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Investigation of PSSS technologies to achieve 100 Gbps and beyond

Untersuchung von PSSS-Technologien zur Erreichung von 100 Gbps und darüber hinaus

  • The requirement for wireless communication with a speed beyond 100 Gbps is growing. There are mainly two possible approaches to achieve 100 Gbps system. One approach is to target lower transmission bandwidth and very high spectral efficiency. This method requires advanced digital signal processing operations, which are power-hungry. Another possible path is to go for a high-transmission bandwidth and a moderate spectral efficiency. We decided for this direction to implement a 100 Gbps system. We have chosen parallel sequence spread spectrum (PSSS) as an analog-friendly mixed-signal modulation where most of the baseband processing is in the analog domain, and only a small part is in the digital domain. For the channel equalization, we consider an “effective channel” that takes into account the wireless channel and the effects of the transmitter and receiver hardware impairments. The influence of the nonlinear channel response was analyzed for a PSSS modulated signal by employing the RAPP model for the power amplifier. For the firstThe requirement for wireless communication with a speed beyond 100 Gbps is growing. There are mainly two possible approaches to achieve 100 Gbps system. One approach is to target lower transmission bandwidth and very high spectral efficiency. This method requires advanced digital signal processing operations, which are power-hungry. Another possible path is to go for a high-transmission bandwidth and a moderate spectral efficiency. We decided for this direction to implement a 100 Gbps system. We have chosen parallel sequence spread spectrum (PSSS) as an analog-friendly mixed-signal modulation where most of the baseband processing is in the analog domain, and only a small part is in the digital domain. For the channel equalization, we consider an “effective channel” that takes into account the wireless channel and the effects of the transmitter and receiver hardware impairments. The influence of the nonlinear channel response was analyzed for a PSSS modulated signal by employing the RAPP model for the power amplifier. For the first time, we performed a Hardware-In-The-loop experiment using PSSS modulation in the terahertz band. A PSSS modulated signal at a chip rate of 20 Gcps with spectral efficiency of 4 bit/s/Hz is transmitted using a 230 GHz RF-frontend operating in the linear range to achieve a data rate of 80 Gbps. One more important property is that the channel estimation and equalization are performed in the analog domain. A high-speed channel equalization algorithm was developed and implemented on FPGA/ASIC, which operates at(1/10)th of PSSS symbol rate. A parallel PSSS encoder transmitter architecture was designed to work at a high chip rate, and it was implemented on FPGA /ASIC and had an energy efficiency of 0.21 pJ bit−1 on 28nm ASIC. In this Thesis, we put forward a case for the analog-friendly modulation scheme called PSSS. This scheme does not only modulates the signal but rather builds up an eco-system (such as channel estimation, equalization, and synchronization), which is responsible for the baseband operation.show moreshow less
  • Der Bedarf an drahtlosen Kommunikationssystemen mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Gbps und mehr wächst stetig an. Es gibt zwei mögliche Ansätze, um ein 100-Gbit/s-System zu erreichen. Ein Ansatz besteht darin, eine geringere Übertragungsbandbreite und eine sehr hohe spektrale Effizienz anzustreben. Dieses Verfahren erfordert fortschrittliche digitale Signalverarbeitungsvorgänge, die energieintensiv sind. Ein weiterer möglicher Weg ist die Wahl einer hohen Übertragungsbandbreite und einer moderaten spektralen Effizienz. Wir haben uns für diese Richtung entschieden, um ein 100 Gbps-System zu implementieren. Wir haben Parallel Sequence Spread Spectrum (PSSS) als analog-freundliche Mixed-Signal-Modulation gewählt, bei der sich der Großteil der Basisbandverarbeitung im analogen Bereich und nur ein kleiner Teil im digitalen Bereich befindet. Für die Kanalentzerrung betrachten wir einen “effektiven Kanal”, der den drahtlosen Kanal und die Auswirkungen der Hardwarebeeinträchtigungen von Sender und Empfänger berücksichtigt. DerDer Bedarf an drahtlosen Kommunikationssystemen mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Gbps und mehr wächst stetig an. Es gibt zwei mögliche Ansätze, um ein 100-Gbit/s-System zu erreichen. Ein Ansatz besteht darin, eine geringere Übertragungsbandbreite und eine sehr hohe spektrale Effizienz anzustreben. Dieses Verfahren erfordert fortschrittliche digitale Signalverarbeitungsvorgänge, die energieintensiv sind. Ein weiterer möglicher Weg ist die Wahl einer hohen Übertragungsbandbreite und einer moderaten spektralen Effizienz. Wir haben uns für diese Richtung entschieden, um ein 100 Gbps-System zu implementieren. Wir haben Parallel Sequence Spread Spectrum (PSSS) als analog-freundliche Mixed-Signal-Modulation gewählt, bei der sich der Großteil der Basisbandverarbeitung im analogen Bereich und nur ein kleiner Teil im digitalen Bereich befindet. Für die Kanalentzerrung betrachten wir einen “effektiven Kanal”, der den drahtlosen Kanal und die Auswirkungen der Hardwarebeeinträchtigungen von Sender und Empfänger berücksichtigt. Der Einfluss der nichtlinearen Kanalantwort wurde für ein PSSS-moduliertes Signal analysiert, indem das RAPP-Modell verwendet wurde, das den Leistungsverstärker modelliert. Zum ersten Mal haben wir ein Hardware-In-The-Loop-Experiment mit PSSS-Modulation im Terahertz-Bereich durchgeführt. Ein PSSS-moduliertes Signal mit einer Chiprate von 20 Gcps und einer spektralen Effizienz von 4 bit/s/Hz wird mit einem 230 GHz RF-Frontend übertragen, das im linearen Bereich arbeitet, um eine Datenrate von 80 Gbps zu erreichen. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist, dass die Kanalschätzung und -entzerrung im analogen Bereich durchgeführt wird. Ein besonders schneller Algorithmus zur Kanalentfaltung, der mit (1/10)th der PSSS-Symbolrate arbeitet, wurde entwickelt und auf FPGA/ASIC implementiert. Eine parallele PSSS-Encoder-Senderarchitektur wurde entwickelt, um mit hoher Chiprate zu arbeiten, und sie wurde auf FPGA /ASIC implementiert und hatte eine Energieeffizienz von 0.21 pJ bit−1 auf 28nm ASIC. In dieser Arbeit stellen wir ein Modulationsschema namens PSSS als Beispiel für analogfreundliche Signalverarbeitung vor. Dieses Schema moduliert nicht nur das Signal, sondern ist umgeben von einem Ökosystem (z.B. Kanalschätzung, Entzerrung und Synchronisation), das für den Basisbandbetrieb verantwortlich ist.show moreshow less

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Metadaten
Author: Karthik Krishnegowda
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52055
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Rolf Kraemer, Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Hübner
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of final exam:2020/06/11
Release Date:2020/07/09
Tag:Breitband-Empfänger; Drahtlos; PSSS; Submillimeterwelle; THz
Broadband receiver; Hardware-in-the-loop; PHY layer; Submillimeter-wave; Wireless
GND Keyword:Drahtloses lokales Netz; Breitbandempfänger; Hardware-in-the-loop; Terahertzbereich
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Systeme
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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