SPP 1655 - Real100G.com: Mixed-Mode Basisbandprozessor für 100Gbps drahtlose Kommunikation

Derzeit können im Mobilfunk Daten mit etwa 100 Megabit pro Sekunde (LTE-A) und in drahtlosen Funknetzwerken (WLAN) mit mehr als 1 Gigabit pro Sekunde übertragen werden. Anspruchsvolle Dienstleistungen, wie hochauflösendes Video-Streaming, fordern jedoch in Zukunft noch weit höhere Datenraten. Im Projekt REAL100G.COM verfolgt die Fachgruppe Schaltungstechnik das Ziel, eine drahtlose Datenübertragung mit 100 Gigabit pro Sekunde zu erreichen.

Die größte Herausforderung bei der Realisierung liegt hierbei in der Energieeffizienz. Machbarkeitsuntersuchungen zeigen, dass ein konventionelles digitales drahtloses System bei 100 Gigabit pro Sekunde so viel Energie verbraucht, dass der Einsatz der Technologie bei mobilen Systemen zu nicht akzeptabel kurzen Akkulaufzeiten führen würde. Der bei weitem größte Teil der elektrischen Energie wird dabei im Basisbandprozessor verbraucht.

Eine gemischt analog-digitale Realisierung des Basisbandprozessors stellt eine Alternative dar, um eine besonders energieeffiziente Realisierung zu ermöglichen. Die Grundidee ist, eine analoge Vorverarbeitung so zu realisieren, dass ein möglichst großer Anteil der Basisbandsignalverarbeitung mit effizienter, analoger Signalverarbeitung durchgeführt wird, bevor die Analog-Digital-Wandlung und die Weiterverarbeitung mittels digitaler Signalverarbeitung erfolgt (s. Fig. 1). Untersuchungen haben ergeben, dass Parallel Spread Spectrum Sequencing (PSSS) ein Modulationsverfahren darstellt, das sich besonders gut zur Realisierung von gemischt analog-digitalen Signalprozessoren mit sehr hohen Datenraten und guter Energieeffizienz eignet.

Im Projekt REAL100G.COM werden von uns Systemarchitekturen, Modulationsverfahren und Signalverarbeitungstechniken unter Verwendung von PSSS untersucht, um energie- und hardwareeffiziente Basisbandprozessoren für zukünftige Funksysteme mit 100 Gbit pro Sekunde Übertragungsrate zu realisieren. Ausserdem ist geplant, einen Basisbandprozessorchip mit 100 Gbit/s Datenrate als Demonstrator zu realisieren.

Die Arbeiten finden in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart (Prof. Kallfass) und der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (Prof. Kraemer) statt. REAL100G.COM ist Teil des Schwerpunktprogramms „Drahtlose Ultrahochgeschwindigkeits-Kommunikation für den mobilen Internetzugriff“ (SPP 1655) der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Das Real100G.com Projekt untersucht und entwickelt ein drahtloses 100Gbps Kommunikationssystem auf der Basis einer extrem hohen Bandbreite (50GHz) bei gleichzeitig moderater Bandbreiteneffizienz (2-4 b/s/Hz). Dazu wird eine Trägerfrequenz im Millimeterwellenbereich von 240 GHz verwendet. Dieser Grundansatz wird in beiden Phasen des Schwerpunktprogramms verfolgt. Dabei fokussieren wir unsere Aktivitäten auf die Untersuchung und den Entwurf des Systems auf der Basis von PSSS, der Untersuchung geeigneter Basisbandalgorithmen und der notwendigen Synchronisation. Die größte Herausforderung bei drahtloser 100Gbps Systemen liegt in der extrem Signalverarbeitungsgeschwindigkeit, der hohen Komplexität des Basisbandprozessors sowie dem Stromverbrauch. In unserem Ansatz führt speziell die verwendete sehr hohe Bandbreite zu zusätzlichen Herausforderungen. Unsere Forschungsansatz basiert auf der Hypothese, dass ein mixed signal Verfahren mit Fokus auf dem analogen Bearbeitungsteil ein klassisches, digitales Basisbandprozessor-Konzept sowohl hinsichtlich der Komplexität als auch des Stromverbrauchs und letztlich auch hinsichtlich der Kosten unterbietet. Das gewählte PSSS (Parallel-Spread-Spectrum Sequencing) Verfahren wurde wegen seiner hohen Robustheit und der effizienten Umsetzbarkeit in einem analogen/ mixed-signal Ansatz eines 100 Gbps Übertragungssystem, gewählt. Zusätzlich werden aus ähnlichen Gründen analog/mixed signal Synchronisationstechniken untersucht. In der ersten SPP-Phase haben wir uns auf das Systemdesign, den Basisbandempfänger und die RF-Synchronisation für ein 100 Gbps System konzentriert. Mittels HiL (Hardware in the Loop) Tests konnten wir schon 40 Gbps Operationsgeschwindigkeit bei 240 GHz Trägerfrequenz nachweisen. Wesentliche Komponenten des mixed signal Basisbandprozessors und der Synchronisation wurden realisiert und getestet. In der zweiten Phase des SPP wollen wir uns auf die Untersuchung und Realisierung des 100 Gbps PSSS Senders konzentrieren. Darüber hinaus wollen wir einige interessante Erkenntnisse aus der ersten Phase vertiefen, z.B. Clipping Eigenschaften und Spektrum Shaping mittels PSSS Parameterwahl. Zusätzlich werden weitere innovative Synchronisationsmethoden bei Trägerfrequenz untersucht. Unsere Kooperation mit dem Real100G.rf und End2End100 Projekt, die schon in der ersten Phase erfolgreich waren, werden fortgesetzt und zu einem gemeinsamen 100 Gbps Kommunikationsdemonstrator, der alle Komponenten eines modernen Übertragungssystem beinhaltet, erweitert. Gemeinsame Übertragungsexperiments sind geplant für das Ende des Projektes.

DFG-Verfahren Schwerpunktprogramme

Teilprojekt zu SPP 1655: Drahtlose Ultrahochgeschwindigkeitskommunikation für den mobilen Internetzugriff