Modellierung, Entwurf und Demonstration von IRS-unterstützten FSO-Kommunikationssystemen

• Antragsteller: Professor Dr. Bernhard Schmauss; Professor Dr.-Ing. Robert Schober
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 515937276

Optische Freiraum-Kommunikationssysteme (FSO) ermöglichen hochratige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Sie sind wesentlich günstiger und schneller zu installieren als Glasfaserverbindungen. Im Vergleich zu herkömmlichen HF-Kommunikationssystemen erzielen sie über Entfernungen von bis zu einigen Kilometern höhere Datenraten bei geringeren Kosten und geringerem Gewicht. Aufgrund ihrer hohen Richtwirkung bieten FSO-Systeme inhärente Sicherheit gegen Lauschangriffe, verursachen keine Interferenzen und ihr Betrieb ist lizenzfrei. Diese Eigenschaften haben FSO-Systeme zu einer attraktiven Option für Satelliten-, Drohnen-/Ballon- und terrestrische Kommunikation gemacht. Dennoch gibt es für FSO-Systeme mehrere Herausforderungen, wie ihrer Anfälligkeit für atmosphärische Turbulenzen und Ausrichtfehler sowie die hohe Dämpfung bei widrigen Wetterbedingungen. Daher wurden in den letzten Jahren Abhilfemaßnahmen, wie z. B. Multiple-Input-Multiple-Output-(MIMO)-FSO-Systeme und hybride HF/FSO-Systeme, entwickelt. Die Notwendigkeit einer Sichtverbindung (LoS) zwischen Sender und Empfänger, die ein grundlegender Nachteil von terrestrischen FSO-Systemen ist, kann jedoch mit diesen Techniken nicht vermieden werden. Um dieser Einschränkung zu begegnen, werden wir in diesem Projekt die Verwendung von optischen intelligenten reflektierenden Oberflächen (IRO) untersuchen. Für eine eingehende Bewertung der Vorteile und Grenzen optischer IRO kombinieren wir nachrichtentechnische Modellierung und Übertragungskonzepte mit experimenteller Untersuchung und Verifikation verschiedener IRO-Hardwareoptionen. Die konkreten Ziele des vorgeschlagenen Projekts umfassen: 1) Entwicklung von nachrichtentechnischen Modellen für FSO-Systeme, die Spiegel, Spiegel-Arrays, Mikro-Phasenschieber-Arrays und Meta-Oberflächen als optische IRO verwenden. 2) Design von IRO-unterstützten FSO-Systemen, einschließlich Methoden zur Minderung von Dispersionen, Nutzung von IRO zur Unterstützung mehrerer Verbindungen und Optimierung von MIMO-FSO-Systemen. 3) Modellierung, Simulation und experimentelle Untersuchung der optischen Eigenschaften verschiedener IRO-Konzepte einschließlich der Strahlrichtung, Beugungsphänomene, Signalverzerrungen und Strahlparameter. 4) Demonstration eines IRO-unterstützten FSO-Systems und experimentelle Verifizierung und Verbesserung der vorgeschlagenen theoretischen Modelle und Designs. Um diese Ziele zu erreichen, haben wir ein Team mit langjähriger Erfahrung mit der nachrichtentechnischen Modellierung und dem Design von FSO-Systemen sowie mit dem Hardware-Design und der experimentellen Untersuchung optischer Kommunikationssysteme zusammengestellt. Die erwarteten Ergebnisse dieses Projekts umfassen experimentell verifizierte Modelle und Designoptionen für IRO-unterstützte FSO-Systeme sowie ein flexibles Testbed für optische IRO.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen