(openPR) Dr. Shuangyang Li, Mitglied des Fachgebiets „Theoretische Grundlagen der Kommunikationstechnik“ von Prof. Dr. Giuseppe Caire an der TU Berlin erhält einen renommierten „Starting Grant“ des Europäischen Forschungsrates ERC. Mit einer Förderung von 1,5 Millionen Euro wird er die nächsten fünf Jahre an einer Weiterentwicklung der Grundlagen des zukünftigen Mobilfunkstandards 6G arbeiten, der ab dem Jahr 2030 eingeführt werden soll. Seine Idee ist dabei, zwei eigentlich störende Phänomene – den sogenannten Doppler-Effekt sowie die Zeitverzögerung – zu nutzen, um ein genaueres Bild vom aktuellen Zustand der Funkkanäle zu bekommen. Dies würde zu einer wesentlich effizienteren Signalübertragung führen.
Der Datenhunger des Mobilfunks ist nicht aufzuhalten: Von 2023 bis 2024 stieg der weltweite mobile Datenverkehr um ein Viertel. Für das Ende des Jahres 2029 gehen Expert*innen davon aus, dass knapp 75 Prozent der Weltbevölkerung ein Handy besitzen. Gleichzeitig werden neue Anwendungen wie das Internet der Dinge, smarte Produktionsmethoden in Industrie und Landwirtschaft, autonomes Fahren sowie autonom entscheidende Künstliche Intelligenz den Bedarf an effizienter Datenübertragung weiter anheizen. Ab dem Jahr 2030 soll hier der noch zu entwickelnde Mobilfunkstandard 6G Abhilfe schaffen. „Er könnte mit einer Kombination von Satelliten, Funkballons, Drohnen sowie landbasierten Sendeanlagen auch eine wirklich flächendeckende Versorgung mit Hochgeschwindigkeits-Internet ermöglichen, überall auf der Welt“, sagt Shuangyang Li.
Probleme durch Gebäude und sich bewegende Funksender
Im modernen Mobilfunk wird mit einer Vielzahl hochkomplexer Modulationsmethoden versucht, das vorhandene Frequenzspektrum möglichst effizient zu nutzen. Dabei wird die Frequenz der elektromagnetischen Funkwellen in bestimmten Grenzen verändert, ebenfalls ihre Höhe und auch die Verschiebung verschiedener Wellen gegeneinander. Ziel ist es dabei, möglichst viele unterscheidbare Ausbreitungswege der Funkwellen zu definieren und so möglichst vielen Nutzer*innen einen Weg für die Informationsübertragung zur Verfügung zu stellen. Gleichzeitig soll durch die Verfahren eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit der Informationen ermöglicht werden. Erschwert wird beides, wenn sich die funkenden Geräte bewegen oder zwischen oder in Gebäuden befinden.
Das Prinzip „Integrated Sensing and Communication” gegen Chaos im Wellensalat
„Kommunikations- und Radaranwendungen, etwa im Auto, wurden in den bestehenden Netzen bisher getrennt entwickelt“, erklärt Li. Das vor kurzem entwickelte Prinzip „Integrated Sensing and Communication“, kurz ISAC, kombiniere nun beide Technologien. So sollen Informationen über ein sich bewegendes Objekt genutzt werden, um die Mobilfunkverbindung zu optimieren. „ISAC wird als ein sehr erfolgversprechendes Prinzip für 6G gehandelt. Es erhöht die Effizienz, da für die Kommunikation und Sensorik das gleiche Frequenzspektrum genutzt wird und die Signale mit der gleichen Hardware gesendet und empfangen werden. Ich werde in meinem Projekt auf diesem Prinzip aufbauen.“
Doppler-Effekt und Zeitverzögerung nicht als Störung, sondern zur Unterscheidung von Funkwegen
Die Idee von Shuangyang Li ist nun, die beiden bisher als Störeffekte angesehenen Phänomene „Doppler-Effekt“ und „Zeitverzögerung“ für das ISAC-Prinzip zu nutzen. Den Doppler-Effekt kennen auch Laien vom Krankenwagen: Nähert er sich, klingt das Martinshorn höher, entfernt er sich, klingt es tiefer. Dies kommt daher, weil der sich bewegende Krankenwagen die Schallwellen in Fahrtrichtung zusammenstaucht, hinter dem Fahrzeug aber werden die Wellen auseinandergezogen. Das gleiche passiert auch mit elektromagnetischen Wellen, die von sich bewegenden Quellen ausgesandt werden. Eine Zeitverzögerung wiederum tritt vor allem dann auf, wenn die Wellen zum Beispiel an Wänden mehrfach reflektiert werden und später beim Empfänger eintreffen, als dies aufgrund des Abstands von Sender und Empfänger zu erwarten wäre.
„Wenn wir die Bewegung und die Lage der Mobilfunkgeräte durch die ISAC-Methode genauer bestimmten können, lassen sich diese Effekte in die Berechnungen einbeziehen. Sie stellen dann keine unkalkulierbaren Störungen mehr dar, sondern können zur Unterscheidung verschiedener Ausbreitungswege der Funkwellen benutzt werden. Damit sind wir in der Lage, unsere Modulationsmethoden zu verfeinern und die Effizienz der Informationsübertragung zu steigern“, sagt Li.
Neue Wellenformen und Algorithmen, Fortschritte in der Umweltsensorik
Neben der Erforschung der messtechnischen Grundlagen dieser neuen Methode steht für Shuangyang Li deshalb auch die Entwicklung von Algorithmen für die Berechnungen im Fokus. Wichtig ist dabei auch, eine Wellenform zu finden, die für die Methode besonders geeignet ist. „Neben diesen Fortschritten für den 6G-Mobilfunkstandard sind auch Verbesserungen für andere Anwendungen denkbar, etwa im Auto, in der Umweltsensorik, in der Industrie oder für Drohnenflüge.“
wissenschaftliche Ansprechpartner:
Shuangyang Li
Fachgebiet „Theoretische Grundlagen der Kommunikationstechnik“
Fakultät IV Elektrotechnik und Informatik
Technische Universität Berlin
Tel.: +49 30 314-28459
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