Entwicklung robuster Algorithmen zur schnellen Strahlselektion und Demonstration von räumlichem Multiplexing mit hybrider Strahlformung bei mm-Wellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard P. Fettweis; Professor Dr.-Ing. Eckhard Grass, seit 11/2020; Privatdozent Dr.-Ing. Wolfgang Rave
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421544431

Datenübertragung mit Millimeterwellen (mm-Wellen) ist Gegenstand aktueller Untersuchungen, um dem rapiden Wachstum des mobilen Datenverkehrs nachzukommen. Die größte Einschränkung zur Nutzung von mm-Wellen ist deren hohe Freiraumdämpfung, die man mit Gruppenantennen zu kompensieren versucht. Aufgrund der inhärent anisotropen Richtcharakteristiken von Antennenarrays werden zur optimalen Verteilung der Signalenergie an die Nutzer Strahlformungstechniken notwendig. Da eine rein digitale Implementierung dieser Techniken einen hohen Leistungsverbrauch benötigt, wird sog. ‚hybride‘ Strahlformung als guter Kompromiss zwischen Aufwand und Leistungsfähigkeit angesehen. Außerdem ist aufgrund der anisotropen Richtcharakteristiken und der Nutzermobilität im Funkzugangsnetz zu erwarten, dass die Kohärenzzeit deutlich kürzer als in heute üblichen Systemen mit niedrigerer Frequenz ist. Algorithmen, die die Auswahl der analogen Strahlformer beschleunigen, sind daher allgemein von großer Bedeutung für die Anwendung von Antennenarrays und speziell für die erfolgreiche Nutzung von Architekturen mit hybrider Strahlformung.Ziel des Projekts ist es, fundamentale Untersuchungen zu adaptiven beschleunigten Strahlauswahl-verfahren, unter Einbeziehung von Hardwarebeeinträchtigungen, durchzuführen, um dadurch einen praktikablen Systementwurf durchzuführen. Verglichen mit konventionellen Ansätzen basierend auf der Strahlauswahl mittels Tests fester Länge, können hybride adaptive Algorithmen mit Trainings-sequenzen variabler Länge eine höhere zeitliche Effizienz erreichen. Dies wurde von uns bereits für einen einzelnen Nutzer durch den vorgeschlagenen 'sequential competition test‘ gezeigt. Ein derartiger robuster Algorithmus soll optimiert werden und als wesentlicher Baustein zur Anpassung bestehender adaptiver Algorithmen für digitale Strahlformung an die Randbedingungen hybrider Strahlformung dienen.Für ein praktikables Systemkonzept soll der Einfluss von Hardwarebeeinträchtigungen, besonders für breitbandige mm-Wellensysteme mit mehreren Transceivereinheiten charakterisiert werden. Effekte wie Frequenzselektivität, Phasenrauschen etc. aufgrund nicht-idealer Komponenten, können die Leistungsfähigkeit von Algorithmen, die unter idealisierten Annahmen entwickelt wurden, beeinträchtigen oder gar zunichte machen. Weiterhin ist eine suboptimale effiziente Imlementierung der Basisbandalgorithmen zu berücksichtigen, die Datenraten von mehreren Gbit/s zu verarbeiten hat und eine passende Kontrollschnittstelle ist zu definieren, die die Module der digitalen und analogen Strahlformung bei geringer Latenz steuert und koordiniert.Zur Validierung des Systemkonzepts soll ein 60 GHz-Demonstrator aufgebaut werden und Mehrnutzerübertragung (räumliches Multiplexing) von einer Basisstation zu zwei Nutzern durchgeführt werden. Die analoge Strahlformung soll durch Vektormodulatoren, die von den Projektpartnern bereitgestellt werden, durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berthold Lankl, bis 11/2020