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Area 2 - Kommunikationssysteme: Energieeffizienz für mobile Endgeräte und Infrastrukturen

Die Verbundprojekte der Area 2 erforschen die Verbesserung der Software und Hardware in modernen mobilen Kommunikationssystemen sowie die erforderlichen Systemkomponenten. Ziel ist die Entwicklung von Basistechnologien für energieeffiziente Systeme und leichte webkompatible Endgeräte.

 

Kommunikation und die Teilhabe aller an dieser stellen die Welt vor eine stetig größer werdende Herausforderung. Allein der globale Mobilfunkverkehr wird sich laut Prognosen des amerikanischen Telekommunikationsunternehmens Cisco Systems bis 2014 um das 39-fache erhöhen. Die geographisch höchsten Wachstumsraten haben dabei der Mittlere Osten und Afrika mit jährlich 133 Prozent, gefolgt von Asien und der Pazifikregion mit 119 Prozent und Nordamerika mit 117 Prozent. Die Gründe für diese explodierenden Wachstumsraten liegen vor allem in den großen infrastrukturellen Unterschieden zwischen den Regionen weltweit, die aus Ressourcengründen nicht mit Kupfer oder Glasfaserkabeln ausgestattet werden können. Hier leistet die Mobilfunktechnik der nächsten Generation (LTE, „Long Term Evolution“) einen bedeutenden Beitrag dafür, dass Volkswirtschaften binnen kurzer Zeit Jahrzehnte der wirtschaftlichen Rückständigkeit aufholen, weil sie kostengünstig an das globale Datennetz angeschlossen werden können. Gleichzeitig gab es in den letzten zwei Jahren weltweit einen Nachfrageboom nach mobilen Endgeräten (Netbooks, Smartphones, Tablet-PCs, E-Reader etc.), dessen Ende nicht absehbar ist.

 

In Area 2 erforschen die Projektpartner der Projekte CoolReader, CoolBaseStations, CoolBroadcastRepeater, CoolSoftware, CoolRF28, CoolRelay, CoolDigitalRadio sowie CoolCellular, CoolWirelessAudio, CoolPOF, CoolNavigate, CoolCar und CoolIMES die Kommunikationsstrukturen der Zukunft.

 

Im Projekt CoolReader arbeiten die Forscher an der Entwicklung eines nahezu energieautarken, elektronischen Lesegerätes (Business Reader), das mit Solarzellen betrieben werden kann. Bei der Erarbeitung der dafür notwendigen Komponenten sind bereits Erfolge zu vermelden: Die erste Version eines mechanisch flexiblen Gerätedeckels mit nichttransparenten bifokalen hocheffizienten Solarzellen, der gleichzeitig als Displayschutz dient, ist bereits Ende Februar 2011 verfügbar. Auch Testchips zur Optimierung des Powermanagements und der Signalverarbeitung sind bereits entworfen worden.

 

Neben der Entwicklung von Endgeräten ist die Verbesserung der Energieeffizienz bei Infrastrukturen mobiler Kommunikationsnetzen besonders wichtig. Damit befassen sich die Vorhaben CoolBaseStations, CoolBroadcastRepeater und CoolCellular. Die Projektpartner von CoolBroadcastRepeater wollen auch Randbereiche und Abschattungen durch kleine, effiziente Signalrepeater mit guten Rundfunksignalen versorgen und die für ein gutes Signal nötige Sendeleistung von Rundfunktürmen reduzieren – so werden auch Strahlenbelastung und Energiebedarf verringert. Die Forscher im Projekt CoolBaseStations arbeiten an Schlüsseltechniken und –komponenten zur Verbesserung der Energieversorgung mittels Solar- oder Brennstoffzellen, die in Zukunft einen netzautarken Betrieb von Basisstationen in Makro- und Femtozellen ermöglichen sollen. Ihre Arbeit wird von der im Projekt CoolSoftware entwickelten Systemsoftware zur Optimierung des Energieverbrauchs der Rechnerressourcen und den Forschungen des Projektes CoolCellular zur Auslegung der Mobilfunksysteme in Abhängigkeit von Effizienz, Netzabdeckung, Nutzerlast, Fläche und Zellart ergänzt.

 

In der nächsten Forschungsphase von Cool Silicon werden nun die bestehenden Projekte fortgeführt und durch die Projekte CoolRF28 und CoolRelay ergänzt, die Designkits für die neueste 28-nm-CMOS-Generation und hochperformante Relays erforschen. Ihre Kombination soll den Energiebedarf für Schaltungen des UMTS und LTE Hochvolumenmarktes um die Hälfte reduzieren und leistungsstarke energieeffiziente Mobilfunknetze ermöglichen. Das Projekt CoolDigitalRadio erforscht den Übergang von analoger zu digitaler Rundfunkversorgung mit sehr guten Empfangseigenschaften bei leistungsarmem Betrieb und CoolWirelessAudio entwickelt ein echtzeitfähiges Kommunikationssystem für die drahtlose Audiosignalübertragung. Der drahtgebundenen Kommunikation mit festinstallierten Kommunikationsnetzen, zum Beispiel in Gebäuden, widmet sich das Projekt CoolPOF. Auch Softwaresysteme im Automobil sind mit CoolCar Teil der Forschung. CoolNavigate setzt auf CoolSoftware aus Phase 1 auf und fokussiert auf die Optimierung der Anwendungsverteilung in mobilen Endgeräten.

 

Gemeinsam entwickeln die Partner der Verbundprojekte in Area 2 Komponenten, Anwendungen und Lösungen für die Herstellung und den Betrieb hochperformanter mobiler Endgeräte mit niedrigem Energiebedarf und tragen so zur Lösung eines globalen Problems bei. Denn: Mithilfe der Entwicklungen aus dem Spitzencluster Cool Silicon kann der wachsenden Nachfrage nach Kommunikationsteilhabe bei geringeren Kosten und nahezu gleichbleibendem Energiebedarf entsprochen werden.

 

Kontakt: media@cool-silicon.org

The joint projects of Area 2 explore the improvement of software and hardware in modern mobile communication systems as well as their related necessary system components. The goal is the design of basic technology for energy efficient systems and lightweight web-compatible end devices.

Communications and the rising numbers of participants globally are posing an increasing challenge to the world. According to the telecommunication corporation Cisco Systems, global mobile communication in 2014 will be 39 times higher than today with the Middle East and Africa geographically leading the trend with a yearly increase of 133%, followed by Asia and the Pacific region with 119% and North America with 117% in growth rates. The reason for these variables in exploding growth rates is large infrastructural differences among global regions that lack the resources to access copper and fiber optics equipment. In these cases the next generation of mobile communications technology (LTE, “Long Term Evolution”) will significantly contribute by offering nations a cost effective way to become connected to the global data network, thus allowing them to make up for decades of economic underdevelopment in only a few years. Additionally, the world is experiencing a booming demand for mobile end devices like Netbooks, Smartphones, Tablet-PCs, E-Readers etc. with no end in sight.

The project partners of Area 2 – divided into the sub-projects CoolReader, CoolBaseStations, CoolBroodcastRepeater, CoolSoftware, CoolRF28, CoolRelay, CoolDigitalRadio, as well as CoolCellular, CoolWirelessAudio, CoolPOF, CoolNavigate, CoolCar and CoolIMES – explore the communication structures of the future.

Within the project CoolReader scientists are focusing on the development of a nearly energy autarkic electronic reading device, called the Business Reader, that will be powered by photovoltaic cells. While working on the design of all necessary components, the researchers have reached some initial results: By the end of February 2011, the first prototype version of a mechanically flexible upper shell made of non-transparent bifocal high-efficiency solar cells which at the same time functions as a display protection, will be available. In addition, elements, like test chips for optimized power management and signal processing have already been designed.

Aside from the development of end devices, improving the energy efficiency of mobile communications network infrastructure is of utmost importance and will be the focus of the projects CoolBaseStations, CoolBroadcastRepeater and CoolCellular.

Project partners of CoolBroadcastRepeater aim to provide good radio signals to border and shadow regions by employing small efficient signal repeaters that will reduce the necessary transmission power of broadcasting towers, which in return will also reduce radiation exposure and energy demand. Researchers of the project CoolBaseStations are working on key technologies and components to improve energy supply through solar or fuel cells that will allow a future network autarkic operation of base stations in macro- and femtocells. The system software for optimized energy consumption of computing resources developed within the project CoolSoftware and the project CoolCellular which researches the coordination of mobile networks depending on efficiency, coverage, capacity, coverage area and cell type will complement their efforts.

In the next research phase Cool Silicon will continue all current projects and match them with CoolRF28 and CoolRelay, which will explore design kits for the newest 28nm CMOS generation and high performance relays. Their combination is supposed to reduce the circuit’s energy demand of the UMTS and LTE high-volume markets by 50% and facilitate the high performance of energy efficient mobile networks.

The project CoolDigitalRadio is exploring the transition from analog to digital broadcasting characterized by very good reception at low-energy operation. CoolWirelessAudio is developing a real time communication system for wireless audio signal transmission. The project CoolPOF focuses on wire-bound communication like built-in communication networks in buildings. In addition, software systems for automobiles will also be researched in the project CoolCar. Building on CoolSoftware of Phase 1, the project CoolNavigate focuses on optimizing application distribution in mobile end devices.

Together the partners of all projects in Area 2 jointly develop components, applications and solutions for the fabrication and operation of high performance, low power consuming mobile end devices that contribute to solving a global problem. The developments of the top-level cluster Cool Silicon will deliver solutions to meet the increasing global demand for communication participation while keeping costs low and energy demand at almost the same level.

Contact: media@cool-silicon.org