Realistische Kanalmodellierung und Systemuntersuchungen für Mehrbenutzer-MIMO

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Werner Wiesbeck
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5430848

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mehrantennensysteme (MIMO: engl. Multiple Input Multiple Output) stellen eine Schlüsseltechnologie für zukünftige Kommunikationssysteme dar. Sie besitzen die Fähigkeit die Datenrate pro Nutzer sowie die Zuverlässigkeit und die Robustheit der drahtlosen Datenverbindung zu erhöhen. Spezielle Mehrnutzer-MIMO-Verfahren (Mu-MIMO-Vefahren) ermöglichen zudem die parallele Kommunikation mit mehreren Nutzern ohne deren zusätzliche Trennung in Frequenz oder Zeit, wodurch die Ressourcen Frequenz und Zeit effizienter genutzt werden. Im Mittelpunkt heutiger Forschung und Entwicklung steht die Integration der MIMO- bzw. Mu-MIMO-Technik in bestehende und neue Funkkommunikationssysteme. Design, Test und Opttmierung dieser Systeme erfolgen fast ausschließlich auf Basis von Computersimulationen. Um realitätsnahe Simulationsergebnisse zu erhalten, muss in der Simulationskette insbesondere ein realistisches Funkkanalmodell verwendet werden. Dieses sollte die Zeitvarianz, Frequenz- und Richtungsselektivität sowie die räumliche und zeitliche Korrelation von Nutz- und Interferenzsignalen realistisch beschreiben. Als prinzipiell für die Mu-MIMO-Kanalmodellierung geeignet, wurden in diesem Projekt sowohl der strahlenoptische als auch der geometrisch-stochastische Ansatz identifiziert, da beide pfadbasiert arbeiten und die Mehrwegeausbreitung auf Grundlage eines Umgebungsmodells berechnen. Bisher stand bei den strahlenoptischen Modellen eine umfassende Verifikation hinsichtlich MIMO in urbanen Gebieten allerdings noch aus. Verfügbare geometrisch-stochastische Kanalmodelle liefern unzureichende Ergebnisse bei der Beschreibung von zeitlich und räumlich korrelierten Nutz- und Interferenzsignalen. Innerhalb dieses Projekts wurden deshalb erstmals: • ein strahlenoptisches Kanalmodell anhand von breitbandigen SISO-, SIMO- und MIMO-Funkkanalmessungen bei 2 und 5,2 GHz umfassend verifiziert. Der Vergleich mit messungsbasierten Daten des Parameterschätzers RlMAX hat gezeigt, dass die in strahlenoptischen Kanalmodellen implementierten Streumodelle i.d.R, diffuse Streuung leicht unterschätzen. Diese Ungenauigkeit beeinflusst für übliche MIMO-Antennenanordnungen jedoch nur geringfügig die prognostizierte MIMO-Performanz. Ray Tracing kann deshalb zur Untersuchung von Mu-MIMO-Systemen in urbanen Gebieten eingesetzt werden. • eine Methodik zur Erfassung, Extraktion und Charakterisierung von Streu-Clustern aus deterministischen Simulationen vorgestellt. Anhand dieser wurde eine umfassende Analyse zu den Ausbreitungseffekten lokaler Straßenschlucht- und entfernter Streu-Cluster in urbanen Makrozellen durchgeführt, welche neue Erkenntnisse zur Modellierung dieser Effekte liefern. • anhand der Streu-Cluster-Analyse ein dreidimensionales, vollpolarimetrisches, breitbandiges und mehr nutzerfähiges geometrisch-stochastisches MIMO- Kanalmodell für urbane Makrozellen entwickelt. Die Gültigkeit des Modells wurde mittels umfangreicher deterministischer Simulationen überprüft. Es bietet eine fundierte Grundlage für die Entwicklung und Optimierung von zukünftigen urbanen Mu-MIMO-Systemen. • die exemplarische Anwendung des strahlenoptischen und des geometrisch-stochastischen Kanalmodells in Downlink-Mu-MIMO-Systemsimulationen demonstriert. Die Untersuchungen zeigen erstmals unter realistischen Ausbreitungsbedingungen das enorme Potential von Mu-MIMO zur Verringerung von Sendeleistung und Exposition sowie zur Erhöhung der Datenrate und Robustheit auf.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "A Double-Directional Channel Model for Multiuser MIMO Systems". In Proceedings of the URSI EMTS International Symposium on Electromagnetic Theory, vol. 1, pp. 168-170, Pisa, Italy, May 2004
  T. Fügen, J. Maurer, C. Waldschmidt, C. Kuhnert and W. Wiesbeck
  
• "A Modelling Approach for Multiuser MIMO Systems Including Spatially-Colored Interference". In: Proceedings of the IEEE Global Telecommunications Conference, Globecom 2004, vol. 2, pp. 938-942, Dallas. Texas, USA, Dec. 2004
  T. Fügen, J. Maurer, C. Kuhnert and W. Wiesbeck
  
• "Capacity of the MIMO Broadcast Channel Under Realistic Propagation Conditions". COST 273 TD(04)103, Gothenburg, Sweden, June 2004
  T. Fügen, C. Kuhnert, C. Waldschmidt, M. Schnerr and W. Wiesbeck
  
• "Performance of Multiuser MIMO Systems under Realistic Propagation Conditions". 2004 ITG Workshop on Smart Antennas, Munich, pp. 167-173, Germany, March 2004
  T. Fügen, C. Kuhnert, J. Maurer and W. Wesbeck
  
• "Capacity of the MIMO Broadcast Channel Under Realistic Propagation Conditions". In: Proceedings of the 16th Annual IEEE International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC 2005, vol. 4, pp. 2660-2664, Berlin, Germay, Sept. 2005
  T. Fügen, C. Kuhnert, and W. Wiesbeck
  
• "Characterization of Multipath Clusters with Ray-tracing in Urban MIMO Propagation Environments at 2 GHz". In: IEEE Proceedings of the International Symposium on Antennas and Propagation, vol. 38, pp. 410-413. Washington DC, USA. July 2005
  T. Fügen, J. Maurer, W. Sörgel and W. Wiesbeck
  
• "Cluster Characterization in Urban Macrocellular Environments with Ray-Tracing". In: Proceedings of the IEEE 62th Vehicular Technology Conference VTC-Fall-2005, vol. 3, pp. 1723-1727. Dallas, TX, USA, Sept. 2005
  T. Fügen, J. Maurer, and W. Wiesbeck
  
• "Capability of 3D Ray-Tracing for Defining Parameter Sets for the Specification of Future Mobile Communications Systems". IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Special Issue on Wireless Communications, vol. 54, no. 11, pp. 3125-3137, Oct. 2006
  T. Fügen, J. Maurer, T. Kayser, and W. Wiesbeck
  
• "Channel Characterization and Modeling for MIMO and other Recent Wireless Technologies". In: Proceedings 1st European Conference on Antennas and Propagation, EUCAP 2006, CD-ROM, Nov. 2006
  W. Wiesbeck, T. Fügen, M. Porebska, and W. Sörgel
  
• "Performance of Downlink Spatial-Multiplexing in an Urban Macrocellular Multi-User MIMO Scenario". In: Proceedings 16th Annual IEEE International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC 2006, CD-ROM, Helsinki, Finland, Sept. 2006
  T. Fügen, M. Porebska, and W. Wiesbeck
  
• "Performance of Downlink Spatial-Multiplexing in Realistic Urban Multi-User MIMO Channels". In: Proceedings IEEE 64th Vehicular Technology Conference, VTC-Fall-2006, CD-ROM, Montreal, Canada, Sept. 2006
  T. Fügen, M. Porebska, and W. Wiesbeck
  
• "Verification of 3D Ray Tracing with Measurements in Urban Macrocellular Environments". In: Proceedings 1st European Conference on Antennas and Propagation, EUCAP 2006, CD-ROM, Nov. 2006
  T. Fügen, M. Porebska, S. Knörzer, J. Maurer, and W. Wiesbeck
  
• "Verification of 3D Ray-Tracing with Measurements in Urban Macrocellular Environments". In: Proceedings 2006 ITG Workshop on Smart Antennas, CD-ROM, Ulm, Germany, Mar. 2006
  T. Fügen, J. Maurer, T. Kayser, and W. Wiesbeck
  
• "Verification of 3D Ray-Tracing with Non-Directional and Directional Measurements in Urban Macrocellular Environments". In: Proceedings IEEE 63th Vehicular Technology Conference, VTC-Spring-2006, vol.6, pp. 2661-2665. Melbourne. Australia, May 2006
  T. Fügen, J. Maurer, T. Kayser, and W. Wiesbeck
  
• "A 3D Ray Tracing Model for Macrocell Urban Environments and its Verification with Measurements". In: Proceedings 2nd European Conference on Antennas and Propagation, EUCAP 2007, CD-ROM, Edinburgh. UK, Nov. 2007
  T. Fügen, S. Knörzer, M. Landmann, R.S. Thoma, and W. Wiesbeck
  
• „A 3D Ray Tracing Based System Simulator for the Development of Mulit-User MIMO Systems". In: Proceedings 1st Workshop on Commercial MIMO-Components and -Systems, Duisburg, Germany, Sept. 2007
  T. Fügen, M. Porebska, J. Pontes, and W. Wiesbeck