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

Fachliche Zuordnung Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung Förderung von 2019 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421544431
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Beitrag der Humboldt Universität: Im Kontext der hybriden Strahlformung kann die Kenntnis der Umgebungssymetrie vorteilhaft genutzt werden. Hierbei können effiziente Strahlkonfigurationen auf Basis der Umgebungseigenschaften ohne langen Trainingsprozess gewählt werden. Zudem wurden die Parameter für ein mmWave Strahlformungssystem, welches schnelles Beam-Switching und gemeinsame Funkkommunikation und -Sensorik unterstützt, definiert. Eine der Hauptaufgaben war ein Raumrekonstruktionsproblem. Dieses kann per Durchschalten aller möglichen Strahlen auf Sender- und Empfängerseite gelöst werden. Dabei wird die geschätzte Kanalimpuls-antwort genutzt, um reflektierende Objekte zu finden. Hierdurch ist es möglich, den bestmöglichen Beam für einen Wechsel bei nachlassender Sende-/Empfangsqualität der Funkverbindung zu ermitteln. Zum Rekonstruieren der Raumgeometrie wurden mehrere Algorithmen entwickelt. Dabei wurden die Verfahren zuerst auf der Grundlage von Ray-Tracing-Kanalmodellen entwickelt und anschließend durch Messungen in einem reflexionsfreien Raum verifiziert. Die Experimente zeigen, dass es möglich ist, auf Grundlage von winkelauflösenden Kanalimpulsantworten größere Objekte in einem Raum identifizieren und lokalisieren zu können. Beitrag Vodafone-Stiftungslehrstuhl, Techn. Univ. Dresden: Da eine rein digitale Implementierung von Strahlformung bei hohen Frequenzen aufgrund der verringerten Antennenwirkfläche und des Schaltungsaufwands ineffizient ist, wurde in diesem Projekt eine Kombination aus analoger und digitaler Implementierung und Signalverarbeitung weiterentwickelt, die als ‚hybride‘ Strahlformung bezeichnet wird. Dabei arbeiteten an der TU Dresden zwei Doktoranden an zwei verschiedenen Aspekten dieses Ansatzes. Der Fokus der ersten Doktorarbeit lag auf der Entwicklung eines effizienten Algorithmus zur Strahlselektion aus einer Menge analog implementierter Richtcharakteristiken (sog. ‚Codebuch‘). Zur Beschleunigung der Standardmethode, die als Test fester Länge für alle Richtcharakteristiken realisiert wird, wurden drei verschiedene Trainingsverfahren untersucht: 1) Der in einer früheren Arbeit vorgeschlagene sequentielle Test, der durch eine Kombination eines Abbruchkriteriums und eines Eliminationskriteriums die mittlere benötigte Zahl der Beobachtungen automatisch an das Signal- zu Störverhältnis anpasst. 2) Der Erwerb von a-priori Kenntnis über die verwendeten Strahlen (im Sinne des Bayesschen Ansatzes bei Entscheidungsproblemen) durch sog. ‚Q-learning‘. 3) Die Idee eines frequenzabhängigen Strahlformers, bei dem die Hauptrichtung der Richtcharakteristik nicht bei allen Frequenzen innerhalb der Bandbreite mit derjenigen bei der Mittenfrequenz fc identisch ist, sondern kontinuierlich in einem Winkelintervall variiert. Dieser Ansatz wandelt den Nachteil des sog. ‚Schielens‘ der Richtcharakteristik in einen Vorteil um, indem eine bijektive Abbildung zwischen der Hauptrichtung Φ der Richtcharakteristik eines linear Arrays und der Frequenz f ∈ [fc – fb /2, fc + fb /2] erzeugt wird, und das Strahlselektionsproblem in ein Schätzproblem für das Empfangsleistungsspektrum umgewandelt wird. Als zweite Forschungsrichtung wurden die Differenz zwischen hybrider und digitaler Strahlformung betrachtet. Die Untersuchung zeigte, dass in Funkzellen mit moderater Verkehrslast, d. h. solange die Zahl der Nutzer kleiner oder gleich der Zahl der aktiven Richtcharakteristiken ist beide Strahlformungsmethoden im Wesentlichen äquivalent sind. Intuitiv lässt sich dies dadurch verstehen, dass in beiden Fällen die Linearkombination der Signale (entweder der ursprünglichen Antennensignale oder der daraus gebildeten Richtcharakteristiken, die als räumliche Übertragungsfunktionen fungieren) dasselbe Maß an Interferenzunterdrückung ermöglichen. Die Begrenzung ist in beiden Fällen durch die Breite der Hauptkeule und die Zahl der Nullstellen gegeben.

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