Optimization of 100 Gb/s short range wireless transceivers under processing energy constraints

Wang, Gaojian; Ascheid, Gerd; Negra, Renato

doi:10.18154/RWTH-2022-04126

Optimization of 100 Gb/s short range wireless transceivers under processing energy constraints = Optimierung von 100 Gb/s Nahbereichs-Funktransceivern unter Berücksichtigung von Grenzen für die Leistungsaufnahme

Wang, Gaojian^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Gaojian Wang

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Ascheid, Gerd (Thesis advisor)^RWTH* ; Negra, Renato (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-11-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-04126
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/844695/files/844695.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Integrierte Systeme der Signalverarbeitung (611810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
hybrid beamforming (frei) ; low power (frei) ; millimeter wave (frei) ; ultra-high throughput (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die derzeitige Entwicklung intelligenter elektronischer Geräte (z.B. Smartphones und Tablets) und Multimedia Anwendungen führt zu einem enormen Wachstum des Datenverkehrs, was aufgrund der Knappheit des Spektrums eine enorme Herausforderung für zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme darstellt. In einem solchen Kontext ist das 60 GHz Band eine vielversprechende Option, um die ständig steigenden Anforderungen lokaler und persönlicher Netzwerke nach höheren Datenraten und höherer räumlicher Wiederverwendung aufgrund der weltweit nicht lizenzierten Bandbreite von mehreren GHz gerecht zu werden. Der Gegenstand dieser Dissertation ist die wissenschaftliche Untersuchung neuer Konzepte für Nahbereichs-Funktransceivers, die mit Trägerfrequenzen von 60 GHz und einer Bandbreite zwischen 1 und 10 GHzarbeiten. Bei einer bestimmten Menge an Verarbeitungsenergie pro Informationsbit steigt der Leistungsverbrauch mit der Datenrate. Wenn Datenraten über 100 Gbit/s angestrebt werden, übersteigt der Gesamtleistungsverbrauch des Systems bald die Leistung, die ohne erzwungene Kühlung verbraucht werden kann. Um unter dieser Leistungsbeschränkung eine maximale Datenrate zu erreichen, muss die Verarbeitungsenergie pro Informationsbit minimiert werden. Daher wird in dieser Dissertation ein neues verarbeitungsefﬁzientes Übertragungsschema vorgeschlagen, das auf gemeinsame analogen/digitalen Signalverarbeitungsarchitekturen benutzt. Die Voraussetzung ist, dass die Eigenschaften des Funkkanals bei 60 GHz gut untersucht sind und die Implementierung eines 60 GHz Kanalmodells für Systemsimulationen erfolgt. Die Hauptaufgaben der Basisbandsignalverarbeitung wie Strahlformungs / MIMO Techniken, Kanalschätzung, Entzerrung und angepasste Filterung (Impulsformung am Sender) werden untersucht. Jede der Transceiver Aufgaben wird sowohl hinsichtlich des hohen Stromverbrauchs als auch der Auswirkungen auf die Kommunikationsleistung untersucht. Abgesehen davon werden die Algorithmen mit geringer Komplexität und akzeptablem Leistungsverlust untersucht, um die strenge Leistungsgrenze zu gewährleisten. Die Gesamtmethode ist energiegetrieben. Zum Beispiel, alle Entwurfsentscheidungen wie Auswahl des Übertragungsschemas, analoge/digitale Partitionierung und Optimierung von Algorithmen, hängen von der Energieefﬁzienz ab. Es besteht ein5enger Zusammenhang zwischen Energieefﬁzienz und Kommunikationsleistung. Die Leistungsschätzung wird für die Komponenten durchgeführt, die als für ein Systemgeeignet identiﬁziert wurden, das den Gesamtdurchsatz, die Kommunikationsleistung und die Leistungsbeschränkungen erfüllt. Dies gilt sowohl für Komponenten imanalogen als auch im digitalen Teil. Darüber hinaus wird eine Analyse der Beziehung zwischen Energie und Spektrumsefﬁzienz durchgeführt, um den praktischen Kompromiss zwischen Energie und Spektrumsefﬁzienz für das Design von Millimeterwellensystemen zu bestimmen. Schließlich wird der vorgeschlagene Ansatz als Proof of Concept für die Methodik und aufgrund seiner hohen Relevanz auf Systeme angewendet, die außerhalb des 100 GHz Trägerfrequenzbereichs arbeiten. Die Auswirkungen einer Erweiterung auf 120 GHz Trägerfrequenzbereiche und einer Erweiterung von der Punkt zu PunktMIMO Übertragung auf den Mehrbenutzerfall werden angesprochen. In dieser Dissertation werden alle neuartigen Designs und analytischen Bewertungen in Bezug auf Systemdesignaspekte durch Simulationen validiert. Die Ergebnisse zeigen den Leistungsvorteil von Millimeterwellensystemen, die die 60 GHz Technologie als kritische Komponente an der Spitze der drahtlosen Gbit/s Kommunikation positionieren.

The current development of smart electronic devices (e.g., smartphones and tablets)and multimedia applications leads to tremendous data trafﬁc growth, which is anenormous challenge for future wireless communication systems due to the spectrumscarcity. In such a context, the 60 GHz band, due to the several GHz of unlicensedbandwidth worldwide, is a promising option to serve the ever-increasing demandsof local and personal area networks for higher data rates and higher spatial reuse.This dissertation’s subject is the scientiﬁc investigation of new concepts for short-range radio transceivers that work with carrier frequencies of 60 GHz and bandwidthbetween 1 and 10 GHz. For a given amount of processing energy per information bit, the overall powerconsumption increases with the data rate. When targeting data rates beyond 100Gb/s, the system’s overall power consumption soon exceeds the power which can bedissipated without forced cooling. In order to achieve a maximum data rate underthis power constraint, the processing energy per information bit must be minimized. Therefore, in this dissertation, a novel processing efﬁcient transmission scheme, i.e., using joint analog/digital signal processing architectures, is proposed. As a pre-requisite, the wireless channel characteristics at 60 GHz are well studied, and the im-plementation of a 60 GHz channel model for system simulations is done. The majorbaseband signal processing tasks such as beamforming/MIMO techniques, channelestimation, equalization, matched ﬁltering (pulse shaping at the transmitter) are in-vestigated. Each of the transceiver tasks is studied both concerning the high-levelpower consumption and the communication performance impact. Except that, thelow complexity algorithms with acceptable performance loss are investigated to guar-antee the strict power limit. The overall methodology is energy-driven. For instance, all design decisions liketransmission scheme selection, analog/digital partitioning, and algorithms optimiza-tion, are driven by energy efﬁciency. There is a strong relationship between energyefﬁciency and communication performance. Thus, power estimation is performed forthe components identiﬁed to be suitable for a system that meets the overall through-put, communication performance, and power constraints. This applies to compon-ents in both the analog as well as the digital part. Besides, an analysis of the relation3between energy and spectrum efﬁciency is also performed to guide the practical en-ergy/spectrum efﬁciency trade-off for the millimeter-wave system design.Finally, as proof of concept for the methodology and because of its high relevance,the proposed approach is applied towards systems operating beyond the 100 GHz car-rier frequency range. The impact of an extension to 120 GHz carrier frequency rangesand an extension from the point-to-point MIMO transmission to multi-user case areaddressed. In this dissertation, all novel designs and analytical evaluations in systemdesign aspects are validated via simulations. The results demonstrate the perform-ance advantage of millimeter wave systems, which positions 60GHz technology as acritical component in the forefront of Gbps wireless communications.

OpenAccess:
PDF
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