COCOON: Kooperative Sensorkommunikation für die vernetzte Welt von Morgen Prof. Dr.-Ing. Klaus Hofmann
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1 COCOON: Kooperative Sensorkommunikation für die vernetzte Welt von Morgen Prof. Dr.-Ing. Klaus Hofmann Fachgebiet Integrierte Elektronische Systeme Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Technische Universität Darmstadt LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 1
2 Agenda LOEWE-Schwerpunkt Übersicht, Organisation und Ziele Bereich A Netzwerkaspekte Bereich B Signalverarbeitung Bereich C Transceiver-Architekturen Bereich D Bereichsübergreifende Aspekte und Verifizierung Zusammenfassung und Ausblick LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 2
3 LOEWE-Schwerpunkt COCOON LOEWE: Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlichökonomischer Exzellenz. Nachhaltige Stärkung der hessischen Forschungslandschaft TU Darmstadt ist mit aktuell 3 LOEWE-Zentren und 4 -Schwerpunkten beteiligt COCOON (Kooperative Sensorkommunikation) wird seit für 3 Jahre mit 4,5Mio gefördert LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 3
4 COCOON: Personen Informatik Mathematik Elektro- & Informationstechnik A. Zoubir A. Klein M. Hollick S. Ulbrich A. Gershman D. Dahlhaus K. Hofmann A. Buchmann S. Santini R. Jakoby T. Weiland LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 4
5 Vision LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 5
6 Sensoren Physikalische Größe Messdaten/ Ereignisse Messwandler klassischer Sensorbegriff Messdaten/ Ereignisse Signalverarbeitung Signalverarbeitung Kommunikation Kommunikation Vernetzung LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 6
7 Motivation Leben in smart cities LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 7
8 Motivation Intelligentes Wohnen LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 8
9 Quelle: Motivation Car-to-X Kommunikation LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 9
![[Quelle: Matt Heavner, University of Alaska Southeast] Motivation](/docs-images/70/62624497/images/10-3.jpg "Umweltbeobachtung/-schutz 6.9.2011 LOEWE-Schwerpunkt COCOON K.")
10 [Quelle: Matt Heavner, University of Alaska Southeast] Motivation Umweltbeobachtung/-schutz LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 10
11 Eigenschaften und Herausforderungen Extrem große Anzahl mobiler Sensoren Heterogenität der Gerätelandschaft Schnell veränderliche Netzwerktopologien???? Beherrschung der Informationsflut Unterdrückung massiver Interferenzen Energieeffiziente Transceiverarchitektur Schichtenübergreifende Optimierung z.b. der Dienstgüte?? LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 11
12 LOEWE-Schwerpunkt: Kooperative Sensorkommunikation Ziel ist die Weiterentwicklung wissenschaftlicher Methoden und Werkzeuge, Entwicklung neuer Basistechnologien und Kommunikationsparadigmen A Netzwerkaspekte B Signalverarbeitung C Transceiver-Architekturen D Bereichsübergreifende Aspekte und Verifizierung LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 12
13 LTE UWB Bereich C: Transceiverarchitekturen 4G Systeme UMTS Zeitvarianter, dispersiver Funkkanal Rekonfigurierbarer Empfänger GSM WLAN WPAN Drahtlose Zugriffssysteme Neue Dienste und Standards Höhere Bandbreitenanforderungen Neue Frequenzzuteilungen Peer-to-peer radio Anforderungen an Transceiver Rekonfigurierbarkeit Multistandard (Basisband) Multiband (HF-Band) Großer Frequenzbereich 0,1 10 GHz a n b g W-CDMA Bluetooth Höhere & flexible Bandbreiten Hohe Energieeffizienz Mehrantennensysteme (MIMO, Beamforming) spektrale Effizienz & Störunterdrückung F Sideco (isuppli): RF Trends, IEEE Spectrum Webcast, May, LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 13
14 Realisierung Heute Beispiel Parallele, unflexible, feste (N M) Transceiverzüge (z.b. N Frequenzbänder, M MIMO-Kanäle) Hoher Platzbedarf Reduktion durch höhere Integrationsdichte Zunehmende Komplexität (16++ Frequenzbänder) und Leistungsbedarf Sendezweig eines Multistandard- / Multiband- Transceivers WLAN-2.4GHz UMTS-2GHz GSM-1.9GHz GSM-0.8GHz D/A- Konverter Mischer Oszillator Leistungs- Verstärker MUX, Filterbänke (Diplexer) Multiplexer (MUX) Antennen HF-Frontend LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 14
15 Schlüsseltechnologien Entwicklung einer allgemeinen Plattform Vollständig steuerbares HF-Frontend Konzepte für rekon. Architekturen Umfassende Evaluation aller Teilaspekte Vielfältige Technologien Im Focus von COCOON: Steuerbare Dielektrika (z.b. BST, LC) Ansteuerung Im Focus von COCOON: Entwicklung von schnell steuernden Hochvolt-ICs (IN: 3,7V, OUT: 0V->120V) Bei Antennenarrays: X*Y Hochvoltspannungen Dioden Evaluation Auswahl Anforderungen / Möglichkeiten Rekonfig. HF-Frontend Verfügbare Technologien LC Netzwerkschicht / Signalverarbeitung Antennentechnik Anforderungen an zukünftige Technologien MEMS BST LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 15
16 Realisierung Morgen Flexible, dynamisch rekonfigurierbare Transceiver Steuerbare/schaltbare HF-Komponenten und Baugruppen Deutliche Reduktion der erforderlichen parallelen Transceiverzüge durch frequenzagile Frontendtechnologie Deutlich höhere Energieeffizienz durch adaptive Anpassschaltungen Basisbandprozessierung in parametrierbarer Hardware-Implementierung Effiziente Alternative zu Software-Defined-Radio LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 16
17 Beispiel: Frequenzagile und adaptiv angepasste Antennen Basisband LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 17
18 Integrierte Hochvolt-Elektronik Moderne Funktionsmaterialien (Ba x Sn y Ti z, Flüssigkristalle, organische/anorganische Halbleiter) benötigen häufig hohe Feldstärken und hohe Spannungen Portable/mobile Anwendungen Akku als Stromversorgung (Mobiltelefon: 3,7V, Kfz: 12V) Bei Akku hoher Wirkungsgrad / niedrige Leistungsaufnahme Wünschenswert ist Single-Chip Realisierung Schnelle Regelung mind. einer Spannung (0-120V), 10bit-Auflösung Bei Antennenarrays: unabhängige Steuerung von vielen Spannungen Zugang zu geeigneten Technologien (AMS H35, I2T100 bzw. I3T80) ist leicht, jedoch vertieftes Technologieverständnis notwendig LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 18
19 Kooperationspartner LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 19
20 Potential für Hessen Für die Hessische Wirtschaft Technologievorsprung durch enge Zusammenarbeit (Technologietransfer) ) Ausbildung erstklassiger Ingenieure Ausgründungen Für die Hessischen Universitäten Attraktivität des Forschungsstandorts Internationale Exzellenz LOEWE-Schwerpunkt COCOON K. Hofmann 20
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