Hochauflösende Parameterschätzung für die Millimeter-Wellenausbreitung in dynamischen Szenarien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Reiner Thomä
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418074791

Zukünftige Mobilfunksysteme der 5. Generation werden Frequenzen im Millimeterwellenbereich mit Bandbreiten von mehreren GHz nutzen. Dabei werden aus Gründen des Link-Budgets sehr große („massive“) Antennenarrays benötigt. Diese besitzen zwangsläufig eine hohe Richtwirkung, wobei die Strahlungsdiagramme adaptiv nachgeführt werden müssen. Für die Vorhersage und Evaluierung der Performanz derartiger Systeme gibt es bisher keine Kanalmodelle. Das liegt vor allem daran, dass es bisher keine geeigneten Kanalmessungen gibt, die in dynamischen Szenarien die Ausbreitungsrichtungen der elektromagnetischen Wellen auf der Sender- und Empfängerseite, ihre Laufzeit, Dopplerverschiebung und Polarisationsorientierung mit der notwendigen Auflösung bestimmen und entlang einer Bewegungstrajektorie der Mobilstation verfolgen können. Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines hochauflösenden Parameterschätzers nach dem Maximum-Likelihood-Prinzip, der im Zusammenhang mit einem in seiner Architektur darauf abgestimmten Antennenarray diese Aufgabe löst. Im Datenmodell des Parameterschätzers muss dabei berücksichtigt werden, dass Richtungen, Laufzeit und Doppler nicht mehr in einer faktorisierbaren Form vorliegen. Damit wird die übliche Schmalbandannahme überwunden und es wird eine konsequente Beschreibung des Arrays im Zeitbereich notwendig, die mit neuen Entwurfsparadigmen für die Antennenelemente und ihrer Anordnung bzgl. Durchmesser und Antennenabstand einhergeht. Um den besonderen Herausforderungen hochgradig zeitvarianter Szenarien zu genügen, soll bei der Schätzung eine Pfadverfolgung durch Bayessche Filter vorgenommen werden. Dazu wird auf Methoden der Mehrzielverfolgung im Radar zurückgegriffen, die für die hier vorliegende Schätzaufgabe angepasst werden. Im Ergebnis werden Vorteile erwartet, wie ein verringerter Rechenaufwand, eine höhere Genauigkeit bzw. Auflösung und die Klärung von Mehrdeutigkeiten, die sich u.a. durch das spezielle Arraydesign ergeben können. Damit einhergehen soll ein praktikabler Ansatz für die Adaption der Modellordnung, die Beurteilung der „Lebensdauer“ von Ausbreitungspfaden und ihre unterbrechungsfreie Weiterverfolgung bei kurzeitiger Abschattung.In diesem Zusammenhang werden neue Methoden entwickelt, die ihrerseits Erkenntnisse für die Kanalmodellierung erlauben. Dazu gehören Modelle für die Beschreibung spekularer und diffuser (nicht auflösbarer) Komponenten der Wellenausbreitung, ihres Polarisationsverhaltens und des dynamischen Zusammenhangs in den Dimensionen Richtung, Zeit und Doppler. Schließlich werden Beschreibungsgrößen für die Statistik von Clustern erwartet, die mit herkömmlichen Methoden der räumlichen und zeitlichen Trennung nicht mehre bestimmbar sind, aber für die Kanalmodellierung benötigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen