maximumMIMO - Maximale spektrale Effizienz durch parallelisierte Multiple-Input-Multiple-Output-Übertragung mittels hochauflösender 3D-Antennentopologie

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Gerhard P. Fettweis

Technische Universität Dresden

Institut für Nachrichtentechnik

Vodafone Chair Mobile Communications Systems

Prof. Dr.-Ing. Eckhard Graß

Humboldt-Universität zu Berlin

Institut für Informatik

Prof. Dr.-Ing. Berthold Lankl

Universität der Bundeswehr München

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

Institut für Informationstechnik (EIT 3)

Zusammenfassung

In den letzten Jahren hat sich die Datenrate von Funksystemen aller 5 Jahre verzehnfacht. Für Anwendungen wie Backhaul-Richtfunk in Mobilfunknetzen werden sehr bald Datenraten von 100 Gb/s benötigt, was mindestens eine Größenordnung über dem heute Machbaren liegt. Es ist daher an der Zeit, Forschungsaktivitäten zu starten, die den Weg zu Datenraten von 100 Gb/s und mehr ebenen.

Diese Zielsetzung umfasst eine Reihe offener Forschungsfragen. Zwei wesentliche Herausforderungen resultieren aus Einschränkungen der Hardware, die für praktische Funksysteme verwendet werden kann. Diese Einschränkungen limitieren die nutzbare Frequenzbandbreite sowie die Geschwindigkeit der seriellen Signalverarbeitung, die für Funkübertragungen erforderlich ist. Eine mögliche Lösung besteht darin, Funksysteme mit ultrahoher Spektraleffizienz und großer inhärenter Parallelisierung der Signalverarbeitung zu entwerfen. Dieser Ansatz wird im Projekt „maximumMIMO" verfolgt, wobei zwei Forschungsziele des DFG-Schwerpunktprogramms 1655 adressiert werden: „Basisbandverarbeitung mit extrem hoher Bandbreiteneffizienz" und parallelisierte „Systemarchitekturen für extrem hohe Durchsatzraten".

Erste Link-Budget-Berechnungen haben gezeigt, dass es sinnvoll sein kann, statt hochvalenter Modulationsverfahren eine große Anzahl von Sende- und Empfangsantennenelementen zu verwenden, um die Spektraleffizienz zu maximieren. Multiple-lnput-Multiple-Output(MIMO)-Übertragung ist demzufolge sehr vielversprechend, um drahtlose Datenraten von 100 Gb/s zu erreichen. Dies ist der Forschungsfokus von „maximumMIMO".

Bisher war die generelle Auffassung derart, dass drahtlose MIMO-Systeme nur ohne Sichtverbindung räumliche Multiplexing-Gewinne erzielen können. Jüngste Forschungsresultate zeigen jedoch, dass räumliches Multiplexing sogar mit Sichtverbindung (LOS) möglich ist. Zudem wurde gezeigt, dass 3DAntennentopologien hierfür besser geeignet sind als ebenflächige Antennenfelder. Dementsprechend widmet sich „maximumMIMO" einer theoretischen Charakterisierung und dem Entwurf von LOS-MIMO-Systemen mit optimalen 3D-Antennentopologien. Die Untersuchungen sind genereller Natur und adressieren jegliche Frequenzbänder. Für praktische Experimente und Hardware-Demonstrationen wird jedoch 60 GHz-Technologie verwendet, die sich z.B. für Backhaul-Richtfunk in Mobilfunknetzen eignet. Die Forschung in „maximumMIMO" konzentriert sich auf 3D-LOS-MIMO-Kanalmessungen und -modellierung, informationstheoretische Analysen zu optimalen Antennentopologien mit Hardware- und Robustheitsanforderungen sowie Entwurfs- und Implementierungskonzepte für hochparallelisierte MlMO-Signalverarbeitung, Synchronisation, Medium-Access-Control- und Network-Interface-Funktionalität. Nach einem generellen Machbarkeitsnachweis in der ersten Projektphase sind für die zweite Phase eine Erweiterung auf allgemeinere 3D-MIM0-Kanäle sowie der Entwurf eines kompletten 100 Gb/s- Demonstrators geplant.