Forschung

Kommunikationsnetze sind ein wesentlicher Bestandteil unserer sozialen Gemeinschaft und spielen eine entscheidende Rolle in unserem täglichen Leben. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass unsere Kommunikationsnetze immer verfügbar sind. Obwohl diese Netze unverzichtbar sind, sind sie anfällig für Naturkatastrophen, böswillige Angriffe und technologiebedingte Ausfälle, die schwerwiegende und störende Konsequenzen haben können, wenn auch selten.

Um solche seltenen, aber folgenschweren Krisen zu bewältigen, sollten wir uns darauf konzentrieren, Kommunikationsnetze zu entwerfen, die widerstandsfähig sind und solchen Ereignissen standhalten können, sodass ein Mindestmaß an Diensten aufrechterhalten wird. Um diese Funktionalität zu erreichen, sind Redundanz, Diversität und zusätzliche Fähigkeiten wie Erkennung, Überwachung, Schätzung, Selbstlernfähigkeit, Vorhersage und Optimierungstechniken erforderlich.

Während bei bestehenden Kommunikationsnetzen maximale Leistungsfähigkeit und Kosteneffizienz unter genau definierten Bedingungen im Vordergrund stehen, sollte ein belastbarer Entwurf proaktiv auf potenzielle, auch seltene, Ausfälle reagieren. Aus diesem Grund untersuchen und analysieren wir mögliche Lösungen, um diese Ausfälle in unserem Entwurf zu berücksichtigen.

Intelligente rekonfigurierbare Oberflächen (IRS) werden eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung des 6G-Internets spielen. Es handelt sich um eine neue Klasse von technischen Oberflächen, die elektromagnetische Wellen manipulieren können, um sie weiterzuleiten. Diese Oberflächen bestehen aus einer großen Anzahl kleiner, elektrisch steuerbarer Elemente, die so programmiert werden können, dass sie elektromagnetische Wellen auf bestimmte Weise reflektieren, brechen oder absorbieren.

Die IRS-Technologie hat das Potenzial, die drahtlose Kommunikation zu revolutionieren, indem sie zuverlässigere und widerstandsfähigere Kommunikationsverbindungen ermöglicht, insbesondere in Umgebungen, in denen herkömmliche drahtlose Technologien nur schwer eine stabile Verbindung herstellen können. So kann IRS beispielsweise dazu beitragen, Signalstörungen zu verringern, die Signalstärke und -abdeckung zu verbessern und die Widerstandsfähigkeit drahtloser Übertragungen zu erhöhen, selbst in Gebieten mit schwierigen Bedingungen.

Forscher sind an der Untersuchung grundlegender Probleme im Zusammenhang mit IRS interessiert, z. B. wie sich IRS auf den Freiheitsgrad des Kanals in verschiedenen Szenarien auswirkt. Dieser bildet einen Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der Kapazität eines drahtlosen Kommunikationssystems. Die IRS-Technologie hat das Potenzial, den Freiheitsgrad erheblich zu erhöhen, was zu Verbesserungen bei den Datenübertragungsraten, der Zuverlässigkeit und der Effizienz drahtloser Kommunikationssysteme führt.

Die Hardware der hochmodernen Antennengruppen, die für die Kommunikation in Mobilfunknetzen verwendet werden, wird immer weiter entwickelt. Massive MIMO-Systeme werden in unseren modernen Mobilfunknetzen eingesetzt und neue Frequenzbereiche im mmWave- oder Sub-Theraherz-Band werden genutzt.

Diese Antennen-Arrays werden der in Radarsystemen verwendeten Hardware immer ähnlicher. Außerdem beginnen sich ihre Frequenzbänder zu überschneiden, was zu einer Überlastung des Spektrums führt.

Es sind Strategien gefragt, die beide Funktionen – Kommunikation und Sensorik – einbeziehen, um die spektrale Überlastung zu überwinden und beide Funktionen bei reduziertem Hardware- und Energieverbrauch gemeinsam zu ermöglichen. Geräte, die eine gemeinsame Erfassung und Kommunikation nutzen, könnten viel kleinere verteilte drahtlose Sensoren ermöglichen, da sie energieeffizienter sind.

Synthetische molekulare Kommunikation (SMK) ist ein neues Paradigma der Kommunikationstechnik. Das Hauptmerkmal von SMK-Systemen besteht darin, dass Informationen in die Eigenschaften von Signalmolekülen eingebettet sind, z. B. in ihre Anzahl, Art und den Zeitpunkt ihrer Freisetzung durch den Sender, im Gegensatz zu herkömmlichen Kommunikationssystemen, die Informationen in die Eigenschaften elektromagnetischer Wellen einbetten, z. B. in ihre Amplitude, Frequenz und Phase.

SMK-Systeme sollen revolutionäre Anwendungen ermöglichen, z. B. die Erkennung einer Zielsubstanz in der Biotechnologie, die gezielte Abgabe von Medikamenten in der Medizin und die Überwachung von Ölpipelines oder chemischen Reaktoren in der Industrie.

Wir untersuchen bioinspirierte Konzepte für SMK. Insbesondere zielen wir darauf ab, die in der Natur entwickelten Schlüsselkonzepte für die molekulare Kommunikation zu verstehen und sie in abstrakte kommunikationstheoretische Modelle zu übersetzen, die dann beim Entwurf von Algorithmen zur Informationseinbettung (z. B. Modulation) und Informationswiedergewinnung (z. B. Detektion) eingesetzt werden. Darüber hinaus entwickeln wir in Zusammenarbeit mit Experten aus verwandten Bereichen wie Biologie, Nanotechnologie, Medizin usw. experimentelle SMK-Testumgebungen, die zur Verifizierung/Verfeinerung der vorgeschlagenen Algorithmen und theoretischen Modelle dienen.