Messung und parametrische Modellierung instationärer, richtungsaufgelöster Mobilfunkkanäle in komplizierter Umgebung
Final Report Abstract
Die im Rahmen des Projektes durchgeführten Arbeiten können untergliedert werden in die drei Schwerpunkte Messung, Parameterschätzung / Modellierung und Kanalsimulation. Schwerpunkte bildeten einerseits die Durchführung von Messkampagnen und andererseits die Parameterschätzung, Modellbildung und Abschätzung der Performance generischer MIMO-Übertragungssysteme. Die Echtzeit-Ausbreitungsmessungen wurden mit einem Vektor Channel Sounder bei einer Frequenz von 5.2 GHz und einer Bandbreite von 120 MHz durchgeführt. Für polarisationsaufgelöste Messungen dienten ein breitbandiges Antennenarray mit acht Einzelelementen (jeweils horizontale / vertikale Polarisation) sowie eine entsprechende Sendeantenne für beide Polarisationsrichtungen, welche aus Projektmitteln finanziert wurden. In Eigenleistung bzw. gemeinsam mit Projektpartnern wurden fünf Messkampagnen in verschiedenen für das Forschungsvorhaben relevanten Messumgebungen geplant und durchgeführt. Dazu zählen u.a. Indoor-, Büro-, Campus- und Stadtgebiets-Szenarien unter Berücksichtigung verschiedener Ausbreitungsverhältnisse (LoS bzw. NLoS). Es kamen unterschiedliche Antennenarray-Architekturen zum Einsatz, wobei Messungen mit zirkularen Arraystrukturen den Schwerpunkt bildeten. Im Ergebnis konnte eine umfangreiche Messdaten-Bibliothek bereitgestellt werden, die für die durchgeführten Arbeiten zu den Schwerpunkten Parameterschätzung, Kanalmodellierung und Kanalsimulation voll nutzbar war. Der verwendete Ansatz für die Modellbildung basiert auf einem parametrischen Datenmodell, welches von einer ausreichenden Anzahl diskreter Drehzeiger ausgeht, die sich im Frequenz-, Zeit- und Aperturbereich überlagern. Zur Schätzung des Datenmodells aus den MIMO-Messdaten wurde mit dem N-dimensionalen Unitary-ESPRIT-Algorithmus ein leistungsfähiges Verfahren zur mehrdimensionalen hochauflösenden Verbundschätzung der einzelnen beschreibenden Pfadparameter implementiert. Für die Identifizierbarkeit dieses (quasi-) deterministischen Datenmodells ist dabei von fundamentaler Bedeutung, dass Messung und Parameterschätzung mit einer ausreichend hohen Auflösung erfolgen. Für die Entwicklung des Konzeptes zur messdatenbasierten Kanalmodellierung wurde das vom Ray-Tracing bekannte deterministische Modell sich überlagernder ebener Wellenfronten zugrunde gelegt. Vorausgesetzt, dass die individuellen Mehrwegeparameter präzise aus den Messdaten identifiziert werden können, ist somit eine deterministische Charakterisierung des Funkkanals gegeben. Durch die hier untersuchten und angewendeten hochauflösenden Mess- und Parameterschätzverfahren wird dies angestrebt. Damit ist man nun in der Lage, eine lokale Rekonstruktion des elektromagnetischen Wellenfeldes in einer bestimmten Umgebung der Messantennen bzw. in den Aperturbereichen Zeit und Frequenz vorzunehmen. Da dieses rekonstruierte Wellenfeld mehr oder weniger unabhängig von den verwendeten Messantennen ist, kann es zur Re-Synthese von Impulsantworten für verschiedene anwendungsspezifische Arrayarchitekturen herangezogen werden. Dieses Verfahren bildete den Ausgangspunkt für die Untersuchungen zum dritten Schwerpunkt ‚Kanalsimulation’. Hierzu wurden Messdaten aus ausgewählten Ausbreitungsumgebungen genutzt und unter Verwendung des Syntheseverfahrens synthetische Daten für definierte anwendungsspezifische Array-Architekturen generiert. Mit Hilfe dieser synthetischen Impulsantworten wurden Vergleiche erreichbarer MIMO-Kapazitäten in Abhängigkeit vom Ausbreitungsszenario und von der Arraystruktur (d.h. in Bezug auf Elementanzahl, -abstand und –anordnung) vorgenommen.
