Massive MIMO Ultra-Effiziente Übertragung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eduard Axel Jorswieck; Professor Dr.-Ing. Dirk Plettemeier
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269256272

Drahtlose Datenübertragung mit mehr als 100 GBit/s kann durch hohe spektrale Effizienz, bei hohen Trägerfrequenzen und großen Bandbreiten erreicht werden. In diesem Projekt wird ein Frequenzbereich von 57-63 GHz und eine spektrale Effizienz von 15 bit/s/Hz durch ein Mehrantennensystem mit mehr als 100 Sende- und Empfangsantennen untersucht. Durch die große Bandbreite von 6 GHz muss eine effiziente und einfache Basisband-Signalverarbeitung verwendet werden. Es reicht zum Beispiel aus, QPSK modulierte Signale auf acht parallelen räumlichen Datenströmen zu realisieren, um eine Spektrale Effizienz von bis zu 16 bit/s/Hz zu erreichen. Theoretisch skaliert die erreichbare spektrale Effizienz linear mit dem Minimum der Anzahl der Sende- nT und Empfangsantennen nR. Daher ist die Übertragung von min(nT,nR) Datenströmen möglich. Allerdings treten bei der Implementierung von großen Antennen-Arrays die folgenden zwei Effekte auf und reduzieren die theoretische Vorhersage: räumliche Korrelation und Antennenkopplung. Außerdem ist es der Betrieb von hunderten von Sende- und Empfangsantennen und deren RF-Frontends nicht energie-effizient. Deshalb wird ein neuer Entwurfsansatz benötigt. In diesem Projekt soll die Umsetzbarkeit eines massiven MIMO-Systems, das hohe Bitraten transportiert, grundlegend untersucht werden. Dafür wird ein vereinheitlichtes Modell für die räumliche Korrelation und die Antennenkopplung interdisziplinär aus der Feldtheorie und Wellenausbreitung bei hohen Frequenzen sowie aus stochastischen MIMO-Kanalmatrizen zur Signalverarbeitung und informationstheoretischen Beschreibung eingeführt. Ebenso werden fundamentale Grenzen der erreichbaren Bandbreiteneffizienz hergeleitet. Dabei spielen der Kanal, die Antennencharakteristiken und die Signalverarbeitungsmöglichkeiten in Raum, Zeit- und Frequenzbereich eine Rolle. Darüber hinaus werden Messungen im Bereich 57-63 GHz - aufgeteilt in 2 GHz-Bänder - vorgenommen, um ein stochastisches Kanal- und Antennenmodell zu entwickeln. Feldsimulationen werden ein realistisches Modell der Kopplung zwischen den Antennenelementen des gesamten Arrays liefern. Schließlich werden die theoretischen Resultate sowie die Mess- und Simulationsdaten genutzt, um ein Systemdesign vorzuschlagen, das folgende Eigenschaften hat: (i) ein innovatives Antennendesign für massive MIMO-Systeme, (ii) ein optimales und ein sub-optimales energieeffizientes Transceiverdesign, das eine Bandbreiteneffizienz von 15 bit/s/Hz erreicht, (iii) Kanalmessungen mit den neuen Designs und Verifikation der erreichbaren Datenraten, (iv) praktische Validierung durch Datenübertragung und empfängerseitige Bitfehlerratenmessung durch Offline-Datenverarbeitung. Nach der ersten Phase des Schwerpunktprogramms wird dieses Projekt einen theoretischen Beitrag zu den grundlegenden Grenzen von massiven MIMO-Systemen und ein praktisches Design für drahtlose 100 Gbit/s Datenübertragung liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen