Modellierung von Mehrantennensystemen mit sehr hoher Bandbreite
Final Report Abstract
Die Nachfrage nach immer höheren Übertragungsraten für Datenkommunikations-Anwendungen wird auch in Zukunft fortbestehen. Um trotz begrenzter Ressourcen eine Steigerung der Performanz erzielen zu können, müssen neuartige Übertragungsverfahren eingesetzt werden, die die verfügbaren Ressourcen Frequenzspektrum und Sendeleistung effizient nutzen. In jüngster Zeit haben in diesem Zusammenhang insbesondere zwei Verfahren starkes Interesse gefunden: Einerseits ist dies die Ultra-Breitband-Technik (UWB), bei der ein ultra breitbandiges Spektrum von vielen Benutzern koexistent und simultan genutzt wird. Das zweite Verfahren besteht im Einsatz von Mehrantennensystemen (MIMO), die es erlauben, durch die Ausnutzung räumlicher Diversitäts-Effekte die Übertragungskapazität zu steigern. Beide Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass sie die Effizienz der Datenübertragung gleich in zweifacher Hinsicht verbessern. Neben der reinen Erhöhung der Datenrate aufgrund der höheren spektralen Effizienz wird gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Übertragung stark verbessert, da beide Verfahren Schwundeffekte, die aufgrund von Mehrwegeausbreitung auftreten, kompensieren können. Da Ultra-Breitband-Technik und Mehrantennensysteme zwei grundsätzliche verschiedene Ansätze darstellen, können diese prinzipiell in einem einzigen Übertragungssystem kombiniert angewendet werden. In dem Projekt „Modellierung von Mehrantennensystemen mit sehr hoher Bandbreite" wurden verschiedenartige grundlagenorientierte Fragenkomplexe im Zusammenhang mit der gemeinsamen Realisierung beider Verfahren untersucht. Da die Performanz beider Verfahren entscheidend durch die Eigenschaften des Funkkanals beeinflusst wird, bestand der erste wichtige Schritt des Projekts in der Implementierung eines geeigneten deterministischen Wellenausbreitungsmodells, das die Simulation des UWB-Funkkanals in anwendungstypischen Umgebungen für Mehrantennen-Konfigurationen ermöglicht. Mit Hilfe des entwickelten Simulations-Programms wurden Simulationen durchgeführt, um die mit einer derartigen Konfiguration erzielbare Systemperformanz sowohl hinsichtlich der spektralen Effizienz als auch hinsichtlich des Schwund-Verhaltens zu evaluieren. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zur optimalen Konfiguration eines derartigen Mehrantennensystems sowohl hinsichtlich der Antennenpositionierung als auch des angewendeten Mehrantennenverfahrens durchgeführt. Daraus konnten schließlich konkrete Empfehlungen für ein sowohl unter Performanz- als auch Komplexitäts-Gesichtspunkten optimales Systemkonzept gewonnen werden. Mit Hilfe dieses Projekts konnten wichtige grundlegende Fragen zur Thematik der ultra breitbandigen Übertragung mit Mehrantennensystemen beantwortet werden. So konnte gezeigt werde, dass die ultra breitbandige Übertragung auch bei starker Mehrwegeausbreitung praktisch schwundfrei ist und die verfügbare Kanalkapazität direkt mit der Distanz zwischen Sender und Empfänger skaliert. Durch den Einsatz von Mehrantennen-Systemen kann zuverlässig die Systemperformanz deutlich verbessert werden. Beim Vergleich der verschiedenen Mehrantennenverfahren zeigte sich, dass Multiplex-Verfahren gegenüber klassischen Diversitätsverfahren nur bei kurzen Übertragungsdistanzen deutliche zusätzliche Gewinne ermöglichen.
Publications
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"Frequency Dependence of Correlation Coefficients in Ultra Wideband Antenna Arrays". European Conference on Antennas and Propagation, CD-ROM, Nice, France, Nov. 2006
C. Sturm, W. Sörgel, C. Kuhnert, and W. Wiesbeck
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"Untersuchung der Korrelationseigenschaften von UWB Indoor-Kanälen". VDE/ITG Diskussionssitzung UWB, Antennen und Messverfahren für Ultra-Wide-Band UWB-Systeme, Kamp-Lintfort, Dec. 2006
C. Sturm, M. Porebska, J. Timmermann, and W. Wiesbeck
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„An Adequate Channel Model for Ultra Wideband Localization Applications". Proceedings IEEE AP-S International Symposium, pp. 2140-2143, Albuquerque, New Mexico, July 2006
C. Sturm, W. Sörgel, S. Knörzer, and W. Wiesbeck
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„Deterministic UWB Wave Propagation Modeling for Localization Applications based on 3D Ray Tracing". Proceedings IEEE International Microwave Symposium, pp. 2003-2006, San Francisco, California, June 2006
C. Sturm, W. Sörgel, T. Kayser, and W. Wiesbeck
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"Investigations on the applicability of diversity techniques in ultra wideband radio". In: Proceedings of the 10th International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications, ICEAA 2007, CD-ROM, Torino, Italy, Sep. 2007
C. Sturm, M. Porebska, J. Timmermann, and W. Wiesbeck
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"Multiple antenna gain in ultra-wideband indoor propagation". In: 2nd European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2007, CD-ROM, Edinburgh, UK, Nov. 2007
C. Sturm, M. Porebska, E. Pancera, and W. Wiesbeck
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"Signal correlation in multiple antenna ultra wideband indoor channels". In: 4th IASTED International Conference Antennas, Radar, and Wave Propagation, pp. 20-25, Montreal, Canada, May 2007
C. Sturm, M. Porebska, G. Adamiuk, and W. Wiesbeck
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"Simulation and measurement based correlation estimation for ultra wideband antenna arrays". In: Proceedings of the International ITG-Conference on Antennas INICA2007, CD-ROM, Munich, Germany, Mar. 2007
C. Sturm, M. Porebska, G. Adamiuk, and W. Wiesbeck
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"Empirical Capacity and the Fading Characteristics of Ultra-Wideband Indoor Propagation Channels". In: Proceedings of the 2008 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS 2008), pp. 607-610, Orlando, Florida, Jan. 2008
U. J. Mönich, C. Sturm, H. Boche, and W. Wiesbeck
