Übertragungskonzepte und Systemrealisierung für die drahtlose Terahertz-Kommunikation

• Antragsteller: Professor Wolfgang Gerstacker; Professor Dr.-Ing. Robert Schober; Professor Dr.-Ing. Martin Vossiek
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389189659

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel des Projekts war es die Begrenzungen, die bei Kanalmessungen und Kommunikation im THz-Bereich vorliegen, zu modellieren, praktisch zu untersuchen und anschließend aufgrund der Erkenntnisse neuartige Kommunikationsverfahren zu entwickeln. Im Verlauf des Projekts wurden folgende Ergebnisse erzielt. Statische Kanalmessungen mithilfe eines VNA bis zu 500 GHz wurden durchgeführt und mit Simulationsergebnissen verglichen. Phasenrauschen und fehlende Dynamik wurden als typische Hardware-Einschränkungen von THz-Systemen identifiziert, und es wurden erstmals ganzheitliche Ansätze zur realitätsnahen Modellierung der Störungen erarbeitet. Ein neuartiger Channel-Sounder, basierend auf dem Prinzip einer Two-Way Ranging Radarmessung, wurde entworfen, getestet und seine Funktionalität nachgewiesen. Das „Coherent Full-Duplex Double-Sided Two-Way Ranging” Verfahren hat sich in Simulationen als sehr vielversprechend für diese Art von Channel Sounder herausgestellt. Wie sich zeigte ist der praktische Einsatz in THz-Channel-Soundern derzeit aber noch nicht sinnvoll, da durch die Limitierungen der derzeit verfügbaren THz-Komponenten das additive weiße Rauschen – anders als erwartet – auch schon bei relativ kurzen Übertragungsdistanzen dominiert. Messungen mit dem neuartigen Verfahren konnten bis zum Zeitpunkt der Berichtsabgabe aufgrund von Einschränkungen, speziell der Dynamik, der zur Verfügung stehenden Hardware-Komponenten noch nicht erfolgreich durchgeführt werden. Weiterhin haben wir Verfahren zur Strahlausrichtung für eine THz-Mehrantennenübertragung für Szenarien mit und ohne direkte Sicht entwickelt. Für beide Fälle wurden Codebücher konstruiert, und ein Multi-Armed Bandit (MAB)-Algorithmus wurde für eine schnelle Strahlcodeauswahl mit Gewinnen nahe den oberen Grenzen bei einer deutlich reduzierten Latenz im Vergleich zu einer vollständigen Suche und anderen MAB-Schemata entwickelt. Für die Schätzung der Kanalimpulsantwort einer THz-Übertragung in Gebäuden wurden mehrere auf Compressive Sensing basierende Schätzverfahren entwickelt. Da die durchgeführte Untersuchung von THz-Hardwarebeeinträchtigungen das Phasenrauschen als eine wesentliche Störung identifizierte, haben wir ein neues Übertragungskonzept entwickelt, das auf Codes mit konstantem Gewicht basiert und eine optimale Sequenzschätzung bei starkem Phasenrauschen ohne Kanalwissen ermöglicht. Eine theoretische Fehlerratenanalyse und Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass das vorgeschlagene Verfahren Referenzverfahren überlegen ist. Darüber hinaus haben wir Modulations- und Codierungsverfahren für eine THz-Übertragung mit kurzen Blöcken mit hoher Zuverlässigkeit und geringer Latenz entwickelt. Insgesamt zeigen die Projektergebnisse, dass im Bereich der THz-Kommunikation noch ein erheblicher Forschungsbedarf im Bereich der grundlegenden Hardware-Komponenten besteht, was die Forschung und insbesondere experimentelle Verifikation auf Systemebene noch einschränkt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Compressive Sensing for Indoor THz Channel Estimation. 2018 52nd Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers. IEEE.
  Schram, Viktoria; Moldovan, Anamaria & Gerstacker, Wolfgang H.
  
• Analysis of THz Communications in the Finite Blocklength Regime. 2019 IEEE 20th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC), 1-5. IEEE.
  Schram, Viktoria & Gerstacker, Wolfgang
  
• “Approximate Message Passing for Indoor THz Channel Estimation”, in Proc. of Third International Balkan Conference on Communications and Networking (BalkanCom), Skopje, North Macedonia, 2019, pp. 1-5.
  V. Schram, A. Bereyhi, J.-N. Zaech, R. R. Müller & W. Gerstacker
  
• Comparison of Transmission Concepts for Indoor THz Communication Systems. 2020 Third International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS), 1-5. IEEE.
  Schram, Viktoria; Wu, Yifei; Kolleshi, Monika & Gerstacker, Wolfgang
  
• Hierarchical Beam Alignment in Single-User MIMO Single-Carrier Frequency Division Multiple Access Terahertz Communication Systems. 2021 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops), 1-7. IEEE.
  Wu, Yifei; Koch, Johannes; Vossiek, Martin & Gerstacker, Wolfgang
  
• Hierarchical beam alignment in SU-MIMO terahertz communications. ITU Journal on Future and Evolving Technologies, 2(7), 63-80.
  Yifei, Wu; Johannes, Koch; Martin, Vossiek & Wolfgang, Gerstacker
  
• A Novel Approach for Modeling and Digital Generation of RF Signals Distorted by Bandlimited Phase Noise. IEEE Journal of Microwaves, 2(4), 699-710.
  Tschapek, Peter; Korner, Georg; Fenske, Patrick; Carlowitz, Christian & Vossiek, Martin
  
• ML Detection without CSI for Constant-Weight Codes in THz Communications with Strong Phase Noise. GLOBECOM 2022 - 2022 IEEE Global Communications Conference, 831-836. IEEE.
  Wu, Yifei; Koch, Johannes David; Vossiek, Martin; Schober, Robert & Gerstacker, Wolfgang