Extrem breitbandiges Funkmesssystem
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das beschaffte breitbandige Funkmesssystem hat wesentlich zum Aufbau und zur Erweiterung einer LTE (Long Term Evolution) Testumgebung beigetragen. Im Rahmen der Projekte kogLTE (BMBF) und ABSOLUTE (EU-FP7) wurden Ansätze zur Nutzung von Frequenzbereichen im UHF DVB-T Band sowie weiterer, lizenzierter und unlizenzierter Bänder für die kooperative Nutzung durch zellulare Funksysteme und für die Mobilfunkabdeckung im Katastrophenfall entwickelt und auf einer Testplattform implementiert. Die Generatoren und Analysatoren des Funkmesssystems dienten der messtechnischen Validierung der Einzelsysteme, den Integrationstests und der Performance-Evaluierung des Gesamtsystems. Mit dem erweiterten LTE-Testbed wurden die entwickelten, fortschrittlichen Ansätze zum Spectrum Sensing (Erkennung der Funkkanal-Belegung durch andere Nutzer) einschließlich Klassifikation der Nutzer und zur kognitiven Entscheidung zur Auswahl eines Kanalpaars für den Aufbau der Funkzelle (Cognitive Engine) validiert. Schließlich wurden der Verbindungsaufbau mit anschließender Videoübertragung unter realen Bedingungen über die Luftschnittstelle erfolgreich demonstriert. Mit Hilfe des Funkmesssystems wird im Rahmen des COHERENT Projekts (EU-H2020) das zuvor genannte LTE-Testbed zu einem Echtzeit-Testbed zur Validierung verteilter Antennensysteme (Distributed Antenna Systems, DAS / cloud RAN) weiterentwickelt. DAS / cloud RAN ist ein vielversprechender Ansatz für heterogene Funksysteme der 5. Generation und ermöglicht durch die Verwendung einer größeren Anzahl verteilter Radios (Radio Remote Heads, RRH) per Basisstation eine höhere Wiederverwendung der gleichen Frequenzkanäle und eine gleichmäßigere Funkabdeckung bei Verringerung von Interferenzstörungen und Umlaufverzögerungen. Erste Messungen in der Testumgebung zeigen für das implementierte Antennenauswahl-Verfahren mit RRH und UE (User Equipment) Paarung beim Test mit zwei UEs vielversprechende Ergebnisse, die Grundlage zur weiteren Optimierung der Algorithmen sind. Zur Entwicklung von Massiven Multiple Input Multiple Output (Massive MIMO) Systemen mit reduzierter Komplexität in der Hochfrequenzverarbeitung wurden unter Verwendung des beschafften Funkmesssystems zwei Testsysteme aufgebaut und untersucht. Betrachtet wurden Ansätze zur Reduzierung der benötigten Anzahl der HF-Transceiver durch spezielle HF-Koppelfelder (Antennenauswahl-Verfahren) bzw. Phasenschieber-Netzwerke (Hybrid-Analog-Digital Strahlformung mit Rotman-Linse), wobei die HF- Komplexität durch die Beschränkung der Selektion auf Sub-Arrays weiter reduziert wurde. Die gewonnenen Messergebnisse zeigen, dass bei gleicher Anzahl von HF-Transceivern diese Massive MIMO Systeme mit geringer HF-Komplexität den normalen MMIMO-Systemen überlegen sind. Ebenso wurden die technische Realisierbarkeit und die potenzielle Nutzbarkeit der Verfahren für die zukünftigen 5G-Funksysteme aufgezeigt. Mit Hilfe des beschafften Funkmesssystems wurde weiterhin ein ultra-breitbandiger arbiträrer Signalgenerator mit einer Nutzbandbreite von 60 GHz entwickelt und dessen Leistungsfähigkeit bestimmt. Die in der Sendeeinheit des Systems vorhandenen Signalgeneratoren mit einer Bandbreite von >20 GHz wurden als Basisbandsignalgeneratoren genutzt. Drei Basisbandsignale wurden mit Hilfe eines eigens entwickelten Hardware-Aufbaus im Frequenzmultiplex zusammengeschaltet. Die Übertragungseigenschaften des Hardware-Aufbaus wurden mit Hilfe des Signalanalysators der Empfangseinheit des Funkmesssystems vermessen. Eine sendeseitige lineare Vorverzerrung dient zur Kompensation der gefundenen Nicht- Idealitäten wie z.B. der frequenzabhängigen Übertragungsfunktionen und des Übersprechens der einzelnen Frequenzmultiplex-Kanäle. Mit Hilfe das beschafften Funkmesssystems wurden optisch angebundene Punkt-zu-Punkt Richtfunkstrecken im 60 GHz Band (57-64 GHz) und im Terahertz-Bereich bei einer Trägerfrequenz von 325 GHz vermessen. Mithilfe der Messtechnik konnte zuerst experimentell nachgewiesen werden, dass die Übertragung von QAM modulierten OFDM-Signalen auch mit einem Hüllkurvendetektor möglich ist. Hierzu wurde eine optische IF-Modulation der OFDM-Signale eingesetzt sowie die Funkträgerfrequenz im 60 GHz Band optisch generiert (optical heterodyning). Es gelang so, die unserer Kenntnis nach spektral effizienteste SISO-Übertragung im 60 GHz Bereich mit einer spektralen Effizienz bis zu 10 bit/s/Hz. Weiterhin wurde eine hochdatenratige 59 Gbit/s SISO-Übertragung im 60 GHz Bereich mit off-line Signalverarbeitung sowie Echtzeit-Übertragung von HDTV-Signalen im 60 GHz Band experimentell demonstriert. Zudem gelang mit der angeschafften Messtechnik auch die Demonstration eines Terahertz-Funksystems mit einer herausragenden SISO-Datenrate von knapp 60 Gbit/s und einer in diesem Frequenzbereich bislang nicht erreichten spektralen Effizienz bis zu 6 bit/s/Hz (SISO). Eine übersichtliche Zusammenfassung der erreichten Ergebnisse findet sich in der Fachzeitschrift Frequenz (2017).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Experiments on Spectrum Sensing Algorithms of Pilot-Added OFDM Signals with a Cognitive LTE-A System” In: 2015 IEEE 20th International Workshop on Computer Aided Modelling and Design of Communication Links and Networks (CAMAD), 2015, IEEE
T. T. Nguyen, A. Kabbani, S. Peethala, T. Kreul, T. Kaiser
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/CAMAD.2015.7390529) - (2015), “Implementation Aspects of a DSP-Based LTE Cognitive Radio Testbed” In: Weichold M. et al. (eds), Cognitive Radio Oriented Wireless Networks. CrownCom 2015. Lecture Notes of the Institute for Computer, vol 156, pp 747-758. Springer, Cham
Kabbani A. et al.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-24540-9_62) - “Extreme Wideband Arbitrary Waveform Generation by Multiband Signal Combination” Proceedings of the 1st URSI Atlantic Radio Science Conference (URSI AT-RASC 2015), Gran Canaria, Spain, May 18-22, 2015
A. Czylwik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/URSI-AT-RASC.2015.7302988) - "Real-time Testbed for Validating Distributed Antenna Scenarios" 20th Int. ITG Workshop on Smart Antennas, Munich, Germany, 9-11 March 2016
D. Peethala, T. Kreul, T. Kaiser
(Siehe online unter https://doi.org/10.17185/duepublico/43879) - “High Spectral-Efficient 512-QAM-OFDM 60 GHz CRoF System using a Coherent Photonic Mixer (CPX) and an RF Envelope Detector” Optical Fiber Communication Conference (OFC 2016), Anaheim, CA, USA, March 20-24, 2016
A. Stöhr, P.-T. Shih, S. Abraha, A.G. Steffan, A. Ngoma
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OFC.2016.Tu3B.4) - "Rotman lens based hybrid analog - digital beamforming in massive MIMO systems: Array architectures, beam selection, algorithms and experiments” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol.66, no.10, pp.9134-9148, 2017
Y. Gao, M. Khaliel, F. Zheng, and T. Kaiser
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TVT.2017.2714693) - “Coherent Radio-over-Fiber THz Communication Link for High Data- Rate 59 Gbit/s 64-QAM-OFDM and Real-Time HDTV Transmission” Optical Fiber Communications Conference (OFC 2017), Los Angeles, CA, USA, March 19-23, 2017
A. Stöhr, M. Freire Hermelo, M. Steeg, P.-T. Shih, A. Ngoma
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OFC.2017.Tu3B.2) - “Extreme wideband arbitrary waveform generator based on frequency multiplexing” 32nd International Union of Radio Science (URSI) General Assembly and Scientific Symposium Montreal, Canada, Aug. 19-26, 2017
A. Czylwik, S. Bieder, M. Sichma
(Siehe online unter https://doi.org/10.23919/URSIGASS.2017.8105129) - “Photonic-Assisted mm-Wave and THz Wireless Transmission towards 100 Gbit/s Data Rate” Frequenz, Journal of RF-Engineering and Telecommunications, Vol. 71, Issue 9-10, pp. 1-13, 2017
M. Freire Hermelo, R. Chuenchom, V. Rymanov, T. Kaiser, F. Sheikh, A. Czylwik, A. Stöhr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/freq-2017-0147) - “Spectral efficient 64-QAM- OFDM terahertz communication link” Optics Express, Vol. 25, Issue 16, pp. 19360- 19370, 2017
M. Freire Hermelo, P.T. Shih, M. Steeg, A. Ngoma, A. Stöhr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.25.019360)
