Erforschung einer neuartigen Least-Multipath basierten lokalen Funkortungstechnik für Massive-MIMO-Systeme unter extremen Mehrwegebedingungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Vossiek
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468715998

In zukünftigen Mobilfunkstandards (5G, 6G, etc.) werden Massive-MIMO-Systeme für die Erhöhung der verfügbaren Datenrate genutzt. Da die erreichbare Erhöhung von dem Maß der Unabhängigkeit der räumlich gemessenen Information abhängt, ist es sinnvoll, möglichst große Antennenarrays zu nutzen. In diesem Projekt wird die Spatial Diversity von Massive-MIMO-Systemen genutzt, um eine präzise Indoorortung auch unter extremen Mehrwegebedingungen zu ermöglichen. Während UWB-Systeme durch die hohe Bandbreite versuchen den direkten Pfad (LOS) von der Mehrwegeausbreitung zu trennen, überschneiden sich in Lokalisierungssystemen mit begrenzter Bandbreite die Impulsantworten des LOS mit der Mehrwegeausbreitung, weswegen eine Trennung, welche nur auf der Messauswertung eines einzelnen Übertragungskanals basiert, nicht möglich ist. Daher wird in diesem Projekt die Spatial Diversity von Massive-MIMO-Systemen genutzt, um den gemeinsamen LOS aller Empfangspfade von der überlagerten, mit zunehmendem Antennenabstand unkorrelierten Mehrwegeausbreitung zu isolieren. Um dies zu erreichen wird erstmals statt der allgemein etablierten Least-Squares-Metrik eine neuartige Least-Multipath-Metrik genutzt. Hierbei besteht das Ziel die Mehrwegeausbreitung zu ermitteln, vom Empfangssignal zu entfernen und somit die Ortungsgenauigkeit deutlich zu erhöhen. Um dies zu erreichen, wird bei der Messauswertung dem Empfangskanal jeder einzelnen Antenne ein individueller hypothetischer Mehrwegekanal überlagert. Während sich der LOS-Pfad für alle Empfänger direkt aus der Senderposition ergibt, ergeben sich für alle Empfänger unterschiedliche Mehrwegeausbreitungen, welche typischerweise dünn besetzt sind, also sich durch wenige Reflexionen an der Umgebung erklären lassen. Somit lässt sich für eine korrekt angenommene Senderposition das restliche Empfangssignal mithilfe wenig zusätzlicher Mehrwegeausbreitung beschreiben, während bei inkorrekt angenommener Senderposition der falsche LOS-Pfad mithilfe zusätzlicher Mehrwegeausbreitung erklärt werden muss. Entsprechend der Compressed-Sensing-Theorie lassen sich nun für eine korrekt angenommene Senderposition die Mehrwegekanäle mit geringer L1-Norm schätzen. Da sich durch die Auswertung der relativen Phaseninformation der Empfangskanäle die Auflösung der Senderposition erhöht, können nun die LOS-Pfade von der Mehrwegeausbreitung unterschieden werden. Umgekehrt wird gleichzeitig der Effekt der Mehrwegeausbreitung aus den ausgewerteten Phasen entfernt, wodurch sich die Lokalisierungsgenauigkeit erhöht. Gleichbedeutend zum neuartigen Lokalisierungskonzept wird ein äquivalenter Kalibrierungsvorgang erforscht. Auch hier nutzen alle bisherigen Ansätze eine Least- Squares-Metrik, wohingegen in diesem Projekt nun die hier vorgeschlagene Least-Multipath-Metrik verwendet wird. Der neuartige zu erforschende Kalibrierungs- und Ortungsansatz soll mithilfe eines einzigartigem, am LHFT bereits vorhandenen, Massive-MIMO-Arrays messtechnisch validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen