Nutzung dünnbesetzter Signal für unkoordinierte zulassungsfreie Mehrnutzerkommunikation

• Antragsteller: Dr.-Ing. Alexander Fengler
• 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 471512611

Die drahtlose Kommunikation von maschinenartigen Geräten, z.B. Sensoren, Autos, smarten Haushaltsgeräten, Fabrikautomaten, etc., ist eines der neuen zentralen Anwendungsprofile in Mobilfunknetzen der fünften Generation, bekannt under dem Namen massive machine-type communication (mMTC). Die Anforderungen an die maschinenartige Kommunikation unterscheiden sich grundsätzlich von denen der menschlichen Kommunikation. So sind Nachrichten oft sehr kurz (~100 Bits) und die Zahl der unterstützen Geräte pro Basisstation sollte sehr groß sein (~10^3 - 10^6 oder mehr). Allerdings ist nur ein geringer Teil der Geräte gleichzeitig aktiv. In der personenzentrierten Kommunikation wird ein Gerät in der Regel erst durch die Basisstation identifiziert und anschließend wird dem Gerät eine Zulassung erteilt für entsprechende Kommunikationsresourcen, z.B. Zeit- oder Frequenzbänder.Diese Art von Protokollen ist für die maschinenartige Kommunikation äußerst ineffizient, da die Identifizierung oft länger dauert als das Senden der eigentlichen Nachricht. Daher ist die Verwendung von zulassungsfreien Protokollen unumgänglich. In den letzten Jahren hat sich die Idee der quellfreien Kommunikation als eine neue Form zulassungsfreier Kommunikation entwickelt. Auf eine Identifizierung der Geräte wird komplett verzichtet und die Basisstation rekonstruiert lediglich eine ungeordnete Liste von empfangenen Nachrichten. Diese Formulierung erlaubte erstmals die Berechnung der informationstheoretischen Grenzen der zulassungsfreien Kommunikation auf einem simplen additiven Mehrnutzerkanal mit additivem Gaußschen Rauschen, auch wenn eine große Menge an Geräten unkoordiniert kurze Nachrichten sendet. In diesem Projekt geht es um die Entwicklung neuer Kodierungsformen für die quellfreie drahtlose Kommunikation, die mathematische Analyse und Optimierung bestehender quellfreier Verfahren, sowie deren Anpassung an komplexere Kanalmodelle. Um die Energieeffizienz der mobilen Geräte zu steigern ist die Verwendung von Mehrantennentechnologie an der Basisstation unumgänglich und ein wichtiger Bestandteil aktueller Forschung. Ein weitereres Ziel dieses Projekts ist die Berechnung informationstheoretischer Grenzen der quellfreien Kommunikation bei Verwendung einer Mehrantennen Basisstation.Ein besonderer Fokus wird dabei auf sogenannte Sparse-Regression Codes (SPARCs) gelegt. Die Art der Kodierung nutzt Konzepte aus dem Compressed Sensing um Bitfolgen in Form von dünnbesetzten Signalen zu kodieren die vor dem Senden komprimiert und überlagert werden. Diese Form der Kodierung hat sich in der Einzelnutzeranwendung als effizient und flexibel erweisen. Eine Variation von SPARCs für die quellfreie Kommunikation wurde vom Antragsteller maßgeblich mitentwickelt. Ein weiterer Punkt dieses Projektes besteht in der Weiterentwicklung und Optimierung von SPARCs sowohl in der Einzelnutzer als auch in der quellfreien Kommunikation.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Yury Polyanskiy, Ph.D.