"Alles was zählt", ist nicht nur mathematisch exzellent, sondern ist natürlich höchst anwendungsbezogen. Im Jahr der Mathematik bleibt die wissenschaftliche Arbeit auch preiswürdig. Professor Dr.- Ing., Dr. rer. nat. Holger Boche, Leiter des Heinrich-Hertz-Institut, und Dr. Martin Schubert erhalten - wie schon im Vorjahr - den "Best Paper Award" der höchstangesehenen internationalen Gesellschaft für Signalverarbeitung ("IEEE Signal Processing Society").
Der Best-Paper-Award der IEEE wird von einer Fachjury aus wissenschaftlichen Veröffentlichungen ausgewählt, die im Verlauf des Jahres im einflussreichen Journal "IEEE Transactions on Signal Processing" erschienen sind. Dort zu veröffentlichen ist unter den Fachleuten bereits selbst eine hohe Auszeichnung.
Derzeit hat die Mobilfunk-Industrie eine Reihe von entscheidenden Problemen für die künftige Nutzung der Mobilfunknetze vor Augen. Mobilfunknutzer nehmen vermehrt mobile Multimedia-Dienste in Anspruch; darüber hinaus bleiben sie über längere Zeiträume "online". Um die neuen Dienste, wie Handy-TV, Voice over IP, mobile Videoanwendungen und Multimedia-Telephonie, auch sinnvoll nutzen zu können, erwarten die Anwender höhere Datenraten, kürzere Antwortzeiten, insgesamt eine gute und stabile Verbindung zum virtuellen Gegenüber.
Mobilfunksysteme in der Zeit nach der UMTS-Technik müssen den Kunden deutlich höhere Datenraten bereit stellen können. Im Jahr 2015 müssen etwa 5 Milliarden Menschen miteinander kommunizieren können. Darüber hinaus werden vermutlich erheblich mehr als 10 Milliarden Sensoren drahtlos Daten austauschen. Das kann nur funktionieren, wenn den Nutzern in den mobilen Netzen die Ressourcen wie Datenrate und Dienstgüte effizient zugewiesen werden können.
Holger Boche und Martin Schubert haben ein Modell mathematisch entwickelt, das einem großen Nutzerkreis möglichst "fair" und auch kosteneffizient, die benötigte Infrastruktur zur Verfügung gestellt werden kann. Das sehr komplexe Optimierungsproblem konnte so eingeschränkt werden, das es mit bekannten Programmierungstechniken beim Netzbetreiber eingesetzt werden und in Echtzeit die benötigten Verbindungskonstellationen berechnen kann.
Technisch wird dabei eine Mehrantennen-Methode vorgeschlagen, bei der sowohl bei den Sendern als auch bei den Endgeräten mehrere Antennen zum Einsatz kommen, um die Kanalqualität zu verbessern. Diese Technologie hat sich schon in einigen Feldversuchen in den letzten Monaten als äußerst erfolgreich erwiesen.
Überreicht wird der Preis am 1.4.2008 während der Eröffnung einer der weltweit größten Konferenzen, der "IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing" (ICASSP), in Las Vegas. In einem Mobilfunksystem mit vielen Teilnehmern wird die Zuteilung von Ressourcen, wie Datenrate, Dienstgüte, Sende- bzw. Empfangsfrequenz und ähnliche technische Parameter auf die einzelnen Teilnehmer so vorgenommen, dass insgesamt die Qualität über alle Nutzer maximiert werden sollte. Diese Optimierung muss insbesondere auch die störenden Funkwechselwirkungen zwischen den Teilnehmern berücksichtigen. Es müssen beispielsweise gleichzeitig die Sendeenergie und der Antennenstrahlformer bei Mehrfachantennensystemen angepasst werden. Holger Boche und Martin Schubert haben in der prämierten Arbeit eine Lösung für die Situation der Kanäle zu den Nutzern hin (Downlink) vorgeschlagen; die gefundene Lösung gilt dann für die duale Uplink-Situation gleichermaßen.
Die Qualität der Verbindung macht sich an dem Verhältnis der Höhe der Signalamplitude zur Höhe der Amplituden der störenden Wechselwirkungen (Interferenzen) mit den Signalen aller anderen Netzteilnehmer fest. Da sich die Mobilfunkteilnehmer in der Regel relativ zu einander bewegen, ändert sich nicht nur die Empfangsgüte des einzelnen Teilnehmers ständig, sondern dies gilt wegen der sich ändernden Wechselwirkung der Signale aller Teilnehmer miteinander auch für alle Nutzer.
Für die Lösung des Problems, das heißt für die Optimierung der Verbindungsqualität gibt es – im Prinzip – zwei Möglichkeiten. Einmal die Verbindungssituation für den Teilnehmer zu verbessern, der den geringsten Signalpegel relativ zum Störpegel hat. Ein anderer Ansatz versucht, die mittlere Qualität aller Nutzer zu steigern. Das bedeutet, es ist die Summe der gewichteten Kehrwerte der genannten Relationen zu minimieren. Beide Methoden führen zu gänzlich anderen Optimierungsrechnungen, das bedeutet aber auch zu völlig anderen Strategien, ein Mobilfunknetz kosteneffizient zu betreiben.
In der preisgekrönten Veröffentlichung konnten Boche und Schubert zeigen, wie bei der zweiten Methode die Gewichtsfaktoren der Summenoptimierung gewählt werden müssen, um auch dem Nutzer mit der schlechtesten Verbindungsqualität einigermaßen entgegenkommen zu können, ohne unnötig viel Aufwand von Seiten des Systems treiben zu müssen.
Aufwand besteht für den Netzbetreiber darin, diese sich ständig ändernde Situation stets in Echtzeit berechnen zu müssen. Boche und Schubert ist es gelungen, darüber hinaus auch einen effizienten Algorithmus für dies nichtlineare Optimierungsproblem zu entwickeln, der schnell ist und sich auch recht einfach implementieren lässt.
Der Best-Paper-Award der IEEE wird von einer Fachjury aus wissenschaftlichen Veröffentlichungen ausgewählt, die im Verlauf des Jahres im einflussreichen Journal "IEEE Transactions on Signal Processing" erschienen sind. Dort zu veröffentlichen ist unter den Fachleuten bereits selbst eine hohe Auszeichnung.
Derzeit hat die Mobilfunk-Industrie eine Reihe von entscheidenden Problemen für die künftige Nutzung der Mobilfunknetze vor Augen. Mobilfunknutzer nehmen vermehrt mobile Multimedia-Dienste in Anspruch; darüber hinaus bleiben sie über längere Zeiträume "online". Um die neuen Dienste, wie Handy-TV, Voice over IP, mobile Videoanwendungen und Multimedia-Telephonie, auch sinnvoll nutzen zu können, erwarten die Anwender höhere Datenraten, kürzere Antwortzeiten, insgesamt eine gute und stabile Verbindung zum virtuellen Gegenüber.
Mobilfunksysteme in der Zeit nach der UMTS-Technik müssen den Kunden deutlich höhere Datenraten bereit stellen können. Im Jahr 2015 müssen etwa 5 Milliarden Menschen miteinander kommunizieren können. Darüber hinaus werden vermutlich erheblich mehr als 10 Milliarden Sensoren drahtlos Daten austauschen. Das kann nur funktionieren, wenn den Nutzern in den mobilen Netzen die Ressourcen wie Datenrate und Dienstgüte effizient zugewiesen werden können.
Holger Boche und Martin Schubert haben ein Modell mathematisch entwickelt, das einem großen Nutzerkreis möglichst "fair" und auch kosteneffizient, die benötigte Infrastruktur zur Verfügung gestellt werden kann. Das sehr komplexe Optimierungsproblem konnte so eingeschränkt werden, das es mit bekannten Programmierungstechniken beim Netzbetreiber eingesetzt werden und in Echtzeit die benötigten Verbindungskonstellationen berechnen kann.
Technisch wird dabei eine Mehrantennen-Methode vorgeschlagen, bei der sowohl bei den Sendern als auch bei den Endgeräten mehrere Antennen zum Einsatz kommen, um die Kanalqualität zu verbessern. Diese Technologie hat sich schon in einigen Feldversuchen in den letzten Monaten als äußerst erfolgreich erwiesen.
Überreicht wird der Preis am 1.4.2008 während der Eröffnung einer der weltweit größten Konferenzen, der "IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing" (ICASSP), in Las Vegas. In einem Mobilfunksystem mit vielen Teilnehmern wird die Zuteilung von Ressourcen, wie Datenrate, Dienstgüte, Sende- bzw. Empfangsfrequenz und ähnliche technische Parameter auf die einzelnen Teilnehmer so vorgenommen, dass insgesamt die Qualität über alle Nutzer maximiert werden sollte. Diese Optimierung muss insbesondere auch die störenden Funkwechselwirkungen zwischen den Teilnehmern berücksichtigen. Es müssen beispielsweise gleichzeitig die Sendeenergie und der Antennenstrahlformer bei Mehrfachantennensystemen angepasst werden. Holger Boche und Martin Schubert haben in der prämierten Arbeit eine Lösung für die Situation der Kanäle zu den Nutzern hin (Downlink) vorgeschlagen; die gefundene Lösung gilt dann für die duale Uplink-Situation gleichermaßen.
Die Qualität der Verbindung macht sich an dem Verhältnis der Höhe der Signalamplitude zur Höhe der Amplituden der störenden Wechselwirkungen (Interferenzen) mit den Signalen aller anderen Netzteilnehmer fest. Da sich die Mobilfunkteilnehmer in der Regel relativ zu einander bewegen, ändert sich nicht nur die Empfangsgüte des einzelnen Teilnehmers ständig, sondern dies gilt wegen der sich ändernden Wechselwirkung der Signale aller Teilnehmer miteinander auch für alle Nutzer.
Für die Lösung des Problems, das heißt für die Optimierung der Verbindungsqualität gibt es – im Prinzip – zwei Möglichkeiten. Einmal die Verbindungssituation für den Teilnehmer zu verbessern, der den geringsten Signalpegel relativ zum Störpegel hat. Ein anderer Ansatz versucht, die mittlere Qualität aller Nutzer zu steigern. Das bedeutet, es ist die Summe der gewichteten Kehrwerte der genannten Relationen zu minimieren. Beide Methoden führen zu gänzlich anderen Optimierungsrechnungen, das bedeutet aber auch zu völlig anderen Strategien, ein Mobilfunknetz kosteneffizient zu betreiben.
In der preisgekrönten Veröffentlichung konnten Boche und Schubert zeigen, wie bei der zweiten Methode die Gewichtsfaktoren der Summenoptimierung gewählt werden müssen, um auch dem Nutzer mit der schlechtesten Verbindungsqualität einigermaßen entgegenkommen zu können, ohne unnötig viel Aufwand von Seiten des Systems treiben zu müssen.
Aufwand besteht für den Netzbetreiber darin, diese sich ständig ändernde Situation stets in Echtzeit berechnen zu müssen. Boche und Schubert ist es gelungen, darüber hinaus auch einen effizienten Algorithmus für dies nichtlineare Optimierungsproblem zu entwickeln, der schnell ist und sich auch recht einfach implementieren lässt.
