Maximale spektrale Effizienz durch parallelisierte Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) -Übertragung mittels hochauflösender 3D-Antennentopologien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard P. Fettweis; Professor Dr.-Ing. Eckhard Grass; Professor Dr.-Ing. Berthold Lankl
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237418843

Der rapide Anstieg des mobilen Datenverkehrs und die damit verbundene Verdichtung des Netzes erfordern in Zukunft skalierbare und flexible drahtlose Knotenpunkte mit günstigen Formfaktoren für das Front-/Backhauling, um hohe Datenraten, geringe Latenzzeiten und Energieverbräuche, welche in der 5. Generation (5G) des Netzes notwendig sind, zu erreichen. Die erste Phase des Forschungsprojektes maximumMIMO ist auf den Entwurf von mmWave LoS MIMO Systemen mit hohem Durchsatz, erzielt durch hoch parallelisierte Systemarchitekturen und Antennenanordnungen mit vielen Elementen, fokussiert. Ein hierarchisches MIMO Transceiver Konzept basierend auf räumlichen Multiplex- und Beamforming-Gewinnen wurde entwickelt und die optimalen Antennenanordnungen wurden für deterministische LoS Kanäle bestimmt. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass die vorgestellten drahtlosen Punkt-zu-Punkt Verbindungen Durchsatzraten von 100 Gb/s und mehr mit hoher Energieeffizienz erreichen. Um noch höhere Raten zu erreichen und um mehrere Endpunkte in einem Backhaul Netzwerk zu unterstützen ist es erforderlich 3D MIMO Systeme für Mehrwege- und Mehrdirektionale-Szenarien zu entwickeln. Verschiedene Forschungsherausforderungen für diese Systeme können als logische Erweiterung der Arbeit aus der ersten Phase betrachtet werden. In der zweiten Phase von maximumMIMO werden zwei Hauptrichtungen verfolgt. Zum einen mmWave 3D MIMO mit Mehrwegeausbreitung und Punkt-zu-Mehrpunkt Kommunikation, und zum anderen mmWave LoS MIMO für höheren Durchsatz und höhere Effizienz. Die angestrebten Systemparameter für die zweite Phase decken sich weitgehend mit den definierten Kennzahlen (KPI) der europäischen 5G Netzwerkinitiative. Im Gegensatz zur ersten Projektphase, die auf optimal angeordnete Antennen für Punkt-zu-Punkt Verbindungen konzentriert war, wird sich die zweite Phase auf mmWave Kommunikation mit mehreren deterministischen Pfaden fokussieren, welche zusätzlich mehrere Endpunkte aus verschiedenen Richtungen mit einer 3D MIMO Anordnung unterstützt. Die Forschungsthemen umfassen: Rekonfigurierbare 3D MIMO Anordnungen, Transceiver mit hybrider Signalverarbeitung von niedriger Komplexität, breitbandige Kanalschätzung, Entzerrung und Kanalcharakterisierung im mmWave Band, Synchronisation und RF Imperfektionskompensation, grobe Quantisierung und niedriger Energieverbrauch, Nutzerdetektion und Scheduling mit adaptivem Beamforming, und Mehrnutzer 3D MIMO Basisbandarchitekturen für hohe Bandbreiten und niedrige Latenzzeiten. Die Verifizierung der erarbeiteten Lösungen wird mit einem MIMO Demonstrator in einer realitätsnahen Anwendungsumgebung erfolgen. Die 2. Phase des Projekts maximumMIMO adressiert mehrere der Forschungsziele des DFG Schwerpunktprogramms SPP1655: Systemarchitekturen für Durchsatzraten von 100 Gb/s und mehr, hybride Signalverarbeitung für hohe Energieeffizienz mit niedriger Komplexität, Basisbandverarbeitung für hohe Bandbreiten und gemeinsame PHY/MAC Protokollentwicklung.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1655: Drahtlose Ultrahochgeschwindigkeitskommunikation für den mobilen Internetzugriff
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Rolf Kraemer