Kanalmodellierung und Systemkonzeption zukünftiger Terahertz-Kommunikationssysteme
Final Report Abstract
Der exponentiell zunehmende Bedarf an drahtloser Datenübertragungskapazität stellt gleichsam die Wissenschaft wie auch die Industrie aktuell vor größte Herausforderungen. Nicht nur die rapide steigende Nutzeranzahl von Funkkommunikationsnetzen, sondern zugleich auch die Nachfrage nach immer höheren Datenraten pro Verbindung treibt diesen Trend, dessen Ende aktuell nicht abzusehen ist. Einer simplen Ausweitung der genutzten Bandbreiten steht das bereits jetzt unterhalb von 300 GHz nahezu vollständig regulierte elektromagnetische Spektrum als natürlich begrenzte Ressource gegenüber. Bei THz-Frequenzen stehen mehrere 100 GHz unregulierten Spektrums zur Verfügung, welches für kabellose Datenraten von 100 Gbit/s und mehr genügt. Dieses Potential der THz-Kommunikation wurde innerhalb des Forschungsvorhabens intensiv untersucht. Dafür hat sich das Projekt mit drei fundamentalen Aspekten befasst: 1.) Experimentelle Untersuchung des Innenraum-Funkkanals bei 300 GHz: THz-Wireless Local oder Wireless Personal Area Networks werden voraussichtlich vorrangig in Innenraumumgebungen betrieben. Um die entsprechenden Funkkanäle empirisch zu verstehen, wurde ein geeignetes Messsystem basierend auf einem Vektornetzwerkanalysator aufgebaut. Das System erlaubt automatisierte richtungsaufgelöste Messungen zwischen 275 und 325 GHz. Umfangreiche Kanalmessungen in beispielsweise einer Büroumgebung haben aufgezeigt, dass sich der THz-Funkkanal maßgeblich unterschiedlich im Vergleich zu aktuellen WLANs verhält. Insbesondere konnten gezielt diskrete Ausbreitungswege bis hin zu vierfach reflektierten Pfaden nachgewiesen und charakterisiert werden. Zudem wurde ein 2x2 MIMO-Aufbau vermessen. 2.) Simulation und stochastische Modellierung von THz-Funkkanälen: Konventionelle Funkkanalmodelle scheitern aus o.g. Grund bei der Prädiktion von THz-Kanälen. Daher wurde ein deterministisches Ray-Tracing-Ausbreitungsmodell für die Kanalsimulation bei sehr hohen Frequenzen und Bandbreiten adaptiert und mit Hilfe der Messdaten erfolgreich validiert. Dieses Modell erlaubt nun auch die Prädiktion von THz-Kanälen. Hierfür notwendige Materialparameter können mit einem im Projekt neu entwickelten Algorithmus kalibriert werden. Die Kalibrierung nutzt die räumlich aufgelösten Kanalinformationen aus den Messungen und erzielt nachweislich eine erhebliche Steigerung der Ray-Tracing-Genauigkeit. In Hinblick auf schnelle Systemsimulationen erweist sich Ray-Tracing jedoch als zu zeitintensiv, sodass aus umfangreichen validierten Ray-Tracing-Simulationen ein stochastisches Kanalmodell abgeleitet wurde. Das Modell ermöglicht die Erzeugung von vollständigen polarimetrischen, breitbandigen Übertragungsfunktionen für 275 bis 325 GHz und enthält räumliche Kanalinformationen, wobei sich eine Realisierung typisch um den Faktor 100-1000 schneller im Vergleich zum Ray Tracing erzeugen lässt. Ein Generator für Kanalrealisierungen steht umgesetzt als Executable zur Verfügung und ist auf Anfrage für die Weiternutzung erhältlich (http://www.ifn.ing.tu-bs.de/en/ifn/ms/downloads). 3.) Konzeption eines THz-Übertragungssystems: Entsprechend den Kanaleigenschaften müssen THz-Funksysteme gänzlich neu konzipiert werden. Hierfür ist aus dem Projekt eine Systemsimulationsumgebung für THz-Systeme hervorgegangen. Untersuchungen haben aufgezeigt, dass grundsätzlich simple Modulationsschemata mit sehr großen Bandbreiten gegenüber hocheffizienter Modulation zu bevorzugen sind. Gleiches gilt für Fehlerschutzverfahren. Weiterhin werden Mehrantennenkonzepte eine kritische Komponente von THz-Transceivern bilden, sodass Strahlformungsalgorithmen untersucht und ein adäquater Algorithmus entworfen wurde. Für die initiale Strahlkeulenformung und Strahlsuche ist eine Außerbandsignalisierung im Frequenzbereich 2,4 bis 6 GHz sehr vielversprechend. Ein entsprechender Algorithmus, der die Strahlsuche zweistufig zunächst bei 2,4 GHz und danach bei 300 GHz durchführt, wurde implementiert. Insgesamt bietet sich eine umfassende Grundlage für weiterführende systemtechnische Studien sowie einen ersten Leitfaden für die Spezifikation von THz-Kommunikationssystemen.
Publications
- „Calibrated Broadband Ray Tracing for the Simulation of Wave Propagation in mm and sub-mm Wave Indoor Radio Channels“, in Proc. 18th European Wireless Conference (EW), 10 Seiten, Poznán/Polen, April 2012. Distinction Award für das zweitbeste „Student Paper“ (Priebe)
S. Priebe, M. Jacob, T. Kürner
- “Stochastic Modeling of THz Indoor Radio Channels” Wireless Communications, IEEE Transactions on , vol. 12, no. 9, pp. 4445-4455, September 2013
S. Priebe, T. Kürner
- “Ultra broadband indoor channel measurements and calibrated ray tracing propagation modeling at THz frequencies” J. of Communications and Networks, vol. 15, no. 6, pp. 547-558, Dezember 2013
S. Priebe, M. Kannicht, M. Jacob, T. Kürner
(See online at https://doi.org/10.1109/JCN.2013.000103) - “Fast Beam Searching Concept for Indoor Terahertz Communications”, in Proc. 8th European Conference on Antennas & Propagation (EuCAP), 5 Seiten, Den Haag / Niederlande, April 2014
B. Peng, S. Priebe, T. Kürner
(See online at https://doi.org/10.1109/EuCAP.2014.6901840)
