Projektvision

Ausgehend von der Entwicklung der Funk-Kommunikationstechnik werden Anforderungen für die Realisierung zukünftiger Systeme abgeleitet, die durch den in diesem Projekt verfolgten Systemansatz erfüllt werden können.

Entwicklung der Funk-Kommunikationstechnik – Einordnung des Projekts

Marktprognosen – Vision der drahtlosen Welt

Die Anzahl der Nutzer, die drahtlose Kommunikationsdienste in Anspruch nehmen, wird zukünftig weiter ansteigen. Mit weltweit ca. 2 Milliarden Mobilfunkteilnehmern wird die Anzahl der Festnetz-Nutzer bereits jetzt überschritten. Eine ähnliche Entwicklung wird auch für die drahtlosen Internetzugänge im Vergleich zu den festen Internetanschlüssen erwartet. Dem Endanwender werden dann vollkommen neue, drahtlose Dienste und Applikationen zur Verfügung stehen: Neben der Sprachübertragung und dem Internetzugang (Mobile Internet) werden dies vor allem Multimediaangebote wie z.B. Videotelefonie und TV für mobile Endgeräte (Mobile TV) sein. In Zukunft ist daher mit einer zunehmenden Konvergenz von Telefonie, Internet, Multimediaangeboten und Rundfunk zu rechen (digitale Konvergenz) [WWRF06, UMTS05]. Für den Nutzer werden dann nur noch die Dienste und Anwendungen im Vordergrund stehen, wohingegen die zugrunde liegende Technologie für ihn unsichtbar sein wird. Durch einen automatischen Zugriff auf die zur Verfügung stehenden Netze wird dann die jeweilig optimale Übertragungstechnik ausgewählt (Heterogenes Access Managment).

Entwicklung der Übertragungstechniken

Die zukünftigen Anwendungen erfordern die Weiterentwicklung bestehender Luftschnittstellen sowie die Definition neuartiger, breitbandige Übertragungstechniken:
Momentan sind die zellularen Mobilfunksysteme der zweiten Generation (2G) nach dem GSM-Standard weltweit am weitesten verbreitet. Erweiterungen des GSM-Systems durch einen paketorientierten Übertragungsdienst (GPRS) sowie eine Erhöhung der Datenrate (EDGE) erlauben erstmals eine mobile Datenübertragung. Das GSM System wird zukünftig durch Systeme der dritten Generation (3G) nach dem UMTS-Standard abgelöst. Innerhalb von UMTS Systemen wird eine breitbandige Datenübertragung durch die Übertragungstechniken HSDPA und HSUPA ermöglicht. Diese Techniken werden zurzeit in Deutschland eingeführt. Eine Weiterentwicklung der 3G-Systeme zu noch höheren Datenraten geschieht momentan im Rahmen der 3G-Long Term Evolution (3G-LTE) [Rys06].

Unter der Begriff WiMAX werden verschiedene IEEE-Funkstandards zusammengefasst, die den drahtlosen Zugang für feststehende Endnutzer ermöglichen. Erweiterungen sehen jedoch auch die Datenübertragung zu mobilen Nutzern und den Aufbau eines zellularen Netzes vor [WiM06].

Die digitalen Rundfunkdienste nach dem DAB und DVB-T Standard werden in Deutschland flächendeckend ausgebaut, der Standard DVB-H soll die Versorgung mobiler Teilnehmer über die terrestrische Senderinfrastruktur ermöglichen.

Bandbreitenbedarf und Frequenzplanung

Der erwartete enorme Anstieg des drahtlos übertragenen Datenvolumens führt unmittelbar zu einem erhöhten spektralen Bandbreitenbedarf für drahtlose Kommunikationssysteme. Diesem Bedarf kann nur durch die Erschließung bisher für die Kommunikation ungenutzter Frequenzressourcen oder durch eine Steigerung der spektralen Effizienz der Übertragungsverfahren entgegen gewirkt werden.

So wird für die Datendienste innerhalb des UMTS-Systems ein zusätzlicher Band-breitenbedarf von bis zu 1280 MHz bis zum Jahr 2020 erwartet [IMT06]. Diese Anforderungen sollen über die Erschließung von Erweiterungsbändern erfüllt werden, über deren Vergabe bei der World Radio Conference 2007 entschieden wird. Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Frequenzressourcen besteht in der dynamischen Nutzung zeitweise ungenutzter Frequenzbänder durch den cognitive radio Ansatz [Jon05] (Radio Resource Managment).

Die Verbesserung der spektralen Effizienz hingegen ist ohnehin ein Hauptziel  bei der in der Weiterentwicklung der Übertragungsverfahren.

Zusammenfassend lassen sich im Hinblick auf die Nutzung der Frequenzressourcen in zukünftigen Systemen folgende Trends feststellen:

1. Zunahme der Standards und damit generelle Zunahme der Frequenzbänder
2. Zunahme der Frequenzbänder pro Standard, Erweiterungsbänder für bestehende Standards
3. nicht-zusammenhängende Bänder pro Standard (unpaired bands)
4. dynamische Frequenzallokation, dynamische Breite der Bänder

Zukünftige Hardware-Anforderungen

Die beschriebene Weiterentwicklung der Funk-übertragungsverfahren führt unmittelbar zu einer erhöhten Komplexität der digitalen Signalverarbeitung und zu stark steigenden Anforderungen an die analoge Schaltungstechnik. Während die wachsende Komplexität der Signalverarbeitung durch die Fortschritte der Digitaltechnik weitestgehend aufgefangen werden kann („Moore’sches Gesetz“), liegen die großen Herausforderungen der analogen Schaltungstechnik in folgenden Bereichen:

1. Aufgrund der knappen Frequenzressourcen müssen neuartige Verfahren eine verbesserte spektrale Effizienz aufweisen. Dies wird durch Wellenformen erreicht, die im Allgemeinen keine konstante Einhüllende besitzen sondern eine große Leistungsdynamik aufweisen. Beispiele hierfür sind die Mehrnutzer-CDMA Systeme (UMTS) und die OFDM-Systeme (WiMAX, 3G-LTE). Im Vergleich zu den Wellenformen mit konstanter Einhüllenden (z.B. GSM) steigen dadurch die Anforderungen an die Linearität der analogen Schaltungskomponenten sehr stark an.
2. Die Zunahme der Frequenzbänder pro Standard und die geforderte Vereinigung mehrere Übertragungstechniken in einem Funkteil erfordert Multi-Band bzw. Multi-Standard Architekturen. Diese lassen sich zwar prinzipiell durch den softwareradio Ansatz [Mit95], realisieren. In der Praxis kann die geforderte Signalqualität jedoch nur durch zusätzliche Filterung sowie durch entsprechend breitbandige Auslegung der Analogkomponenten erreicht werden. Derartige Komponenten sind momentan nicht verfügbar oder nur sehr aufwendig zu realisieren. Die dynamische Frequenzallokation im Sinne des cognitive radio Ansatzes stellt nochmals höhere Anforderungen an die Analogkomponenten, da zusätzlich eine sehr schnelle Umschaltung zwischen Frequenzbändern unterschiedlicher Bandbreite gefordert wird.
3. Die Kosten für Anschaffung, Betrieb und Wartung zukünftiger Funksysteme müssen möglichst gering gehalten werden, um die Wettbewerbsfähigkeit der Kommunikationswirtschaft zu erhalten.

Damit stellt sich die Realisierbarkeit der analogen Hardware-Komponenten als ein entscheidendes Kriterium für die Evolution der Funkkommunikation dar.

Zielsetzung des Vorhabens

Wie im vorherigen Abschnitt erläutert wurde, verlangt die wachsende Zahl verschiedener Mobilfunk-Standards eine kostengünstige und flexible Sender- und Empfängerarchitektur (Transceiver), die sämtliche Standards unterstützen kann. Dieser Trend ist ebenfalls im Bereich der kommerziellen Funksysteme und des digitalen Rundfunks zu beobachten. Heute basieren alle Funksysteme bzw. Standards auf einer rein digitalen Signalverarbeitung im komplexen Basisband, wodurch prinzipiell eine einheitliche Nutzung der Digital- und Analog-Hardware ermöglicht wird. Durch eine zusätzliche Konfigurierbarkeit des Digital- und des Analogteils kann dann ein Multi-Standard Transceiver (flexibler, frequenzagiler Transceiver) realisiert werden [HKP+05].

Mit der geforderten Flexibilität dieser Komponenten nimmt jedoch der Einfluss nichtidealer, analoger Schaltungskomponenten auf die geforderte Signalqualität stark zu, was letztlich zu einer deutlichen Einschränkung der Funktionsfähigkeit des realen Systems im Vergleich zu den theoretischen Erwartungen führt.

Durch eine entsprechende Weiterentwicklung der analogen Schaltungstechnik können diese Probleme zwar prinzipiell gelöst werden, allerdings steigt der Aufwand für Herstellung und Betrieb „idealer“ Schaltungskomponenten erheblich an. So wird z.B. in aktuellen Systemen die lineare, fehlerfreie Übertragung eines Senders durch einen sehr schlechten Wirkungsgrad des Sendeverstärkers erkauft. Dieser geringe Wirkungsgrad führt dann zu stark erhöhten Beschaffungs- und Betriebskosten. Als weiteres Beispiel sind Multi-Band Basisstationen zu nennen, die bisher mit separaten Sendezügen für jedes einzelne Frequenzband realisiert werden müssen. Diese Schwierigkeiten im Bereich der analogen Schaltungstechnik werden auch längerfristig anhalten, da der technologische Fortschritt in Bezug auf die Steigerung der Leistungsfähigkeit von Analogkomponenten deutlich langsamer verläuft als auf dem Gebiet der Digitaltechnik.

Der umgekehrte Ansatz, der einen weitestgehenden Ersatz der Analogtechnik durch Digitaltechnik vorsieht („reines“ Software Defined Radio) erweist sich ebenfalls als extrem aufwendig und in vielen Fällen sogar als nicht realisierbar. Dies ist in dem überproportionalen Anstieg von Rechenaufwand und Leistungsverbrauch beim Ersatz analoger Frequenzumsetzer und Filter durch digitale Signalverarbeitungskomponenten begründet. Abbildung 1 zeigt die Einordnung des Vorhabens in Bezug auf die Entwicklung der Funk-Kommunikationstechnik.

Abbildung 1: Einordnung des Projekts innerhalb der Kommunikationswirtschaft

Die Beherrschung von flexiblen und damit breitbandigen sowie effizienten und damit kostengünstigen Funksystemen stellt daher eine Schlüsseltechnologie für die gesamte Informations- und Kommunikationsbranche dar:

Innerhalb des Vorhabens „Smart-RF“ sollen nun neuartige Realisierungskonzepte für die Hardware zukünftiger Funk-Kommunikationssysteme entwickelt und in einem anwendungsbezogenen Kontext getestet werden. Durch den Ansatz einer gemeinsamen Optimierung von Digital- und Analogteil der Transceiver sollen die gestiegenen Anforderungen zukünftiger Systeme erfüllt werden. Das Projektziel ist damit die Bereitstellung von „enabling technology“ für die Evolution der Funk-Kommunikation.

Das Projektziel gliedert sich zusammenfassend in folgende Handlungsfelder:

1. Entwicklung eines „Baukastens“ aus innovativen Hardware-Komponenten, z.B. Verstärker, Frequenzumsetzer, Antennen.
2. Definition eines produktnahen Anwendungsfalls, z.B. Transceiver der UMTS und 3G-LTE unterstützt.
3. Demonstration der technischen Realisierbarkeit des Transceivers in einem Testbett.
4. Fallstudie eines Dienstanbieters zum gewählten Anwendungsfall und Demonstration von typischen Applikationen und Diensten auf dem Testbett, z.B. Datentransfer und Multimedia Download.