Design und Evaluation von Hardware-Architekturen zur Powerline-basierten Kommunikation unter extremen Umweltbedingungen

Abstract

Moderne elektronische Geräte setzten vermehrt auf den Austausch von Informationen mit dem Benutzer oder einem Online-Dienst des Herstellers, wie zum Beispiel im Smart Home, der Staubsauger-Roboter oder die Waschmaschine. Die Verbindung erfolgt zumeist über drahtlose Kommunikation zum Beispiel auf dem 2,4 GHz-Funkkanal, welcher gerade in dicht besiedelten Städten teilweise schon überlastet ist.

Eine Alternative bietet die drahtgebundene Kommunikation über die Stromversorgungsleitung, auch Powerline-Kommunikation genannt. Hierbei werden die Informationen auf freie Frequenzbänder oberhalb der Netzfrequenz moduliert und konkurrieren dabei nur mit den anderen Teilnehmern des eigenen Stromnetzes. Ein Problem bei dieser Art der Kommunikation ist der Übetragungskanal, der nicht für eine hochfrequente Übertragung ausgelegt ist und starke Störungen durch Lastwechsel oder Reflexionen an Impedanzsprüngen erzeugt. Um diese Störungen zu kompensieren verwenden moderne Powerline-Kommunikationsstandards robuste Kanalkodierverfahren, um Fehler in den übertragenen Informationen empfangsseitig korrigieren zu können.

Auf Grund dieser robusten Fehlerkorrketurverfahren, eignen sich diese Standards auch für die Kommunikation unter extremen Umweltbedingungen in der Tiefenbohrtechnik. Dabei befinden sich die elektronischen Komponenten entlang der letzten 100 m des Bohrstrangs mehrere Kilometer tief unter der Erde, wo Umgebungstemperaturen mehr als 150 °C, Drücke bis 207 MPa und mechanische Schocks auftreten. Diese extremen Umweltbedingungen haben sowohl Einfluss auf die elektronischen Komponenten, als auch auf den Übetragungskanal der Powerline-Kommunikation selbst.

In dieser Arbeit wird erstmalig eine Entwurfsraumexploration für hochtempteraturfeste Hardware-Plattformen eines Breitband-Powerline-Kommunikationssystems durchgeführt. Dabei wird ein Abtausch zwischen Durchsatz, Flexibiltät und Hardware-Ressourcen aufgezeigt, der verschiedene Pareto-optimale Punkte enthält. Diese Pareto-optimalen Punkte umfassen sowohl Prozessor-basiere Plattformen, als auch eine dedizierte Implementierung. Die dedizierte Implementierung wird anschließend in einer FPGA-basierten Emulationen bezüglich Durchsatz, Latenz und Skalierbarkeit des Netzwerkes evaluiert und optimale Konfigurationen aufgezeigt. Abschließend wird diese optimale Konfiguration für die Fertigung als Chip in einer Hochtemperaturtechnologie vorbereitet. Der gefertigte Chip wird auf einer hochtemperaturfesten Leiterplatte in einer Klimakammer unter extremen Umweltbedingungen verifiziert und evaluiert. Die Ergebnisse zeigen eine geringe Leistungsaufnahme und eine stabile Kommunikation mit geringen Paketverlustraten bis zu einer Sperrschichttemperatur von 220 °C. Die Messungen zeigen einen linearen Abtausch zwischen Spannungsversorgung und Stabilität der Kommunikation von 7 mW/°C.

Damit erweitert diese Arbeit den aktuellen Stand der Forschung um den ersten Breitband-Powerline-Kommunikation-Chip, der unter extremen Umweltbedingungen evaluiert und charakterisiert wurde.