Hybrid adaptive Strahlformungssysteme basierend auf programmierbaren Metaflächen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Zwick
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391994084

Der Datenverkehr in Mobilfunknetzen steigt kontinuierlich und soll für das Jahr 2020 bereits 335 Exabyte betragen. Um diese Datenmengen zu beherrschen werden beispielsweise urbane Gebiete in immer kleinere Mobilfunkzellen aufgeteilt. Diese sogenannten Small Cells, mit einer Reichweite von zehn Metern bis zu einigen hunderten Metern, ermöglichen eine hohe spektrale Wiederverwendung und stellen somit eine höhere Bandbreite pro Nutzer bereit. Allerdings kommt es durch die dichte Aggregation von Mobilfunkzellen auch zu zunehmenden Interferenzproblemen. Zur Lösung dieses Problems präsentieren wir ein hybrides adaptives Beamforming System, welches uns ermöglicht eine hohe spektrale Effizienz zu erreichen in Kombination mit einer kompakten und bezahlbaren Hardware. Das Ziel des gemeinsamen Projektvorhabens ist die Erforschung von hybriden adaptiven Beamformingsystemen bestehend aus mehreren digitalen Kanälen in Verbindung mit programmierbaren Metaoberflächen, sogenannten Metasurfaces.Aktuelle Studien zeigen, dass für die fünfte Generation des Mobilfunks (5G) Frequenzbänder im Millimeterwellenbereich verwendet werden können, um den steigenden Bedarf an Datenrate zu befriedigen. Bei höheren Trägerfrequenzen steigt jedoch gleichzeitig die Freiraumdämpfung quadratisch an. Um dies zu überwinden Bedarf es einem hohen Antennengewinn, welcher z.B. mit zusätzlichen Antennenelementen erreicht werden kann. Moderne drahtlose Kommunikationssysteme verwenden eine Mehrantennen-Konfiguration (MIMO) bei der die einzelnen Antennenelemente über separate digitale Kanäle angeschlossen werden. Jeder Zweig zur Ansteuerung eines Antennenelements benötigt somit ein eigenes HF-Frontend inklusive AD/DA Wandler. Dies ermöglicht eine flexible digitale Steuerung der Antennenrichtcharakteristik, was zu einer Steigerung der Kanalkapazität und der Signalabdeckung führt. Allerdings ist dies mit einem erhöhten Hardwareaufwand verbunden und erfordert einen hohen Rechenaufwand im Digitalteil des Systems.Ein Ansatz zur Realisierung eines kompakteren und effizienteren Aufbaus stellt ein hybrides Beamforming System dar. Solche hybriden Systeme bestehen z.B. aus mehreren Digitalkanälen in Verbindung mit analogen Phasenschiebern. Im Rahmen des Projektes soll diese Systemidee übertragen werden, wobei die analogen Phasenschieber durch digital programmierbare Metaoberflächen ersetzt werden. Von unserem Projektpartner SEU konnten bereits, mit eigens entwickelten Metaoberflächen, digital einstellbare Richtcharakteristiken mit einer hohen Direktivität in Messungen nachgewiesen werden. Das kombinierte hybride Beamformingsystem ermöglicht somit eine hohe Direktivität, bei gleichzeitiger Flexibilität zur Versorgung mehrere Kommunikationspartner oder zur Ausblendung von Störsendern. Gleichzeitig sollen im Rahmen des Projekts die Einflüsse der Reduktion an digitalen Kanäle auf die Gesamtperformance untersucht werden. Dafür ist ein Vergleich mit einem rein digitalen Beamformingsystem zwingend notwendig.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Xiang Wan