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Europäischer Erfinderpreis

Arogyaswami Paulraj und Team (Indien/USA)

Finalisten für den Europäischen Erfinderpreis 2016

Arogyaswami Paulraj (top visual)

Video:

Kategorie: Außereuropäische Staaten

Sektor: Wireless-Technologie, Mobilfunknetze

Unternehmen: Iospan Wireless

Patentnummer: EP1198963, EP1240730

Erfindung: Schnellere Drahtlosverbindung

Der indisch-amerikanische Erfinder Arogyaswami Paulraj und ein Forscherteam an der Stanford University sind die Köpfe hinter MIMO (Multiple Input Multiple Output), einem neuartigen Verfahren, das die Leistung von Mobilfunknetzen und Wireless-Modems enorm verbessert. Die Innovation ermöglicht höhere Datenübertragungsraten in digitalen LTE- und WLAN-Netzen sowie eine deutlich höhere Signalabdeckung. Ohne MIMO wäre das Highspeed-Internet, wie wir es heute kennen, nicht möglich – weder auf dem Land noch in der Stadt.

Arogyaswami Paulraj (side visual)Das Geniale an der Erfindung von Paulraj und seinem Team ist, dass sie eine wesentliche Einschränkung des drahtlosen Spektrums überwindet: die begrenzte Bandbreite. Bereits vor knapp 25 Jahren befasste sich Paulraj mit dieser Problematik. Auf der Suche nach einer Lösung kam ihm die Idee des Spatial-Multiplexing-Ansatzes. Bei diesem Verfahren wird die Antennenanzahl erhöht, sodass über einen Kanal mehr Daten übertragen werden können. Im Laufe der Zeit holte der Professor für Elektrotechnik zwei seiner Postdoktoranden, David Gesbert und Robert Heath, mit ins Boot, die ihn bei der technischen Entwicklung unterstützen sollten. Der Grundstein für das MIMO-Verfahren - mehrere Sender, mehrere Empfänger - war gelegt.

Paulraj überlegte sich, die Strecke zwischen Antennen und Empfängern und damit Dinge wie Gebäude, Decken und Bäume, die Funksignale beeinflussen, in die gesamte Übertragungsgleichung einzubeziehen. Dieses Phänomen trägt den Namen Mehrwegeausbreitung. Indem er sich dies zunutze machte und Modulationstechniken intelligent einsetzte, konnte er mindestens zwei Antennen und zwei Empfänger in die Wireless- oder WLAN-Übertragung einbinden. Die Empfänger vermischen die beiden Signale nicht, sondern erkennen jedes einzeln, u. a. dank der leicht unterschiedlichen Signalwege.

Gesellschaftlicher Nutzen

Ohne Paulrajs Pionierarbeit wäre die hohe Übertragungsgeschwindigkeit, die Millionen von Menschen weltweit inzwischen gewohnt sind, vielleicht nicht möglich geworden. MIMO ist einer der Hauptgründe dafür, dass die Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen 2001 und 2006 um ein Hundertfaches zugenommen hat. Außerdem wird diese Technologie auch in den nächsten Generationen der Standards drahtloser Datenübertragung Anwendung finden.

Mobiltelefonnetze hätten sich ohne die wegbereitenden Verfahren nie so sehr über ihre analogen Vorgänger hinaus entwickelt. Es wären weniger Start-up-Unternehmen im Bereich zukunftsweisender Technologien entstanden. Mobiles Cloud-Computing wäre sicher unmöglich. Das digitale Zeitalter, das durch immer höhere Bitraten geprägt ist, wäre an seine Grenzen gestoßen.

Wirtschaftlicher Nutzen

Das Prinzip "mehrere Sender, mehrere Empfänger" ist ein so zentraler Bestandteil moderner Telekommunikation, dass es in allen neuen Wireless-Systemen zum Einsatz kommt. Bei den aktuellen 4G-LTE-Netzen ist MIMO unerlässlich, und auch wenn 2020 die neuen 5G-Netze eingeführt werden, wird es nicht an Bedeutung verlieren. 2015 investierten Netzbetreiber pro Quartal 5,1 Mrd. EUR (5,6 Mrd. USD) in die 4G-LTE-Konnektivität für ihre Kunden. Bis zur Einführung der 5G-Abdeckung belaufen sich die Investitionen Schätzungen zufolge auf 4,6 Mrd. EUR. Dieser Betrag dürfte in den folgenden Jahren noch steigen.

Der wirtschaftliche Erfolg von Paulrajs Innovation ist auf das standardessenzielle Patent der Erfindung zurückzuführen. Dadurch trugen auch Dritte auf diesem Gebiet zur Entwicklung des Standards bei.

Die unmittelbaren wirtschaftlichen Auswirkungen der Bereiche von MIMO, für die Paulraj Patente hält, zeigt sich vielleicht am deutlichsten an den beiden von ihm gegründeten Start-up-Unternehmen. 1999 gründeten Paulraj, Gesbert und Heath Iospan Wireless, um ein bestimmtes MIMO-Produkt zu entwickeln. Das Unternehmen wurde schließlich von Intel übernommen. 2004 war Paulraj Mitbegründer eines zweiten Unternehmens, Beceem Communications, das zum Marktführer für 4G-Wireless-Chipsets wurde und schließlich 2010 für 287 Mio. EUR (316 Mio. USD) von Broadcom Corp. erworben wurde.

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    Arogyaswami Paulraj in der Universität Stanford

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    Arogyaswami Paulraj erläutert die Grundlagen seiner Erfindung

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    Arogyaswami Paulraj testet die Drahtlosverbindung

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    Kern der MIMO-Erfindung: mehrere Antennen und Empfänger

  • Arogyaswami Paulraj (gallery 5)

    Arogyaswami Paulraj und seine MIMO-Erfindung

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    Arogyaswami Paulraj tätigt einen Videoanruf über das mobile Internet


Funktionsweise

MIMO war der Ausgangspunkt für verschiedene technische Entwicklungen und lässt sich deshalb nicht mit einfachen Worten beschreiben. Ein Hauptgedanke hinter MIMO ist die Raum-Zeit-Signalübertragung; dabei wird berücksichtigt, dass die Signalwege von zwei oder mehr Sendeantennen voneinander abweichen, auch wenn die Antennen sehr nah beieinanderliegen. Werden die Signale über mehr als eine Antenne empfangen, können die Signale in ihre Bestandteile zerlegt werden.

Eine gängige Anwendung des MIMO-Verfahrens beginnt mit der gleichzeitigen Übertragung und dem Zerlegen des ausgehenden Datenstroms in der Verbindungsschicht in Frames, die dann verschlüsselt, moduliert und den zwei (oder mehr) Sendeantennen zugeordnet werden. Die Funkwellen werden häufig polarisiert und ändern dabei ihre Amplitude auf eine zuvor festgelegte Ausrichtung, sodass die Signale gespiegelt werden (z. B. 45° und 135°).

Durch die Polarisierung können die Empfangsantennen besser bestimmen, von welcher Sendeantenne das Signal stammt, und die eingehenden Daten im gesamten Dateneingangsstrom jeweils ausrichten. 

Die Erfinder

Paulraj wurde in Südindien geboren und ging im Alter von 15 Jahren zur Marine. Er machte am indischen Naval College of Engineering einen Hochschulabschluss in Elektrotechnik und promovierte 1973 am Indian Institute of Technology. Gegen Ende seiner 30-jährigen Dienstzeit hatte er den Rang eines Commodore, den vierthöchsten Rang in der indischen Marine. 1991 zog er in die USA, um an der Stanford University zu lehren. Mittlerweile ist er emeritierter Professor für Elektrotechnik. Zuvor hatte er jedoch drei national tätige Labore an indischen Universitäten gegründet und die Entwicklung eines der erfolgreichsten Forschungs- und Entwicklungsprojekte des indischen Militärs vorangetrieben: ein SONAR-System zur U-Boot-Abwehr für die Marine.

Der Erfinder hat mehr als zwei Dutzend Auszeichnungen erhalten, darunter zwei der weltweit renommiertesten Preise für Telekommunikation: die Alexander Graham Bell Medal des IEEE (2011) und den Marconi-Preis (2014). Außerdem wurde er mit dem Padma Bhushan, einem der höchsten Zivilorden Indiens, ausgezeichnet.

David Gesbert erlangte seinen Doktortitel an der französischen Hochschule für Telekommunikation ENST und war Postdoktorand in Paulrajs Forschungsgruppe an der Stanford University. Zurzeit ist er Professor und Leiter der Abteilung für Kommunikationssysteme am EURECOM in Frankreich.

Robert Heath promovierte an der Stanford University und hat aktuell eine Professur des Cullen Trust for Higher Education an der University of Texas at Austin inne.

Wussten Sie das?

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Viele der Erfinder, die vom Europäischen Patentamt mit dem Europäischen Erfinderpreis ausgezeichnet wurden, haben entscheidend zu den Technologien beigetragen, die diese starke Verbreitung möglich gemacht haben. Dazu gehören Erik Dahlman und sein Team bei Ericsson, die an der Entwicklung von LTE mitgewirkt haben, Carles Puente und sein Team, die die Fraktalantenne entwickelt haben, Sophie Wilson, die Erfinderin der ARM-Prozessoren in Smartphones, und Japp Haartsen, der Schöpfer der Bluetooth-Technologie.