Rekonfigurierbare Funkarchitekturen Erhöhte Konvergenz für den Mobilfunk

Autor / Redakteur: Pieter Hooijmans* / Jan Vollmuth

Mobile Geräte wie z.B. Mobiltelefone oder PDAs besitzen immer mehr Multi-Mode- und Multi-Band-fähige drahtlose Kommunikationsfunktionen. Damit steigt der Bedarf an HF-Integration, denn aus Platz- und Kostengründen und aufgrund der hohen Verlustleistung kann nicht für jeden Kommunikationsstandard oder jede Betriebsartkombination ein eigener Transceiver bereitstehen. Die Alternative: eine rekonfigurierbare Funklösung.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Aktuelle GSM-Handys sind das Schweizer Messer unter den Kommunikationsgeräten: Dank Quad-Band kann man mit ihnen in fünf Kontinenten telefonieren und via Bluetooth und Wi-Fi Daten versenden. Die Geräte der nächsten Generation können digitale Fernseh und Hörfunkprogramme empfangen oder pre GPS navigieren, und die Integration von Wireless USB mittels UWB (Ultra Wide Band) und WiMax für den mobilen Internetzugang stehen kurz bevor. Damit müssen die Geräte für den Datenempfang über eine Bandbreite von nahezu 6 MHz ausgelegt sein.

Bislang wurden für jede Kommunikationsform eigene HF-Transceiver und Basisband-Schaltungen vorgesehen. Ein bewährtes Konzept – das jedoch von der steigenden Zahl drahtloser Kommunikationskanäle überfordert ist. Der Mobilfunk der Zukunft braucht neue Lösungen.

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Um die Zahl der benötigten Antennen zu verringern, können z.B. alle Kommunikationskanäle, die sich denselben Frequenzbereich teilen, eine einzige Antenne nutzen. Dies gilt u.a. für Bluetooth und IEEE 802.11b/g, die eine sinnvolle Kombination für VoIP-Dienste (Voice over IP) bilden. Günstige Kombinationen wie diese könnten die Integration vorantreiben. Da sie wenig Einfluss auf das Basis-Design eines Mobiltelefons haben sollen, wird man sie eher zum Back-End hin in die Basisband-Stufen des Handys einbinden (Bild 1). Viele Modems werden deshalb eng mit ihrem HF-Transceiver verflochten sein und entweder in eine Single-Chip HF-CMOS-Lösung integriert oder als Bestandteil eines HF-SiP implementiert werden.

Mit steigender Zahl von Kommunikationskanälen verschwimmen die Grenzen zwischen HF und Modemfunktionalität. Moderne Basisband-Modems arbeiten im digitalen Bereich entweder mit Spezial-Hardware oder einem digitalen Signalprozessor (DSP). Die erforderlichen A/D- und D/A-Wandler werden zwischen Modem und HF-Transceiver platziert. Daher ist es sinnvoll, deren Funktionalität entweder in den Basisband-Chip des Hosts oder in eine separate Connectivity Modem Engine zu integrieren. Dies verringert die Zahl der Chips, zudem lässt sich die Modem- und Basisbandfunktionalität rasch von einer CMOS-Prozessstufe zur nächsten übertragen (Bild 2).

Die Integration von Bluetooth erforderte mehrere Jahre

Alternativ können Modems und die dazugehörigen HF-Transceiver in einen großen CMOS-Chip integriert werden. Dieses Konzept ist bei weniger komplexen drahtlosen Kommunikationslösungen wie Bluetooth und IEEE 802.11b praktikabel, doch beim Design von Multi-Band/Multi-Mode-Lösungen birgt es Risiken: Bereits die Integration eines Bluetooth-Transceivers in einen einzigen Siliziumchip beanspruchte mehrere Jahre. Völlig neue Herausforderungen wird zudem die Zusammenfassung mehrerer Transceiver in wenigen Millimetern Abstand auf einem Chip mit sich bringen.

Der Ansatz, HF- und Modem/Basisband-Funktionalität in separaten Chips anzuordnen, macht eine besser standardisierte digitale Schnittstelle zwischen diesen Chips erforderlich. Steht ein standardisiertes Interface zur Verfügung, können softwareprogrammierbare Modems mit ähnlichen Modulationsverfahren für ganz unterschiedliche HF-Transceiver tätig werden. Ebenso wie die gemeinsame Antennennutzung über die System-Partitionierung auf Seiten des HF-Transceivers entscheiden kann, können die Modulationsverfahren den Ausschlag für die System-Partitionierung auf Seiten des Modems geben. Naheliegend ist ein Partitionierungs-Schema, das HF-Teil mit HF-Teil, Modem mit Modem und Applikationsprozessor mit Applikationsprozessor kombiniert. Die Mobile Industry Processor Interface Alliance arbeitet bereits an Spezifikationen für standardierte hard- und softwaremäßige, digitale serielle Schnittstellen zu mobilen Applikationsprozessoren.

Die Industrie benötigt vereinheitlichte Spezifikationen für die Schnittstelle zwischen HF-Teil und Modem, vergleichbar DigRF und DigRF3G für Mobiltelefone, die jedoch mehr Kommunikations-Standards wie z.B. 802.11/g/n, DVB-H und Wi-Max berücksichtigen.

Eine solche Partitionierung ebnet zudem den Weg zu einer rekonfigurierbaren Funklösung. Unter einer rekonfigurierbaren Funk-Lösung versteht man das Konzept, ein und dieselbe Transceiver/Modem-Kombination für verschiedene Frequenzbänder und Modulationsverfahren einzusetzen.

HF-CMOS-Technologie spielt eine entscheidende Rolle

Eine der größten Herausforderungen bei der Implementierung rekonfigurierbarer Funklösungen ist der Ersatz der bislang fest eingestellten Filter durch umschalt- bzw. abstimmbare Filter. Dies erfordert die Entwicklung neuer HF-Bausteine auf MEMS-Basis (Micro Electro-Mechanical System). Auch die Transceiverketten müssen weiter digitalisiert werden – nicht nur, um eine digitale Schnittstelle zum Modem zu realisieren, sondern um die Transceiver-Performance für unterschiedliche Modulationsverfahren zu optimieren. Dabei wird die HF-CMOS-Technologie ebenso eine entscheidende Rolle spielen wie neue Transceiver-Architekturen, mit denen sich ADCs und DACs näher an die Antenne rücken lassen. Dies wird zudem die Entwicklung von Klasse-E (geschalteten), Klasse-G- (Rail-Switching) oder Klasse-S- (über die Versorgungsspannung modulierten) HF-Leistungsverstärkern ermöglichen, um die Voraussetzungen für energieeffiziente breitbandige Lösungen zu schaffen.

Eine rekonfigurierbare Funklösung macht es überflüssig, für jeden Kommunikationsstandard oder jede Betriebsartkombination eine eigene Lösung vorzusehen. Designs werden sich durch Hinzufügen identischer Module problemlos aufrüsten lassen. Eine solche Ideallösung ist in der Praxis natürlich eher unwahrscheinlich, doch es sollte durchaus möglich sein, mit einigen wenigen Lösungsgruppen ein sehr weites Spektrum von Kommunikationsstandards abzudecken (Bild 3).

Langfristig wird seitens der Anwender jegliches Wissen um die jeweils verwendete Kommunikations-Pipe verschwinden. Es wird einen reibungslosen Informationsfluss geben mit einer vollautomatischen Übergabe zwischen Mobiltelefon-Netz, WLAN und Satellitennetzwerk. Rekonfigurierbare Funklösungen sind eines der Schlüsselelemente für die Umsetzung dieser Vision.

Philips Research arbeitet bereits an der Entwicklung hochflexibler digitaler Vektorprozessoren, die in der Lage sind, Software-Codecs, Modems und Kanalfilterfunktionen für eine sehr umfangreiche Palette von Übertragungsstandards zu verarbeiten – kombiniert mit den nötigen HF-Schaltungsarchitekturen für lückenlose Rekonfigurierbarkeit. Fernziel ist die Entwicklung einer Transceiver/Basisband-Architektur, die sich nicht nur von einem Standard auf den anderen umschalten lässt, sondern auch mehrere Standards gleichzeitig unterstützen kann. Genau dies benötigt man für Cognitive-Radio-Lösungen der Zukunft.

Basis für Cognitive Radio

Rekonfigurierbare Funklösungen eröffnen neue Perspektiven hinsichtlich der Nutzung des Frequenzspektrums: In der Praxis werden nur 10% des Spektrums zwischen 0 und 10 GHz ausgeschöpft. Drahtlos kommunizierende Consumer-Produkte sind durch entsprechende Vorschriften auf schmale Frequenzbänder beschränkt, während der Rest des Frequenzspektrums für Dienste wie z.B. Fernsehprogramme oder militärische Applikationen reserviert sind. Auch wenn solche Restriktionen für die im Bereich der drahtlosen Kommunikation tätigen Industrie derzeit noch keine Einschränkungen bringen, könnte sich diese Situation angesichts der wachsenden Allgegenwärtigkeit der drahtlosen Konnektivität künftig einstellen.

Aus diesem Grund wird seitens der FCC, der US-Regulierungsbehörde für die Telekommunikation, die Öffnung lizenzierter Frequenzbänder für den unlizenzierten privaten Gebrauch angeregt, wobei der Kommunikation von Notdiensten und der lizenzierten Nutzung eine höhere Priorität eingeräumt wird als den unlizenzierten öffentlichen Anwendungen. Mit diesem Verfahren lässt sich die Nutzung des Frequenzspektrums jederzeit an die örtlichen Verhältnisse anpassen, und die Koexistenz von Systemen im gleichen Frequenzband ist gesichert. Neue Technologien wie z.B. Cognitive Radio bedienen sich einer dynamischen Zuweisung des Frequenzspektrums, indem sie den bevorrechtigten Zugang zu einem bestimmten Frequenzband erkennen und aushandeln.

Philips Semiconductors, Tel. +49(0)40 56130

*Pieter Hooijmans ist Vice President RF, Philips Semiconductors

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