0.1m [2], [3]. A ce jour les travaux les plus aboutis et les plus proches du programme vis dans FREEDOMS sont ceux mens par IBM [4]. Depuis 2004, IBM a ralis et test toutes les fonctions lmentaires (VCO, LNA, PA, mlangeur) sur une technologie SiGe et ralis selon un concept chip on board le premier transceiver utilisant une architecture conversion directe - voir figure 4. Notons que le dmonstrateur prsent est constitu dune puce de silicium intgrant toutes les fonctions RF lexception de lantenne dporte sur verre pour des raisons de performances lectriques. Le dbit atteint est de 620 Mbits/s 10 mtres. IBM travaille sur 2 types darchitecture: lune est base sur une modulation ASK assez rudimentaire avec des antennes directives et lautre sur une modulation multiporteuse OFDM lorsque des antennes omnidirectionnelles sont utilises. Aujourdhui, lagilit de faisceau nest pas aborde, ce qui implique de faire un choix sur le type darien et larchitecture. Dans le cas de FREEDOMS, la souplesse apporte par les antennes multifaisceaux permettra de couvrir lensemble des besoins avec une seule et relativement simple architecture. Les objectifs court terme dIBM semble dans un premier temps le packaging pour aller vers un SIP (system in package) puis moyen terme de dmarrer une roadmap en technologie CMOS.

Figure 3 : Transceiver NEC pour lien TV haute dfinition 1.25 Gbps

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Figure 4: Transceiver IBM SiGe type chip on board 4.1.2 Applications satellitaires 60 GHz Aujourdhui les applications satellitaires dj envisages sont de trois natures: Des liens inter satellites longue distance telles que les liaisons inter satellitaires des constellations de satellites pour des applications de tlphonie mobile(ex : Iridium) ou des applications multimdia (Teledesic), ces applications ne rentrent pas directement dans le cadre de FREEDOMS du fait de la distance importante potentielle entre les satellites de la constellation (plusieurs centaines de km quelques milliers). Des liens inter satellites moyenne distance permettant doprer des vols en formation pour le fonctionnement desquels deux niveaux dchanges inter satellitaires sont oprables : Le niveau basique dchange inter-satellites dun vol en formation concerne le pilotage de la formation et les servitudes bord standard. Le volume de ces changes nest pas identique dune mission lautre mais dpendra des stratgies retenues par les chanes Guidance Navigation Control et de Commande/Contrle. Des missions nombre de satellites important, haute prcision de pointage et de positionnement, exigent un minimum de retard de phase entre la mtrologie et lactionnement et ce pour assurer la stabilit et la prcision des boucles dasservissement. Dans ce cas, le lien RF peut ncessiter une frquence, une clrit et un volume dchanges non compatible avec les performances offertes par la mtrologie RF classique. Do lintrt de mettre en oeuvre des liaisons intersatellites capables de supporter de haut dbit de donnes. Les distances de ce type de missions sont compatibles des aspirations du projet FREEDOMS puisquune majorit dentre elles restent en de des 100m comme le rsume le tableau prsent ci-dessous, donn titre dillustration : ASPICS SIMBOL-XAstronomie rayons-X 2 30m 1 sat. lentille - 1 sat. Occulteur + imageur - 1 sat. coronographe 1 sat. dtecteur

MAX

XEUS

ROMULUSDtection radar

PEGASE

DARWIN

- Missions - Nb de Satellite Distance CU passive CU active

Coronographi e solaire 2 100m

Spectroscopie rayons- 2 86m 1 sat. lentille 1 sat. dtecteur

Spectroscopie stellaire 2 50m 1 sat. lentille 1 sat. dtecteur

4 20 30 m 3 sat. Recepteur radar 1 sat. Emetteur/Recepte ur radar

Interfromtri Interfromtri e exoe exoplantes plantes 3 5 25 - 250m 15 - 80m 2 sat. miroirs 3 sat. miroirs 1 sat. recombinateur 1 sat. recombinateur

Tableau 1 : Les missions vol en formation du CNES et de lESA Des liaisons intra-satellite sans fil radiofrquence pour lesquelles des tudes de compatibilit lectromagntique effectues sur des standards radiofrquences sans fil 16

tel que Bluetooth ont eu tendance carter les communications RF au profit de solution optique ou courants porteurs dans la mesure ou la bande de frquence Bluetooth pouvait tomber dans la bande utile de transpondeurs du satellite. A ce titre, lutilisation dune liaison radiofrquence en bande V relance le dbat des liaisons intra-satellites radiofrquences. En terme de dbit, le sans fil embarqu vise en priorit le transit des signaux de telcommande et de tlmtrie, soit des applications relativement bas dbit atteignant quelques dizaines de kbits/s. Mais terme, des applications de liens RF entre instruments sont envisages. La NASA envisage par exemple des liens RF haut dbit entre instruments, dune mme plate-forme, comme ceux dune chane image entre le capteur et le compresseur dimage, lESA, avec le projet Spacewire, traite de communications numrique entre quipements inspires du firewire du monde informatique soit des dbits pouvant atteindre plusieurs gigabits. 4.1.3 Etat de lart Technologique A ce jour, peu de travaux ont t consacrs lintgration des antennes et la co-conception antennes amplificateurs. Il nexiste pas de systmes sur puce CMOS RF 60GHz. On notera essentiellement des ralisations sur des briques RF (LNA, VC0, Mixer, Divider, PPA,) en technologie CMOS Bulk 130 et 90nm (Berkeley BWRC). Avantages de la Technologie CMOS SOI de ST Cette technologie offre un certain nombre davantage en terme de consommation de puissance, de rapidit de commutation des composants actifs, disolation lectrique et de performances des lments passifs. Lisolation du transistor par un caisson doxyde permet une rduction des capacits parasites et autorise donc un fonctionnement plus rapide des blocs numriques ou une consommation plus faible de 30 40 % vitesse quivalente. Compte tenu de la complexit venir des circuits numriques pour les tlcoms futurs (quelques millions de portes), cette baisse de consommation est un atout majeur. La technologie SOI est souvent associe un substrat Haute Rsistivit de 1000 Ohms.Cm contre 18 Ohms.Cm sur une technologie CMOS Bulk. Ce substrat permet dune part damliorer les isolations lectriques entre les blocs analogiques et les blocs numriques et dautre part damliorer les pertes substrat des composants passif (Inductances, lignes de transmission). Lisolation intrinsque des transistors permet le contrle de chaque substrat par une tension dalimentation spare et la conception de commutateur de puissance dantenne jusque la irralisable en technologie CMOS bulk. La qualit des structures passives amliore les performances lectriques de certains blocs analogiques ou permet den rduire la surface de 20% performances quivalentes et ainsi de minimiser le surcot du procde de fabrication. Le graphe ci-dessous montre lintrt de la technologie CMOS SOI 130nm sur substrat haute rsistivit pour les applications millimtriques compte tenu des faibles pertes dinsertions sur les lignes de transmissions. On note de mme une augmentation du facteur de qualit des inductances de 50%. Pertes de 0,3 dB/mm 20GHz contre 1dB pour le CMOS Bulk Pertes de 0,7 dB/mm 60GHz contre 2,2 dB pour le CMOS Bulk

Cet cart consquent sur les pertes dinsertion entre les technologies Bulk et SOI 130nm sera dgrad dun facteur deux sur le nud technologique 65nm compte tenu de la rduction des paisseurs doxyde.

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Coefficient de qualit des inductances sur Pertes dinsertion par silicium faible et haute rsistivit substrat diffrentes technologies

millimtres

pour

Le graphe ci-dessous permet de comparer sur un certain nombre de critres les performances de la technologie CMOS SOI avec les technologies SiGe, GaAs et InP. Les critres qui nous intressent tout particulirement pour les applications WPAN 60Ghz sont : la faible tension dalimentation, la haute frquence, la complexit dintgration et lintgration faible cot. Sur ces quatre critres la technologie CMOS SOI prsente le meilleur compromis.

complexite d'integration (SoC) Puissance

Faible bruit 5 4 3 2 1 0"

faible tension

GaAs InP CMOS SOI SiGe

Haute frquence

fiabilite Faible cout (SoC)

W afer size Haute Tension

4.2 Situation du march, analyse de la concurrence, tendances Pour les applications domestiques, la situation du march, lanalyse de la concurrence et les tendances, peuvent tre analyses partir de plusieurs points majeurs. Tout dabord, il est important de noter que les cots actuels de cette technologie nont pas permis de placer des produits sur le march domestique. Certaines socits (BridgeWave, Sibeam,) proposent des quipements pour raliser des liens sans fils 60 GHz avec des dbits de 1.25 Gbps, mais un cot qui reste lev de lordre de 20 000 $. Par contre, comme dcrit au 2.1, la tendance est clairement laugmentation du dbit pour atteindre le Gbps et plus, et ceci de part lavnement de la vido Haute Dfinition et de la distribution de contenus de plus en plus riches .

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Ce segment de march est celui vis par les technologies concurrentes, c'est--dire lUWB et le WiFi MIMO (IEEE 802.11n). En effet tout lintrt de ces technologies est de proposer des dbits sur un support sans fil suprieurs 100 Mbps, avec des objectifs de 1Gbps pour lUWB et de 600 Mbps pour le 802.11n. Cependant chacune de ces technologies possdent les inconvnients de ses avantages, c'est--dire : LUWB vise 1 Gbps, grce la grande bande de frquence disponible, mais seulement 1 m du la trs faible puissance de transmission autorise. Nanmoins, lUWB utilisant la bande de 3.1 GHz 10.6 GHz rencontre de nombreux problmes de rgulation au niveau international, et la bande de frquence se rduit do le dbit maximum aussi. Le 802.11n implmente une technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) sur du WiFi, cest donc un moyen de faire voluer vers des dbits plus levs, une technologie largement utilise et dploye. Cependant, du fait de la multiplication des voies dmissions et de rceptions, lencombrement (antennes) et le cot sen trouvent accrues. Lavantage majeur de ces deux technologies est quelles ne ncessitent pas un lien direct, au contraire, elles tirent profit des multi trajets. Les inconvnients sont des dbits infrieurs 1 Gbps, des encombrements non ngligeables et surtout une gestion des interfrences compliques du fait de lencombrement des bandes de frquence utilises. Comme le montre la figure 5 ci-dessous, la technologie 60 GHz a de gros avantages, car cest la seule qui est capable de proposer des dbits suprieurs 1 Gbps, avec un potentiel beaucoup plus important ds lors que certains verrous technologiques seront levs (composants RF capables dutilissER plus de 1.5 GHz de bande 60 GHz !). De plus, la miniaturisation inhrente aux frquences utilises, permettra une implmentation aise dans les produits, voir une dissmination importante dans lenvironnement de manire contre balancer la ncessit du lien direct (cration de rseau mesh adaptatif).

60 GHz

Figure 5 : positionnement des technologie sans fils, porte vs dbit

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Le besoin davoir des hauts dbits dans un environnement domestique est de plus en plus ressenti et des technologies comme lUWB et le 802.11n adressent dj ce besoin, mais avec une limitation thorique 1 Gbps. La technologie 60 GHz doit permettre datteindre le cap du gigabit sur un lien sans fil. Pour souvrir un segment de march important, elle doit aussi diminuer drastiquement ses cots actuels grce lutilisation de technologie CMOS afin dadresser les secteurs commerciaux lis un environnement domestique. Pour le spatial, lanalyse de la situation et des tendances du march peut se faire sur plusieurs axes. Lutilisation de liens inter ou intra- satellites en optique ou frquences millimtriques est ce jour essentiellement porte par des tudes agences CNES (Centre National dEtudes Spatiales, ESA (Agence Spatiale Europenne) (cf tableau 1) ou NASA (Agence Spatiale Nord-Amricaine) pour la concurrence et tout dabord principalement pour des applications scientifiques pour ce qui est dadresser de hauts dbits de donnes. De plus, au niveau des systmes de tlcoms, les premires constellations de satellites mises poste arrivent leur fin de vie, et les oprateurs entament les appels doffre pour leur renouvellement, comme cest le cas par exemple pour la constellation Globalstar aujourdhui. Dix ans se sont couls et les technologies embarques sont obsoltes donc renouveler avec des objectifs de rduction de cot importants tant donn que, mme si le march existe, il nest rentable que sil nest pas handicap par le cot de fabrication et de mise poste de la constellation. Ceci conduit dune part rechercher limplmentation de technologies grand public et dautre part de liens entre satellites simplifiant larchitecture gnrale du systme. Un second volet concerne le besoin de connectivit bas cot et haut dbit lintrieur du satellite. LESA mis en place le standard Space Wire et propose un lien de donnes haut dbit standard ( 100 Mbit/s minimum) pour connecter senseurs, processeurs, mmoires de masse, tlmtrie descendante, etc, dans une architecture systme haut dbit de traitement de donnes. Ce standard est matrialis par un cble filaire comprenant quatre paires torsades chacune entoures dun blindage, lensemble tant globalement blind. Il va de soi que ce standard trs fiable et performant nira cependant pas dans le sens de la rduction de lencombrement des plate-formes satellites, ni dune ergonomie plus grande. Le sans fil intra-satellite tant alors apprhend pour amliorer de multiples configurations au sein de la charge utile : Rseaux de senseurs pour auto-configuration ou traitement du signal partag Senseurs miniatures auto-aliments qui rendent le senseur totalement sans fil , et ouvrent la possibilit dune intgration charge utile plus tardive Senseur pour transfert de donnes scientifiques parce quun tel transfert en technologie filaire entre senseur et processeur analogique pourrait dgrader les donnes par parasitage de mode commun Instruments de haute prcision pour lesquels les cbles dgradent la performance, par exemple les cbles au niveau dun dtecteur situ dans le point focal dun instrument. Les horloges et lignes de donnes des capteurs CCD sont en effet trs sensibles aux grandes longueurs de cble causant dsadaptations, crosstalk ( diaphonie ) alors que les cbles courts peuvent drainer trop de chaleur vers un dtecteur plus froid. Les mcanismes rotatifs limits par la flexibilit et le dbattement des cbles qui fatiguent au cours des cycles, ce qui dgrade performance et fiabilit du dispositif Instruments dports par exemple au niveau senseurs ou panneaux solaires utiliss pour piloter les panneaux ou fournir des informations dattitude satellite en mode de transfert ou durgence Rsaux hybrides permettant une introduction progressive et scuris du sans fil mixant les technologies filaires pour les units critiques et le sans fil pour les 20

fonctions de second ordre comme les exprimentations scientifiques. Lide serait alors que le CDMU (Central Data Management Unit) fournisse diffrents type de ports de communication (1553, SpaceWire, UART) 4.3 Normes, brevets, rglementation Le graphique ci-dessous indique une bande commune entre le Japon, lEurope et les tats unis de 3 GHz (59-62 GHz), cependant pour lEurope la bande propose concerne touteS les applications et une sectorisation par domaine applicatif est en cours dinstruction. Il existe une recommandation CEPT ERC REC7003 qui concerne lutilisation de lensemble des dispositifs radio courte porte. Lannexe 1 de ce document concerne des applications non spcifiques, cest--dire hors standard et mentionne une bande comprise entre 60 et 61.5 GHz avec une puissance E.I.R.P. de 100mW.

4.4 Autres projets connus portant sur des sujets proches Le projet IST MAGNET: My personal Adaptative Global NET, est un projet europen FP6, de 37 partenaires ; dont lobjectif est de fournir, via les WPANs (Wireless Personal Area Network), un environnement intelligent lutilisateur final. Dans ce projet il est propos dtudier une interface radio base sur de lOFDM UWB 60 GHz pour des VHDR WPANs (Very Hgh Data Rate Wireless Personal Area Networks). Le projet IST BROADWAY (termin), est un projet europen de 7 partenaires dont Motorola, travaillant sur la fusion des rseaux WLAN 5 GHZ et des WPAN 60 GHz. Lide tant de tirer profit des avantages de ces deux technologies afin de fournir une meilleure solution de couverture pour les environnements urbains denses, par des rseaux mobiles ad hoc haut dbit et bas cot bass sur de lOFDM 60 GHz. Le projet OGRE : On-silicon Gigahertz Radio Exploration, est un projet de luniversit de Berkeley, en partenariat avec 8 universits et des sponsors comme Intel, ST, Cisco, Infineon, Xilinx, Philips, NEC, Agilent, Sun, Hitachi. Dont lobjectif est de concevoir et implanter en silicium des metteurs/rcepteurs hautement intgrs pour une utilisation de la bande des 60 GHz, afin dobtenir des circuits faible cot, faible consommation sur CMOS pour des rseaux multi utilisateurs et haut dbit. Le projet Pico Radio, est un projet de luniversit de Berkeley (ainsi que 8 universits et des sponsors industriels), portant sur les rseaux de capteurs sans fil. Pico Radio porte ses efforts de recherche sur la notion dubiquit, la taille, le cot et la consommation nergtique. Leurs actions portent sur le design des circuits RF, la couche rseau, la capacit de localisation, le 21

design de circuits numriques faible tension, la conception des antennes, et la rduction de la puissance consomme pour la partie analogique. (On notera que les MEMS sont utiliss). En Europe, on peut citer le projet WICOMM lanc par linstitut MESA+ (pays bas), regroupant Philips, TU Delft et Eindhoven. Ce projet rcent vise galement explorer les capacits de la technologie CMOS pour des applications haut dbit de 4me gnration. 4.5 Qualifications des acteurs et valeur ajoute de la coopration La plupart des partenaires se connaissent depuis longtemps et tous ont dj travaill en rseaux en apportant leurs domaines spcifiques de comptence tant dans des projets nationaux queuropens. Cette bonne connaissance des comptences de chacun facilitera la coordination du projet dans le cadre dun partenariat volontaire et complmentaire conforme lesprit du RNRT. Partenaires CNRS : plateforme CNRS Millimtrique MMW Laboratoire IEMN de Lille Laboratoire IXL de Bordeaux Laboratoire LAAS de Toulouse Laboratoire LEST de Brest Partenaires Industriels : STMicroelectronics CEA-Leti de Grenoble Alcatel Alenia Space France AAS-F Thomson 4.6 Plateforme CNRS Millimtrique MMW (IEMN, IXL, LAAS, LEST) 4.6.1 IEMN LInstitut dElectronique de Microlectronique et de Nanotechnologies (IEMN UMR-CNRS 8520) a t lun des tous premiers laboratoires franais travailler sur les composants et systmes millimtriques ds les annes 70. Il apportera ce projet ses comptences reconnues en matire de conception de circuits, sous-systmes et systmes millimtriques, dassemblage et dinterconnexions de puces MMIC. LIEMN dispose dune batterie complte de simulateurs lectromagntiques 2D et 3D analytiques ou numriques soit dvelopps en interne (TDFD, FDFE) soit commerciaux (AT-Momentum, HFSS, CST), de simulateur de circuits et systmes micro-ondes (AT-ADS) et de simulateurs mcaniques et lectromcaniques ddis au MEMS pour mener bien la phase de conception des MEMS. LIEMN dispose de 1 500 m2 de salles blanches ddies aux composants et circuits III-V et aux microsystmes Silicium et de tous les quipements ncessaires pour mener bien la ralisation de sous systmes millimtriques intgrant des MEMS. De plus LIEMN possde tous les moyens de caractrisations hyperfrquences (DC-220 GHz) et des moyens de caractrisations mcaniques. Les liaisons globales entre objets mobiles communicants haut dbit 60 GHz (LOMC) est un thme que lIEMN dveloppe en collaboration avec le LIFL (Laboratoire dInformatique Fondamentale de Lille) de puis 5 ans travers des projets soutenus par la rgion Nord Pas de Calais et la thmatique OMC (Objets Mobiles Communicants 60 GHz) est un thme transversal fort de lIRCICA (Institut de Recherche sur les Composants logiciels et matriels pour lInformation et la Communication Avance) .Dans ce cadre lIEMN a dvelopp des modules radio 60 GHz base de composants III-V soit en technique monoporteuse (QPSK et 16 QAM) soit en transposant un signal ULB impulsionnel 60 GHz. Sur ce dernier point

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lIEMN a eu un rle de pionnier. De plus lIEMN a dj particip de nombreux projets portant sur les liaisons haut dbit 60 GHz intra-btiment (CTI France-Tlcom R&D, convention CEA-LETI, RNRT OPTIMM et COMMINDOR, RACEII-MBS, ACTS-SAMBA, . . .) et participe au rseau dexcellence AMICOM 4.6.2 IXL Le Laboratoire dIntgration des Composants et Systmes Electroniques (IXL) est un laboratoire de microlectronique qui dpend de lUniversit Bordeaux 1 et de lEcole Nationale Suprieure dElectronique, Informatique et Radiocommunication de Bordeaux (ENSEIRB). Cette unit mixte de recherche (UMR 5818) du CNRS, a t cre en 1988. Aujourdhui le laboratoire est compos de 150 personnes, dont 60 permanents (chercheurs et enseignants-chercheurs) et 58 doctorants. Depuis sa cration, le laboratoire a t fortement impliqu dans la conception de circuits intgrs analogique et radiofrquence. Deux quipes de lIXL sont concernes par le projet FREEDOMS: lquipe Conception de Circuits et lquipe Circuits et Systmes en Hyperfrquence. En terme de conception de circuits, ces deux quipes ont des comptences reconnues en particulier dans la synthse de frquence (VCO, PLL, DLL) et les frontaux RF lmission (PA, filtre, balun) et la rception (filtre, LNA, mlangeur, balun). Les technologies utilises sont majoritairement issues des fonderies silicium (bipolaire, BiCMOS, CMOS). Depuis 1998, ces deux quipes de lIXL ont t impliques dans des projets nationaux (RNRT Asturies, NANO2008) et europens (MEDEA-ASGRA, MEDEA-ASGBT, ALMA, MEDEA-LP/RF, MEDEA-SWANS, CCTP-CDR, STREP IST MOBILIS) afin de dvelopper des circuits radiofrquences. Limplication de lquipe Conception de Circuits dans le projet FREEDOMS se fera au niveau de la conception sur silicium CMOS 60 GHz dun oscillateur injection( ILO), du co-design LNA-Antenne, et de la conception du bloc RF type LNC (LNA+mlangeur). Au niveau du frontal RF, lquipe Circuits et Systmes en Hyperfrquence sera en charge, en partenariat avec le CEA-Leti, de la co-intgration Antenne/PA en considrant plusieurs degrs dintgration : approche SiP avec 3 circuits indpendants (Amplificateur de puissance, rseau dadaptation entre le PA et lantenne, et lantenne), approche mixte SiP/SoC avec le circuit dadaptation intgr sur la mme puce soit lamplificateur de puissance, soit lantenne, approche SoC avec lintgration complte sur une mme puce des trois briques de base.

Les ressources mises en oeuvre par le laboratoire IXL dans le cadre de FREEDOMS, seront pour la partie conception, les stations de travail quips des logiciels de CAO Cadence et ADS et du Design Kit de la technologie 65nm CMOS de STMicroelectronics. La partie caractrisation des blocs millimtriques se fera en partie avec le matriel du laboratoire (Banc Load-Pull, analyseur de rseaux vectoriels 110GHz). 4.6.3 LAAS Le LAAS a initi des recherches sur les potentialits des technologies silicium pour les applications millimtriques ds 1995 la fois au niveau des composants passifs en dveloppant des technologies MEMS et des composants actifs sous la forme de travaux dans le domaine de la conception en utilisant des filires SiGe BiCMOS. Des partenariats ont t dvelopps avec ATMEL (Allemagne), ST Microelectronics et SiGe Microsystems. De 23

nombreux circuits des frquences de 30 GHz ont dj t conus et caractriss (Oscillateur faible bruit de phase, mlangeur). De nombreux autres circuits 5 Ghz, 10 Ghz ont t raliss prsentant des performances au niveau de ltat de lart. Dans le mme temps, le LAAS a continu le dveloppement de technologie MEMS dites IN IC consistant venir micro-usiner des substrats de silicium pour raliser des antennes miniaturises ou above IC pour raliser des filtres, des composants passifs avec de fort coefficient de qualit ou encore des micro-commutateurs afin de raliser des structures reconfigurables. Au niveau des antennes, le LAAS a une expertise sur les antennes miniaturises et en particulier sur les antennes fractales qui peuvent permettre de lever certains verrous comme les dimensions, les polarisations, les gammes de frquences. Le LAAS dispose dune salle blanche oriente micro et nanosystme Silicium dune surface de 700 m2 qui va passer lanne prochaine 1400 m2 et a une longue exprience des technologies MEMS. Le LAAS dispose dune plateforme de caractrisation mcanique, lectrique et micro-ondes avec des mesures vectorielles jusqu 110 Ghz et un banc trs original pour la mesure du bruit de phase. Au niveau conception, le LAAS utilise les logiciels de simulation mcanique (ANSYS, Coventor, ABAQUS), les logiciels de simulation lectromagntiques (HFSS, SONNET, IE3D) et dveloppe mme des codes propres en utilisant un formalisme multi-chelle. Ces donnes physiques couples des caractrisations exprimentales sont utilises pour le dveloppement de modles lectriques quivalents indispensables pour la conception de circuits et de systmes. Un projet rcent a t initi concernant la modlisation haut niveau pour la conception de microsystmes millimtriques. Ce projet est coupl avec un autre groupe du LAAS qui travaille sur les rseaux de communication avec une volont davoir un couplage entre le matriel et le logiciel. Un projet jeune chercheur ANR a t initi lanne dernire sur les rseaux de microsystmes millimtriques Silicium la fois sur le plan de la technologie, de la conception RF mais galement sur le traitement du signal en bande de base et sur les topologies de rseaux mettre en place. Ce projet de rseau de microsystmes millimtriques est en passe dtre labelis par le ple de comptitivit aronautique et espace systmes embarqus de la rgion Midi Pyrnes Aquitaine. Le LAAS a t partenaires dans des projets europens visant coupler les MEMS et les circuits intgrs (ARTEMIS, MIMOSA) et a t le porteur dun rseau dexcellence dans ce domaine (AMICOM). Dans le domaine des MEMS, des projets avec Alcatel Alnia Space, lESA, ST Microelectronics ont t conduits et pourront tre mis profit dans cette proposition de plateforme. 4.6.4 LEST Le LEST est une Unit Mixte de Recherche du CNRS (UMR 6165), commune lEcole Nationale Suprieure des Tlcommunications de Bretagne (ENST-Bretagne) et lUniversit de Bretagne occidentale (UBO). Ce laboratoire (http://www.univ-brest.fr/lest/) regroupe 90 chercheurs sur des thmatiques de recherche initialement orientes vers lanalyse et la synthse des dispositifs et supports physiques de propagation, aujourdhui largies aux systmes de tlcommunications et de dtection. Les thmes de base abords sont lIngnierie des Circuits et Systmes Hyperfrquences (IMDH), la Modlisation des Dispositifs et des Systmes (MDS), le Traitement du signal pour les tlcoms (TST) ; Le LEST dispose dune plate-forme de simulation lectromagntique 2D/3D particulirement complte, avec une relle connaissance et une expertise relativement large quant leur aptitude respective rpondre (rsoudre) des problmes trs varis ayant trait aux antennes, aux fonctions passives (filtres,..) et actives.

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Lintgration dantennes et de dispositifs hyperfrquences au sein de systmes radio complets et complexes constitue lune des problmatiques de recherche majeure de lquipe IMDH. Il sagit, en sappuyant sur des technologies alternatives, de dvelopper et de valider de nouveaux concepts dintgration et de synthse de tels sous-ensembles, en y intgrant tant la problmatique architecture systme que les aspects valeurs ajoutes en terme de performances propres (individuelles) ou globales. Cot lments rayonnants, il sagit de rechercher de nouvelles dmarches dintgration conciliant efficacit de rayonnement et matrises dimensionnelle et fonctionnelle dantennes au sein de front-ends radio. Les fonctions associes ces antennes sont tudies suivant une approche complmentaire, de type co-design ou co-intgration afin de converger vers des sous-systmes intgrs performants. Le LEST est reconnu au plan national pour ses travaux sur les technologies alternatives de type mousse, et mne des projets de recherche de type nationaux (projets RNRT RESAIMS, ANTIPODE) ou rgionaux, ainsi quavec divers partenaires industriels tel que Thomson, Motorola, FT R&D (contrats CTI), Lintgration sur puce constitue galement une proccupation aborde depuis plusieurs annes, en particulier dans le cadre de travaux avec ST-Microlectronics, ou dactivits scientifiques sous lgide du CNRS (Actions Spcifiques de recherche (AS MEMs, AS radiologicielle, AS Ferro), dEquipes Plurisdisciplinaires (EPML 53 agilit) ou de GDR (GDR SOC-SIP, GDR Ondes). 4.7 Partenaires industriels

4.7.1 STMicroelectronics ST Microelectronics est un des leaders mondiaux de lindustrie microlectronique, ses rsultats 2005 avec un Chiffre daffaire denviron 9 Milliards de $, le place parmi les 5 premires socits mondiales du march du semi-conducteur. ST Microelectronics emploie environ 50.000 employs rpartis sur 16 sites de production, 16 centres de R&D avance, 39 centres de conception et d'applications, 78 bureaux de vente directe dans 36 pays sur les 5 continents. La rpartition gographique des ventes en 2005 est de 13 % en Amrique du Nord, 31 % en Europe, 3 % au Japon, 46 % en Asie/Pacifique et 7 % sur les marchs mergeants. ST Microelectronics se place en pionnier et leader de lintgration des systmes. ST Crolles est un centre de recherche et dveloppement et un centre de production runissant deux sites de fabrications et employant plus de 3000 personnes. Le groupe Analog RF impliqu dans ce projet fait partie des quipes de conception avance travaillant la dfinition de technologie pour les besoins applicatifs futur. Ce groupe est impliqu dans un ensemble de projets R&D au niveau Europen et national : RNRT ASTURIES, MEDEA : T206, SWANS, UPERMOST ; IST : TUNAMOS et MOBILIS. 4.7.2 AlcatelAleniaSpace (AAS-F) Alcatel est un fournisseur de solutions globales de communications offrant un port-folio complet de solutions rseaux, optique, e-business, composants et spatial. Avec des ventes en Euro de 12.3 billion dEuros et 56000 employs en 2004, Alcatel est aujourdhui prsent dans plus de 130 pays. ALCATEL SPACE a t cr en 1998 rassemblant : ALCATEL-ESPACE, Leader Europen en systmes de tlcommunications, charge utile radiofrquence et ses units quipements AEROSPATIALE-Satellites, premier contractant dans de nombreux programmes spatiaux, dtenant une exprience tendue en ingnierie des vhicules spatiaux, fabrication et test, leader en missions Scientifiques et dObservations.

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T4S (Thomson Systems Sol Spatiaux), responsable de nombreux segments sol oprant le contrle en vol des satellites SEXTANT-Avionique, spcialiste de sous-systmes spcifiques spatioports : manipulation de donns (data handling), tlcommande/ tlmtrie (TM/TC) et distribution de puissance; CEGELEC-Kourou, fournisseur bien connu de capacits de lancement

Avec plus de 35 ans dexprience dans lindustrie spatiale, ALCATEL a assum la haute responsabilit tous les niveaux de 400 systmes satellites : systmes de communications complets, charges utiles, majeurs sous-systmes et quipements, software ou hardware embarqu comme sol. Aujour dhui Alcatel Space est devenu Alcatel Alenia Space, dont Alcatel dtient 67% et Finmeccanica 33%, en combinant maintenant les activits dAlcatel Space et dAlenia Spazio. Ses domaines dactivits se concentrent sur la conception, le dveloppement et la fabrication de systmes spatiaux, de satellites, de charges utiles dinfrastructures en orbites et de transportation spatiale, dinstruments, de modules et composants micro-ondes stratgiques et des systmes sols associs pour des applications civiles comme militaires. Avec une estimation de 1.8 billion de ventes en Euros et environ 7200 employs, AAS-F est un leader Europen au niveau des systmes satellites. Les siges oprationnels dAlcatel Alenia Space sont situs Cannes, avec des usines en France, Italie, Belgique et Espagne. Alcatel Space a une longue exprience de conception de circuit micro-ondes ainsi que dquipement hyperfrquence, avec une approche globale de la conception circuits et quipements. Au sein de son centre de conception MMIC, cr en 1989, des centaines de MMIC ont t dvelopps et intgrs dans les plus prestigieux des programmes Alcatel,: pour applications spatiales (dAmos, Arabsat, Globalstar et jusqu maintenant), for la tlphonie mobile (premiers circuits sous 3.3V), pour les stations sols (IRISA, ) et pour les systmes point- -point , LMDS (Local Multipoint Distribution Service) et VSAT (Very Small aperture Terminal). Les conceptions AAS-F prennent en compte des contraintes spcifiques du spatial (ECSS-Q60-12), comprenant des marges de scurit vis- vis des maximum ratings du procd lectrique, vis vis de la temprature de jonction et des contraintes spcifiques de report et denvironnement (brasure, collage, temprature- pression, humidit de lenvironnement). La conception des circuits lmentaires actifs comme passifs , RF comme DC, est faite Alcatel conjointement avec la prise en compte des technologies de report et de packaging de faon tenir la fois les contraintes du spatial et dassurer la tenue des performances finales de lquipement hyperfrquence. 4.7.3 THOMSON Thomson, partenaire des industries Media & Entertainment , propose des technologies, des systmes et des services pour aider ses clients des industries Media & Entertainment crateurs de contenu, oprateurs de rseaux, diffuseurs et utilisateurs de ses technologies - atteindre leurs objectifs commerciaux et amliorer leurs performances, au sein dun environnement technologique en volution constante et rapide. La volont de Thomson est de devenir le partenaire privilgi des industries Media & Entertainment au travers de ses marques Technicolor, Grass Valley, RCA et THOMSON. Thomson R&D France, ple dexcellence sur lensemble de la chane de limage, possde des comptences dans les technologies de cration, de distribution et daccs aux contenus audiovisuels.

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Parmi les axes de Recherche et Dveloppement, les technologies sans fil pour la distribution, sans couture et en situation de mobilit de contenu vido, figurent en premire place dans la stratgie du Groupe Thomson. Thomson R&D France travaille en partenariat avec les grandes universits rgionales, des laboratoires de recherche publics, des industriels et collabore tous les grands programmes coopratifs de recherche franais et europens : RNRT, RNTL, RIAM, MEDEA, ITEA, IST, CNES, ESA Au sein du Laboratoire de Recherche Network & Communication de Thomson R&D France, lquipe Antennas & High Frequency Engineering (AHFE) est spcialise dans la conception bas cot de circuits et antennes pour les systmes futurs de distribution sans fil de contenu lectronique et plus particulirement de flux vidos numriques. Les applications vises couvrent la rception mobile de TV numrique terrestre (standards DVB-T/H), les rseaux de proximit sans fil, domestiques et professionnels (rseaux Wi-Fi, Wi-Max, UWB, etc), les rseaux daccs sans fil terrestres et par satellite ainsi que les rseaux cellulaires. Lquipe AHFE possde en outre une longue exprience dans le domaine de la conception dlments rayonnants, de circuits et de systmes dans le domaine millimtrique. Plus particulirement, AHFE a t le leader principal du projet exploratoire RNRT COMMINDOR (WLAN 60GHz), et a dvelopp des transceivers bas cot pour des applications LMDS (Local Multipoint Distribution Service) oprant autour de 40GHz. Dans le cadre du projet europen BROADWAN des nouvelles techniques et technologies de filtrage et de packaging applicables jusquen bande V pour des systmes de communications grand volume ont t galement conues. Cette expertise a aussi t dmontre en bande Ka, dans la conception dun terminal abonn de communication bidirectionnelle par satellite, travers le projet RNRT SAGAM et le projet ESA DIONISOS, et galement en collaboration troite avec Alcatel Space et le CNES (AGORA). Enfin, des collaborations ont t menes avec le LEST pour explorer et exploiter les possibilits de la filire mousse dans lintgration bas cot de fonctions cls passives millimtriques telles que les filtres et les dispositifs antennaires. De mme, en collaboration avec XLIM, la technologie micro-usinage sur silicium a t mise profit pour concevoir et raliser un module intgrant amplificateur de puissance et filtre en bande Ka (30GHz). 4.7.4 CEA-LETI Laboratoire du CEA (Commissariat lEnergie Atomique), le LETI, ex-Laboratoire dElectronique, de Technologie et dInstrumentation, est devenu Laboratoire dElectronique et de Technologie de lInformation depuis la rorganisation du CEA en janvier 2001. Cr en 1967 sur le site du CEA Grenoble, il est aujourdhui lun des plus importants laboratoires de R&D en Europe dans le domaine de llectronique, de la microlectronique et plus gnralement des micro et nanotechnologies. Le LETI sest dvelopp autour de deux activits principales : les futures technologies pour lindustrie des semi-conducteurs et la conception de systmes lectroniques avancs. Il a pour vocation daider les entreprises accrotre leur comptitivit grce l'innovation technologique et assurer le transfert de son savoir-faire technique vers l'industrie. Il consacre environ 85% de son activit des recherches finalises, avec des partenaires extrieurs au CEA. Depuis la rorganisation de janvier 2001, le CEA-LETI est intgralement localis sur le site de Grenoble. Il appartient au Ple Recherche Technologique du CEA (DRT Direction de la Recherche Technologique). Il emploie ( fin 2005) 950 salaris du CEA et accueille environ 560 personnes dtaches par ses partenaires industriels et collaborateurs de statuts divers. Le laboratoire dispose de moyen lourds avec 10000 m2 de salles blanches et un parc dquipements reprsentant un investissement cumul de 210 M. Le Dpartement Conception et Intgration dans les Systmes (DCIS) rassemble des comptences en

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conception de circuit intgrs et des comptences de dveloppement de systmes et de prototypage appliques aux domaines des tlcommunications, des objets communicants et de la scurit des composants. Le LETI travaille depuis plus de 10 ans sur les communications radio numrique 60 GHz, des circuits spcifiques de traitement bande de base (ACCELAN) ont t dvelopps dbut 2000 pour des liens en talement de spectre par squence directe. Plus rcemment des travaux (thse et postdoc) sur des antennes intgrs et de la conception de frontal RF ont t initis.

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Organisation du projet et description des sous projets

A/ Organisation du projetLe projet sera pilot par le CEA-LETI qui se chargera de toutes les actions ncessaires son suivi et sa coordination administrative et technique. En cas de besoin, le coordinateur proposera, fera approuver par le consortium et mettra en uvre les actions correctrices pour assurer le bon droulement du projet et garantir latteinte des objectifs. Pour ce faire, avec la coopration de tous les partenaires, le coordinateur: tablira un planning en dbut de projet et le maintiendra jour, organisera et conduira les revues de projet et runions davancement priodiques ditera et diffusera des comptes-rendus correspondants Les travaux de chaque sous-projet seront coordonns par lun des partenaires dsign comme responsable du bon droulement des activits de son sous projet. FREEDOMS se dcompose en 5 sous-projets (SP):

SP1: Architecture

IEMN

SP2: Conception et intgration silicium int gration

ST

CEA-Leti

SP3: traitement bande de base

LAAS

SP4: Validation,test et assemblage module RF

AAS

SP5: D monstrateur applicatif

CEA-Leti

Le tableau ci-dessous dcrit de faon plus prcise les diffrentes taches des cinq sous projets.

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SP1 T1.1 T1.2 T1.3 SP2 T2.1 T2.2 T2.3 T2.4 SP3 T3.1 T3.2 SP4 T4.1 T4.2 T4.3 T4.4 T4.5 SP5 T5.1

Thmes Responsable Architecture IEMN Expression des besoins et dploiement Architecture ULB et architecture mono porteuse point point Spcifications lectriques Conception et intgration silicium ST Antennes et rseau dantennes Conception circuits Modlisation des composants CMSO SOI Intgration systme sur puce Traitement bande de base LAAS Traitement bande de base Analyse des performances des mesures de distance Validation, test et dfinition module AAS-F Test antennes Test et validation des modles composants actifs et passifs Test circuits Dfinition et assemblage module Test module Dmonstrateur applicatif Assemblage dmonstrateur pour

participantsLeti, AAS, Thomson AAS, Thomson IEMN, Leti, AAS, Tous Leti, LAAS, IXL, IEMN, LEST Leti, LEST, IEMN, ST, Thomson Leti, IXL, LAAS, ST IEMN, ST LAAS, ST, AAS IEMN, LAAS, LETI IEMN Leti, IEMN Leti, LEST, IEMN, AAS, IXL Leti, LEST IEMN, LAAS LAAS, IEMN, IXL AAS+Tous* AAS, IEMN, IXL AAS, Thomson, IEMN, LEST IEMN, Leti, AAS, lest, Thomson AAS, IEMN, Leti LEST, Leti Thomson, leti

LETI

T5.2 Mesure du TEB T5.3 Antenne formation de faisceau T5.4 Lien TVHD * Mise en commun des moyens bande V

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B/ Description des sous-projets5.1 Sous-projet 1 : Architectures 5.1.1 Description du sous-projet, du responsable et des partenaires

Partenaires : IEMN, LETI, AAS-F Responsable : IEMN Dure du sous projet: 9 mois Moyens: 21 h.mois 5.1.2 Objectifs du sous-projet

Le travail portera sur une tude comparative darchitectures de systmes radio millimtriques utilisant des techniques ULB (ultra Large Bande) ou monoporteuse pour liens radio 60 GHz trs haut dbit (> 500 Mbits/s) et mesure de distance dans une perspective future de localisation des nuds du rseau et de dploiement ad-hoc. Un choix de la (ou des) solution la plus adapte la problmatique sera effectu. Lanalyse se fera en transposant des standards de radiocommunication connus la frquence de travail vise, pour le domestique comme pour le spatial. Outre les aspects signaux de transmission, larchitecture sera analyse de faon couvrir des applications domestiques comme spatiales. 5.1.3 Dtail des ralisations

Tche 1.1 : Expression des besoins et dploiement Dans cette premire phase du projet lon dfinira globalement les besoins et les spcifications des dmonstrateurs selon les deux types dapplication vise. Pour les applications domestiques, lon spcifiera les caractristiques principales de la liaison vido HD 60GHz souhaite (la bande de frquence, le dbit minimal, la plage de distance entre quipements, lenvironnement etc.) et les contraintes mcaniques et dinterface du dmonstrateur. De mme lon dfinira dans cette tche le plan de validation des performances de ce dmonstrateur applicatif. Les besoins pour le spatial couvrent deux applications: les liaisons intra-satellites pour relier des quipements lectroniques entre-eux les liaisons inter-satellites pour relier les satellites d'une constellation Le besoin intra-satellite est relativement similaire au besoin domestique. Il conviendra d'analyser les spcificits du spatial comme la qualit de service, la fiabilit, la robustesse. Le besoin inter-satellite est spcifique. L'expression du besoin pourra se faire en cart des besoins domestiques par des compromis entre le dbit, la distance, la qualit de service (TEB), la puissance embarque....

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La tche produira un document de synthse spcifiant et analysant tous les paramtres pertinents: frquence, bande, distance, puissance, modulation, codage, architecture de transmission... Tche 1.2 : Architecture ULB et architecture mono porteuse point point Dans un premier temps une comparaison des diffrentes architectures de rcepteur monoporteuse et impulsionnelle sera ralise afin de dterminer la (ou les) solution la mieux adapte, notamment en terme de complexit, intgrabilit, cot, consommation. Aprs avoir dtermin larchitecture la mieux adapte, des simulations systmes plus pousses seront men en utilisant des outils tel que Agilent ADS. Durant ces simulations, les modles de canaux millimtriques issus dune part du projet RNRT COMMINDOR et dautres part de la standardisation IEEE pourront tre exploit afin dvaluer les performance du rcepteur dans un contexte de propagation raliste . Les caractristiques lectriques des circuits raliss par les diffrents partenaires seront associes aux modules du projet. Enfin, il sera intressant de co-simuler les modules intgrs raliss dans le cadre du projet dans leur contexte systme global. Techniques ULB transposes 60 GHz Dans un premier temps diffrentes techniques et architectures de liaisons ULB trs haut dbit seront compares en termes de complexit, dintgrabilit, de cot, de consommation.En effet plusieurs types de modulation, daccs multiples et de structures de rcepteurs peuvent conduire des architectures diffrentes. Nous nous limiterons ici des architectures dans lesquelles le train dimpulsions lectromagntiques ULB est gnr en bande de base et est transpos au voisinage de 60 GHz via une modulation ASK ou PSK dune porteuse 60 GHz. Mesure de distance : Le traitement de signal associ ces aspects est dcrit dans le sous projet 3. Signalons simplement quavec une bande passante de 3 GHz autour de 60 GHz la largeur des impulsions sera voisines de 700 pS ce qui correspond limprcision sur lestimation du temps de vol de limpulsion. Cette incertitude temporelle correspond une incertitude spatiale de 20 cm environ. En utilisant plusieurs rcepteurs, lutilisation de techniques de triangulation permettra donc lestimation de la position dune source avec une prcision largement sub-mtrique. Techniques mono porteuse La mise en uvre dune telle liaison ncessitera la mise en uvre dun modulateur/dmodulateur vectoriel IQ. Nanmoins plusieurs architectures sont envisageables : Architecture sous porteuse module transpose 60 GHz. Dans cette approche une sous porteuse (2 5 GHz) est module/dmodule par exemple en QPSK par un modulateur vectoriel fonctionnant en gamme centimtrique. Cette sous porteuse est ensuite transpose 60 GHz en utilisant un convertisseur de frquence aliment par un oscillateur local au voisinage de 60 GHz. Architecture porteuse 60 GHz module. Dans ce cas le signal issu dun oscillateur local 60 GHz est directement modul en gamme millimtrique. Ceci ncessite la conception et la ralisation dun modulateur vectorielle 60 GHz en technologie CMOS Silicum ce qui constituera un point dur de ce projet. Un autre point dur de cette solution trs compacte est la rcupration de la porteuse 60 GHz, sauf si on utilise une modulation diffrentielle par exemple DQPSK. Pour ces deux types darchitecture, larchitecture de rception est similaire celle dmission. Architecture annulation de bruit de phase des oscillateurs locaux. Les modulations vectorielles sont trs vulnrables aux bruits de phase des oscillateurs locaux qui 32

introduisent un plancher dans lvolution du taux derreur par bit en fonction du rapport signal bruit et limitent les dbits potentiels de la liaison. Pour pallier ce problme, une technique simple dannulation des bruits phase des OL peut tre utilise. Elle repose sur une approche htrodyne proche de celle dcrite dans larchitecture sous porteuse module. La seule diffrence est quen plus de la sous porteuse module (IF) et transpose 60 GHz (RF), on transmet galement le signal de loscillateur local voisin de 60 GHz. Les bruits de phase voluant en (frquence)2 le bruit de phase de la porteuse (IF) est beaucoup plus faible que celui de lOL millimtrique. Les bruits de phase des signaux RF et OL sont donc trs fortement corrls. De ce fait en rception aprs mlange on retrouve la sous porteuse module non entache du bruit de phase des OL. Cette technique dj valide 60 GHz [2], [6] permet de relcher trs fortement les contraintes sur la puret spectrale des oscillateurs locaux. Une tude comparative de ces trois solutions sera effectue en prenant en compte la complexit (surface de Silicium), la consommation, les techniques daccs multiple, les performances en termes de taux erreur par bit, et de dbit,. Tche 1.3: Spcifications lectriques Le bilan de liaison du systme et les spcifications des diffrents blocs dmission rception seront tablis laide de la plateforme de simulation systmes. Ces spcifications devront prendre en compte les interactions entre les diffrents blocs. Les spcifications seront au niveau des performances RF tenir mais aussi au niveau des puissances engages, du choix des alimentations (niveau et topologie) de faon avoir un maximum de cohrence au niveau des amenes DC et un bon comportement thermique au niveau des briques de bases et du SoC final. A cette tape, il faudra aussi pr-dfinir des interfaces et si ncessaire spcifier limpact de lencapsulation. Ces spcifications seront remises jour en fonction des performances values en simulation sur les briques analogiques dans le sous projet 2. 5.1.4 Livrables Nature SP1 Rapport R1.1 : spcifications des besoins Rapport R1.2: architecture Rapport R1.3: spcifications lectriques Echance T0+3 T0+6 T0+9 Responsable IEMN IEMN IEMN Participants AAS, THOMSON Leti Tous

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5.2 Sous-projet 2: Conception et Intgration silicium 5.2.1 Description du sous-projet, du responsable et des partenaires

Partenaires : ST, Leti, IEMN, IXL, LAAS, LEST, AAS Responsable : ST Dure du sous projet