Verbundprojekt: KOMSENS-6G - Perzeptive Kommunikations-Netzwerke mit integriertem Sensing für die 6. Generation des Mobilfunks

Abstract

Das Projekt untersuchte die Integration von Kommunikation und Sensing im Kon- text zukünftiger 6G-Systeme mit Integrated Sensing and Communications (ISAC). Obwohl beide Funktionen auf gemeinsamen Systemkomponenten basieren, erge- ben sich zugleich konkurrierende Anforderungen, die gemeinsam berücksichtigt werden müssen. Im Rahmen des Projekts wurden daher Signalverarbeitungsver- fahren, Wellenformkonzepte, verteilte Erfassungsarchitekturen sowie praxisnahe Hardwareplattformen entwickelt und untersucht, um die Leistungsfähigkeit und Umsetzbarkeit integrierter Kommunikations- und Erfassungssysteme zu verbes- sern. Ein Schwerpunkt lag auf der Entwicklung OFDM-basierter Erfassungsverfah- ren. Das in OFDM verwendete Cyclic Prefix (CP) ermöglicht zwar eine effiziente Implementierung, begrenzt jedoch die maximale Entfernung zur Zieldetektion. Zur Überwindung dieser Einschränkung wurde ein Verfahren entwickelt, das die Detektion kleiner und weit entfernter Ziele auch in anspruchsvollen Multi-Target- Szenarien mit kommunikationszentrischen OFDM-Systemen ermöglicht. Da die verwendete Modulationskonstellation ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf die Erfassungsleistung besitzt, wurden Konstellationen hinsichtlich Kommunikations- und Sensing-Performance optimiert. Ergänzend wurden vereinfachte Implemen- tierungen sowie Verfahren zur Reduktion modulationsbedingter Interferenzen durch geeignete Empfangssignalverarbeitung untersucht. Darüber hinaus wurden mit Affine Frequency Division Multiplexing (AFDM) und Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) alternative Wellenformen betrachtet. Während AFDM Vorteile in Szenarien mit hohen Relativgeschwindigkeiten bietet, ermöglicht FMCW radarzentrierte Implementierungen mit geringeren Anforderungen an die Abta- strate. Im Bereich des Objekttrackings wurden Verfahren zur Verbesserung der Abstandsschätzung bei begrenzter Bandbreite entwickelt und hinsichtlich Schätz- genauigkeit, Komplexität und Ressourcenbedarf bewertet. Zusätzlich wurde ein Autoencoder-basiertes Framework erweitert, um sensing-spezifische Eigenschaf- ten in Multiuser-Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Systemen zu analysieren. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung praxisnaher ISAC-Architekturen für bistatische und verteilte Erfassungssysteme. Hierzu wurden OFDM Kommu- nikationssysteme zu MIMO-basierten Erfassungsplattformen erweitert, die eine gemeinsame Schätzung von Entfernung, Geschwindigkeit und Winkelposition von Zielen unter Berücksichtigung von Synchronisationsfehlern und Hardwareeinflüs- sen ermöglichen. Zur Unterstützung verteilter Erfassung wurden Verfahren zur Interferenzunterdrückung auf Basis der Successive Interference Cancellation (SIC) sowie Merkmalsfusionsverfahren zur zuverlässigen Zuordnung und Zusammen- führung von Detektionen mehrerer Erfassungsknoten entwickelt. Darüber hinaus wurden Multibeam-Erfassungsverfahren mit dedizierten Erfassungsressourcen für großskalige Massive-MIMO-Systeme untersucht, wodurch mehrere Raum- sektoren gleichzeitig mit hoher Ressourceneffizienz erfasst werden können. Die entwickelten Verfahren wurden mithilfe von Simulationen, Raytracing-basierten Untersuchungen und experimentellen Messungen validiert. Zur experimentellen Verifikation der entwickelten Algorithmen und Systemkon- zepte wurde schließlich ein breitbandiges Massive-MIMO-Testbed für den Milli- meterwellenbereich aufgebaut. Die Plattform bietet skalierbare Mehrkanal-Sende- und Empfangsfähigkeiten, große momentane Bandbreiten sowie phasenkohären- ten Betrieb und ermöglicht die experimentelle Validierung verteilter ISAC-Konzepte sowie zukünftiger Erfassungsverfahren für 6G-Systeme.