Drahtlose Breitband-Kommunikation

 

• PHY- und MAC-Entwicklung für Gigabit-WLAN und -WPAN
• Millimeterwellen (mm-Wave) Backhaul- und Fronthaul-Netzwerke
• Entfernungsbestimmung, Lokalisierung und Innenraum-Positionierung
• Industrie-WLAN mit hoher Dienstgüte und geringer Latenz für taktile Internet-Anwendungen

 

Der steigende Bedarf an Funkübertragungsraten von einigen Gigabits pro Sekunde bedeutet hohe technische Herausforderungen. Dies kann erreicht werden durch die Erhöhung der spektralen Übertragungs-Effizienz und durch Nutzung weiterer Spektralbereiche z.B. im Millimeterwellen-(mm-Wave)-Band. Insbesondere sind Strahlformung und Multiple-Eingang-Multiple-Ausgangs-Techniken (MIMO) im Fokus von Forschung und Entwicklung. Strahlformung (beamforming) erlaubt größere Reichweiten für drahtlose Kommunikation und die Abmilderung von Interferenz- und Abschattungs-Effekten. Durch die geringe Wellenlänge kann die Größe des benötigten Antennen-Phasen-Arrays klein gehalten werden.

Momentan werden drei Hauptstandards für Millimeterwellen-Kommunikation entwickelt. Der ECMA-387-Standard sowie die IEEE-Standards IEEE802.15.3c und IEEE802.11ad. Ein weiterer Standardisierungsprozess, IEEE802.11ay, welcher höhere Datenraten bis zu 100 Gbit/s ermöglichen soll, wurde vor Kurzem gestartet und wird ca. 2017 beendet sein.

Die gegenwärtigen technologischen Entwicklungen, wie die Implementierung von 60-GHz-Transceiver-Schalkreisen in konstengünstigen auf Silizium basierenden Technologien wie auch Fortschritte im CMOS-VLSI-Design und bei Speichertechnologien eröffnen die Entwicklung von Kommunikationssystemen mit ultra-hohen Datenraten. Daher gibt es momentan zahllose Aktivitäten, welche das 60-GHz-Band für Anwendungen mit ultra-hohen Datenraten nutzen.

Millimeterwellen-Systeme und insbesondere solche, die im 60-GHz-Band arbeiten, werden einen Quantensprung bzgl. signifikant hoher Datenraten erreichen, im Vergleich zu Datenraten, die mit konventionellen WLAN-Technologien im Bereich unter 6-GHz erreichbar sind.

Dies wird neue Dienste und Anwendungen vereinfachen, welche mit den gegenwärtigen Funktechnologien nicht umsetzbar sind.

Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Integration von Entfernungsbestimmung und Lokalisierung in das Kommunikationssystem.

Die hohe Bandbreite sowie hochperformante Basisband-Prozessoren erlauben eine sehr genaue Schätzung der Distanz zwischen Sender und Empfänger durch Time-of-Flight-Messung. Dies erlaubt neue standortbasierte Dienste mit extrem geringen Zusatzkosten.

Während des PreLocate-Projektes hat das IHP gemeinsam mit der Firma InnoSenT GmbH und der Humboldt-Universität zu Berlin ein komplettes drahtloses 60-GHz Kommunikationssystem für eine Nettodatenrate bis zu 4 Gbit/s (5.2 Gbit/s in Luft) entwickelt. Der FPGA-basierte Demonstrator kann zusammen mit dem 60-GHz Frontend-Module für Videostreaming und Datenübertragung benutzt werden. Gleichzeitig erlaubt der Demonstrator die Entfernungsmessung zwischen Sender und Empfänger mit einer Auflösung von 1 cm pro Einzelmessung.

Ein mm-Wellen-Frontend-Chipsatz und ein Modul, welches Strahlformung ermöglicht, wurde gemeinsam mit unserem Partner InnoSenT GmbH (www.innosent.de) entwickelt. Das Strahlformungs-Frontend-Modul ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die Characterisierung derAntennenabstrahlung für das Beamforming-Frontend ist in Abbildung 2 dargestellt. Ein Vergleich der simulierten Antennenabstrahlung mit den Messergebnissen zeigt eine vergleichsweise gute Übereinstimmung.

Abb.3 zeigt die Messanordnung unseres 60-GHz OFDM-basierten Systememonstrators.

Abbildung 4 zeigt die Meesergebnisse der Entfernungsmessung mit einem erweiterten Time-of-Flight-Ansatzes (ToF). Die Standardabweichung des Messfehlers beträgt für Distanzen unter 5 Meter etwa 1 Zentimeter. Zwischen 5 und 8 Metern Entfernung liegt die Standardabweichung des Messfehlers unter 5 Zentimeter. Diese ToF-basierte Rangingtechnik wird für präzise Innenraum-Positionierung benutzt.