Die drahtlose Kommunikation der nächsten Generation arbeitet bereits nahezu an ihrer Kapazitätsgrenze. Die einzige praktikable Möglichkeit, den steigenden Bedarf an erhöhter Datenübertragung zu decken, besteht darin, die nutzbare Bandbreite zu erhöhen. Genau dies hat die Wireless Networking Group bei IMDEA Networks unter der Leitung von Informatiker und Forschungsleiter Dr. Jörg Widmer im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen Projekts SEARCHLIGHT erreicht. Dr. Widmer, der für diese Forschung einen ERC Consolidator Grant in Höhe von 1,7 Millionen Euro erhielt, entwickelte eine flächendeckende, robuste, flexible, interoperable und kostengünstige drahtlose Netzwerktechnologie, die in bisher ungenutzten Hochfrequenzbändern wie dem lizenzfreien 60-GHz-Band arbeitet.

Da die Überlastung von Niederfrequenznetzen zunimmt und das Frequenzspektrum für Telekommunikationsbetreiber immer knapper wird, gewinnen die Beiträge dieses Projekts an Bedeutung. Obwohl millimeterwellenbasierte Unterhaltungselektronik noch nicht weit verbreitet ist, experimentieren weltweit führende Technologieunternehmen bereits intensiv mit Millimeterwellentechnologie, um Datenübertragungsraten zu erreichen, die bisher nur mit Glasfaser möglich waren.

Facebook hat das Projekt Terragraph ins Leben gerufen, das mithilfe eines Netzes rekonfigurierbarer Millimeterwellenverbindungen einen schnellen und nahtlosen Internetzugang in städtischen und vorstädtischen Gebieten ermöglicht. Zuvor experimentierte das Unternehmen mit solarbetriebenen Drohnennetzwerken und etablierte Millimeterwellen-Backhaul- und Verbindungsleitungen, um Konnektivität in Gebieten mit begrenzter Infrastruktur zu schaffen. Alphabets (Googles) Projekt Loon nutzt Höhenballons mit Millimeterwellenverbindungen für denselben Zweck. Die Millimeterwellentechnologie bietet zudem äußerst interessante Eigenschaften für großflächige Kleinsatellitennetzwerke, die globale Konnektivität ermöglichen würden – wie das von SpaceX und PointView Tech (Facebook) geplante Starlink-Netzwerk – und es ist sehr wahrscheinlich, dass sie zukünftig in solchen Netzwerken eingesetzt wird. Mit zunehmender Dichte und Kapazität dieser Netzwerktypen wird die Skalierbarkeit der Ergebnisse von Projekt Searchlight eine bedeutende praktische Relevanz erlangen.

„Die von uns entwickelten innovativen Protokolle und Algorithmen liefern Schlüsselelemente für die Skalierbarkeit zukünftiger drahtloser Netzwerke“, sagt Jörg Widmer. „Wenn wir die Entwicklung von kabelgebundenem Ethernet, das sich von einem gemeinsam genutzten Medium zu einem vollständig vermittelten Netzwerk entwickelte, vergleichen, gehen wir davon aus, dass zukünftige drahtlose Netzwerke aus vielen gerichteten (Sichtverbindungs-)Kanälen für die Kommunikation zwischen Zugangspunkten (APs) und Endgeräten bestehen werden.“ Daher wird die Architektur zukünftiger Millimeterwellennetze durch extreme Dichte und Skalierbarkeit gekennzeichnet sein. „In extrem dynamischen Funkumgebungen, in denen Kanäle innerhalb kürzester Zeit entstehen und verschwinden können, nutzt SEARCHLIGHT Winkelinformationen, um gerichtete Millimeterwellenantennen schnell auszurichten“, erklärt Dr. Widmer. Die Architektur integriert ein Ortungssystem und lernt die Funkumgebungskarte kennen. Dadurch kann sie schnell den geeignetsten Zugangspunkt und das optimale Antennenabstrahlmuster auswählen sowie Funkressourcen anhand des vorhergesagten Standorts als Kontextinformation zuweisen. Zugangspunkte werden flächendeckend bereitgestellt, um auch bei Mobilität und in Lockdown-Situationen eine unterbrechungsfreie Verbindung zu gewährleisten. Das Projekt hat zudem einfache Netzwerkmanagementmechanismen entwickelt, um eine hohe Gerätedichte zu bewältigen.

Dr. Widmer erhielt kürzlich Fördermittel aus dem Marie-Skłodowska-Curie-Innovationsnetzwerk H2020 für sein Forschungsprojekt „Millimeterwellennetze und -sensoren jenseits von 5G“. Im Rahmen dieses neuen Projekts baut seine Forschungsgruppe auf den vielversprechenden Ergebnissen auf, die dank der ERC-Förderung bereits erzielt wurden. Die im Rahmen des renommierten ERC-Grants durchgeführten Arbeiten führten außerdem zu einem von Huawei finanzierten Kooperationsprojekt zur Korrelation zwischen Niederfrequenz- und Millimeterwellenkanälen sowie zu einem Unterauftrag zur Entwicklung einer „Offenen Experimentierplattform auf Basis von Millimeterwellen-SDR“ im Rahmen des H2020-ORCA-Projekts
(„Orchestration and Reconfiguration Control Architecture“). Ziel dieses Projekts war es, eine FPGA-basierte Plattform auf weniger leistungsstarke Hardware zu skalieren und Fernzugriff sowie Experimente für Bildungs- und Forschungszwecke zu ermöglichen.

Bibliografische Quellen:
Joan Palacios, Guillermo Bielsa, Paolo Casari, Joerg Widmer (März 2019) – Single- and Multiple-Access Point Indoor Localization for Millimeter Wave Networks [PDF]
IEEE Transactions on Wireless Communications. 18 (3). S. 1927–1942. IEEE. ISSN 1536-1276.

Thomas Nitsche, Adriana B. Flores, Edward W. Knightly, Joerg Widmer (April 2015) – Richten mit geschlossenen Augen: mm-Wellen-Strahlsteuerung ohne In-Band-Messung [PDF]
In: 34. IEEE International Conference on Computer Communications (IEEE INFOCOM 2015), 26. April – 1. Mai 2015, Hongkong, China.

Abbildung 1. Foto des in Abbildung 3 dargestellten Messaufbaus im offenen Raum mit den Zugangspunkten AP2 (Client) und AP5.
Abbildung 2. Konfiguration des Messraums mit mehreren L-förmigen Zugangspunkten.
Es wurden fünf verschiedene Zugangspunkte mit jeweils unterschiedlichen Antennentypen eingesetzt (omnidirektional, 120°-Strahlbreite bzw. 80°-Strahlbreite).
Beide Abbildungen sind Teil des Artikels „Single- and Multiple-Access Point Indoor Localization for Millimeter Wave Networks“, der ein Indoor-Lokalisierungssystem mit Millimeterwellenbändern und einzelnen sowie mehreren Zugangspunkten beschreibt. (Siehe Literaturverzeichnis).
Abbildung 3. Experimenteller Aufbau zur Messung von „blindem“ Strahlsteuern (BBS). BBS ist eine neuartige Architektur und ein neuartiger Algorithmus, der die Bandüberlastung beim Aufbau einer gerichteten Millimeterwellenverbindung eliminiert. Die Abbildung stammt aus dem Artikel „Steering with Eyes Closed: mm-Wave Beam Steering without In-Band Measurement“ (siehe Literaturverzeichnis).