Modellierung, Optimierung, und Hardwaredesign von durch intelligente reflektierende Oberflächen unterstützten drahtlosen Kommunikationssystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Schober; Professor Dr.-Ing. Martin Vossiek; Professor Dr.-Ing. Robert Weigel
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454492702

In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Spektral- und Leistungseffizienz von drahtlosen Kommunikationssystemen entwickelt. Beispiele hierfür sind Mehrantennen- (MIMO), Vollduplex- und nicht-orthogonale Vielfachzugriffsverfahren. Obwohl diese Verfahren wesentlich Vorteile mit sich bringen, hängt ihre Effizienz wesentlich vom Funkkanal ab. Befinden sich nur wenige Streuer im Kanal oder/und gibt es keine direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger kann die Performanz stark leiden. Trotzdem konzentrierten sich praktisch alle Versuche die Leistungsfähigkeit drahtloser Kommunikationssysteme zu verbessern auf den Sender und/oder den Empfänger. Der Funkkanal selbst wurde immer als „von Gott gegeben" angesehen. Um diese Limitierung zu überwinden, wurde kürzlich die Idee, große reflektierende Oberflächen, deren elektromagnetische (EM) Eigenschaften extern gesteuert werden können, in drahtlose Systeme einzuführen, vorgestellt. Diese intelligenten reflektierenden Oberflächen („intelligent reflecting surfaces“, IRSs) können an den Fassaden von Gebäuden oder an Wänden im Innenbereich eingesetzt werden, um die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger zu unterstützen. Aus nachrichtentechnischer Sicht stellen IRS einen vollständigen Paradigmenwechsel dar, da sie die Manipulation der Eigenschaften des Funkkanals ermöglichen. Die Forschung zu IRS-unterstützten drahtlosen Kommunikationssystemen steckt aber noch in den Kinderschuhen.Um ihr enormes Potenzial vollständig bewerten und ausschöpfen zu können, ist ein ganzheitlicher Designansatz, der die Modellierung, Optimierung und Implementierung von IRS-unterstützten drahtlosen Kommunikationssystemen umfasst, erforderlich. Zu diesem Zweck haben wir ein Forscherteam aus Experten in den Bereichen Signalverarbeitung und Kommunikation (Schober, Institut für digitale Kommunikation), EM-Modellierung und Antennendesign (Vossiek, Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik) sowie Transceiver-Design und -Implementierung (Weigel, Lehrstuhl für Technische Elektronik) zusammengestellt. Die spezifischen Ziele des Projekts umfassen:1) Entwicklung eines allgemeinen kommunikationstheoretischen Modells für IRS-unterstützte drahtlose Systeme basierend auf den Gesetzen der Physik.2) Entwurf und Optimierung von IRS-unterstützten drahtlosen Systemen, einschließlich Beamforming, Ressourcenzuweisung und Kanalschätzung.3) Design und Implementierung eines vollständig modularisierten und flexiblen IRS mit für die Kopplung und Apertur-Effizienz optimierten Einheitszellen und einem Array-Design, das Messungen im großen Maßstab ermöglicht.4) Experiment-basierte Verifizierung und Verfeinerung der vorgeschlagenen theoretischen Modelle sowie des Einheitszellen-, Array- und Signaldesigns.Die Ergebnisse dieses Projekts werden experimentell verifizierte analytische Modellierungs- und Entwurfsverfahren für die IRS-unterstützte drahtlose Kommunikation sowie ein voll funktionsfähiges IRS-Testbed umfassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen