Multi-gigabit millimeter wave communication links

Abstract

This dissertation is concerned with the search for new approaches to realize multi-gigabit wireless communication links. To satisfy the consumers’ growing demand for high-speed mobile connections, the achievable data rate in future wireless front- and backhaul applications, building the mobile network’s backbone, but also in short range wireless connections, needs to be significantly increased. Following latest discussions and statements, data rates well beyond 10 Gbit/s will be necessary for these use cases. To the present day, such wireless links are realized in the microwave regime, where the maximum data rates are limited by the restricted bandwidths achievable technologically at these carrier frequencies, as well as restraining frequency allocations. First approaches utilizing frequencies in the higher millimeter wave regime, i.e. above of 100 GHz, so far only operate with bandwidth-inefficient amplitude shift keying signals or use opto-electronics to generate a millimeter wave signal. The latter systems are also capable of using complex modulation formats but, up to now, are limited by comparably low transmit powers. To provide wireless links enabling multi-gigabit capacities combined with adequate reliability, new approaches in the realization of such systems will be necessary. The use of electrical millimeter wave integrated circuits, capable of operating in this high frequency regime, will result in compact, light-weight and easy-to-deploy frontend components and also allow to transmit over much higher distances. Combining the advantages of extremely high bandwidths achievable with these circuits with the possibility of using bandwidth efficient complex modulation formats will take wireless com- munication to a new level. The challenge hereby is to relate effects intro- duced on component level to repercussions which appear on system level, and, in a further step, reveal their impact and optimization potential. In this thesis, the necessary aspects for the realization of all-electrical multi-gigabit wireless communication system in the millimeter wave regime are considered. A study of appropriate approaches of circuit topologies suitable to realize extremely broadband transmit and receive components allowing for multi-gigabit capability, as well as the design and realization of such circuits build the basis for a profound analysis of such transmission systems. An investigation of the wireless system’s transmission quality under the influence of the frontend component’s non-idealities reveal the system’s limits but also the optimization poten- tial. Finally, free space data transmission experiments are conducted to prove the feasibility of multi-gigabit communication links operating at such elevated frequencies. In this dissertation, for the first time, system imperfections of millimeter wave communication links are related to the causative frontend non- ideality in a theoretical approach. The findings are verified by measure- ments. Furthermore, for the first time, outdoor transmission experiments across realistic distances unveiling the real potential of the proposed system solutions are shown.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Suche nach neuen Ansätzen zur Realisierung von Multi-Gigabit-Funkkommunikationssystemen. Um die steigende Nachfrage der Verbraucher nach mobilen Datenverbindungen zu befriedigen, muss nicht nur die erzielbare Datenrate in zukünftigen drahtlosen Front- und Backhaul-Anwendungen,dem Rückgrat des Mobilfunknetzes, deutlich erhöht werden, sondern auch die der unterstützenden drahtlosen Nahbereichsverbindungen. Aus aktuellen Diskussionen kann geschlossen werden, dass die benötigten Datenraten für diese Anwendungsszenarien deutlich über 10Gbit/s liegen werden. Bis heute werden solche drahtlose Verbindungen im Mikrowellenbereich realisiert, wo die maximale Datenrate durch die bei diesen Trägerfrequenzen erzielbaren Bandbreiten sowie durch strikte Frequenzzuweisungen eingeschränkt werden. Erste Ansätze, die die Nutzung von Frequenzen im hohen Millimeterwellenbereich, also bei Frequenzen über 100GHz, verfolgen, verwenden bisher Signale mit einer bandbreitenineffizienten Amplitudenumtastung oder verwenden optoelektronische Komponenten, um das Millimeterwellensignal zu erzeugen. Die letztgenannten Systeme sind zwar auch in der Lage mit komplexen Modulationsformaten zu arbeiten, sind aber bisher durch vergleichsweise geringe Sendeleistungen beschränkt. Um drahtlose Funkkommunikation mit Kapazitäten im Bereich von mehreren Gigabit pro Sekunde mit ausreichender Zuverlässigkeit zu entwickeln, werden neue Ansätze bei der Realisierung derartiger Systeme notwendig. Die Verwendung von elektrischen monolithischen Millimeterwellenschaltungen zur Realisierung von Multi-Gigabit-Funksystemen führt zu kompakten, leichten und einfach einzusetzenden Frontend-Komponenten, die eine Signalübertragung über größere Entfernungen ermöglichen. Die Kombination aus extrem hohen Bandbreiten durch diesen Schaltungsansatz und bandbreiteneffizienten komplexen Modulationsverfahren eröffnet neue Möglichkeiten für die erzielbaren Datenraten in der drahtlosen Kommunikation. Die Herausforderung hierbei liegt darin, die Auswirkungen der auf Komponentenebene entstehenden Nichtidealitäten mit den auf Systemebene auftretenden Effekten in Zusammenhang zu bringen und in einem weiteren Schritt deren Einfluss sowie das mögliche Optimierungspotenzial aufzuzeigen. In dieser Arbeit werden die notwendigen Aspekte für die Realisierung von Multi-Gigabit-Funkkommunikationssystemen im Millimeterwellenbereich bestehend aus rein elektrischen Komponenten betrachtet. Eine Studie geeigneter Schaltungstopologien für die Realisierung extrem breitbandiger Sende- und Empfangskomponenten, sowie deren Design und Realisierung bilden die Basis für eine tiefgreifende Analyse solcher Übertragungssysteme. Eine Untersuchung der Übertragungsqualität des drahtlosen Systems unter dem Einfluss der nichtidealen Frontend-Komponenten zeigt nicht nur die Grenzen des Systems auf, sondern auch dessen Optimierungspotenzial. Abschließende Freiraum-Datenübertragungsexperimente zeigen die Machbarkeit solcher höchstdatenratiger Kommunikationsverbindungen in diesem extrem hohen Frequenzenbereich. In dieser Dissertation wurden für Millimeterwellenfunksysteme erstmalig die Nichtidealitäten der Frontend-Komponenten mit den dadurch hervorgerufenen Systemeffekten in einen theoretischen Zusammenhang gebracht. Diese theoretischen Ergebnisse zeigen gute Übereinstimmungen zu vergleichenden Messungen am System. Darüber hinaus werden zum ersten Mal Freiraumübertragungsexperimente über realistische Distanzen mit Systemen in diesem Frequenzbereich präsentiert, die das tatsächliche Potenzial der vorgeschlagenen Systemlösung aufzeigen.