Die Anforderungen an Mobilfunknetze der fünften Generation (5G) sowie die der folgenden Generationen sind hoch. Zum einen wird von ihnen erwartet, die drahtlose Kommunikation zwischen mehr als zehn Milliarden Geräten mit enorm hoher Datenrate und extrem hoher Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Zum anderen spielt der Umweltaspekt eine immer wichtigere Rolle, sodass in drahtlosen Netzwerken vermehrt auf umweltfreundliche Technologien gesetzt werden muss, um die Energieeffizienz der drahtlosen Netzwerke zu verbessern und so ihren CO2-Fußabdruck zu verringern.

Durch den Einsatz von Hunderten Antennenelementen an den Basisstationen ermöglicht die massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Technologie immens hohe Datenraten. Zusätzlich kann durch Einsatz der Vorkodierung an der Basisstation eine große Anzahl an Benutzern zur selben Zeit bedient/unterstützt werden. Herkömmliche Vorkodierungstechniken erfordern für jedes Antennenelement eine eigene Hochfrequenzkette, sodass ihr Einsatz für massive MIMO-Systeme aus Kostengründen unpraktikabel ist. Anstelle herkömmlicher Vorkodierungstechniken kommt daher eine hybride Analog-Digital-Vorkodierungsarchitektur zum Einsatz, welche weniger Hochfrequenzketten als Antennenelemente erfordert und somit die Hardwarekosten reduziert. Die verringerten Hardwarekosten in dieser neuartigen Architektur gehen jedoch zu Lasten der Freiheitsgrade der Vorkodierung, was wiederum die Energieeffizienz des Netzwerks beeinträchtigt.

In dieser Arbeit werden energieeffiziente hybride Vorkodierungstechniken in massiven Mehrbenutzer-Downlink-MIMO-Systemen untersucht. Diese Systeme sind grundsätzlich störungsbegrenzt. Um die Interferenzen abzumildern werden zwei unterschiedliche Interferenzmanagementstrategien angewendet. Zum einen auf Interferenz-unterdrückung basierende Hybridvorkodierung und zum anderen auf Interferenzausnutzung basierende Hybridvorkodierung. Bei gleichbleibendem Kanal liefern beide Ansätze den gleichen Vorkodierer. Im Vergleich zu dem auf Interferenzausnutzung basierenden Ansatz führt der auf Interferenzunterdrückung basierende Ansatz zu einem verringerten Rechenaufwand. Andererseits ist die auf Interferenzausnutzung basierende Hybrid-Vorkodierung aufgrund einer überlegten Verwendung von Sendesymbolinformationen im Vergleich zu der auf Interferenzunterdrückung basierenden Hybrid-Vorkodierung energieeffizienter.

Bei der hybriden Analog-Digital-Vorkodierung werden analoge Vorkodierer im analogen Hochfrequenzbereich unter Verwendung einer großen Anzahl von Phasenschiebern implementiert, welche vergleichsweise kostengünstig sind. Diese Phasenschieber leiden jedoch typischerweise unter Artefakten; ihre tatsächlichen Werte weichen von ihren Nennwerten ab. Diese suboptimalen Phasenschieber können zu Symbolschätzfehlern bei den Nutzern führen, welche in vielen Anwendungen zukünftiger zellularer Netzwerke möglicherweise nicht tolerierbar sind. In dieser Arbeit wird eine energieeffiziente, robuste Hybrid-Vorkodierungsmethode vorgestellt, die es ermöglicht auch mit suboptimalen Phasenschiebern eine äußerst zuverlässige Kommunikation herzustellen. Das entworfene Schema garantiert 100% Robustheit gegenüber den betrachteten Hardware-Artefakten. Darüber hinaus zeigt die Arbeit, dass die vorgeschlagene Technik im Vergleich zu einer herkömmlichen Methode bis zu 12% der Sendeleistung einsparen kann.

Eine weitere Anforderung an künftige Mobilfunknetze von entscheidender Bedeutung ist neben der extrem hohen Zuverlässigkeit und Energieeffizienz eine extrem niedrige Latenz. Einige der geplanten extremen Echtzeitanwendungen von 5G, darunter das autonome Fahren sowie das Vorhaben Fernoperation durchzuführen, erfordern eine durchgehende Latenz von weniger als einer Millisekunde. Um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden, wurde ein effizientes Implementierungsschema für die vorgeschlagene robuste Hybrid-Vorkodierungstechnik zur Reduzierung der Rechenzeit entwickelt. Das entworfene Schema nutzt spezielle Strukturen im Algorithmus, um die Rechenkomplexität zu verringern und kann die Vorkodierer auf einer parallelen Hardwarearchitektur berechnen. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene Implementierungsschema die durchschnittliche Rechenzeit des Algorithmus im Vergleich zu einem State of the Art Verfahren um 35% reduziert.

Zu guter Letzt betrachten wir die hybride Vorkodierung in heterogenen Netzwerken, in denen die Nutzer an den Zellenrändern starken Interferenzen ausgesetzt sind. Wir schlagen eine koordinierte Hybrid-Vorkodierungstechnik vor, die auf dem Interferenz-ausnutzungsansatz basiert. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene koordinierte Hybridvorkodierung im Vergleich zur nicht koordinierten Hybridvorkodierung zu einer signifikanten Sendeenergieeinsparung führt.