UWB (Ultra Breitband) Kommunikationssysteme mit Mehrfachantennen

Inhaltsverzeichnis

1 Aufgabenstellung und Zielsetzung

2 Grundlagen
2.1 UWB
2.2 Mehrantennensysteme
2.3 Betrachtung der verwendeten Antennen und deren Eigenschaften
2.4 Funkkanal

3 SISO-Systeme im Breitband
3.1 Grundlagen zu SISO-Systemen
3.2 Rake-Receiver
3.3 Versuchsaufbau / Simulation

4 SIMO-Systeme im Breitband
4.1 Grundlagen zu SIMO-Systemen
4.2 Versuchsaufbau / Simulation

5 MIMO-Systeme im Breitband
5.1 Grundlagen zu MIMO-Systemen
5.2 V-BLAST
5.3 Versuchsaufbau / Simulation
5.4 Waterfilling
5.5 Waterfilling im Breitband

6 Zusammenfassung

A. Abbildungsverzeichnis

B. Literaturhinweise

1 Aufgabenstellung und Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Mehrantennensystemen im Ultra Breitbandund die zu erzielende Kapazitätssteigerung dieser Systeme gegenüber Einantennensys- temen Dabei liegt der Schwerpunkt der Betrachtung nicht in der Bestimmung der theoretischoder praktisch ma-imal zu erreichenden Kanalkapazität. Vielmehr werden die relativenKapazitätsunterschiede der in 2.2 aufgeführten Systeme untersucht.Dazu wurden in einem ersten Arbeitsschritt reale Übertragungsfunktionen für die ver- schiedenen betrachteten Szenarien mit einem Networkanalyser gemessen. Zum Einsatzkamen dabei speziell entwickelte Ultra-Breitband Antennen, welche in Kapitel 2.3 nä- her beschrieben werden.

Anschließend wurde in einem weiteren Schritt eine einfache Matlab-Simulation aufge- baut, welche von einem auf die Bandbreite B begrenzten AWGN-Kanal (AdditiveWhite Gaussian Noise) mit einer konstanten Rauschleistungsdiche N0 ausgeht und einbreitbandiges Kommunikationssystem nachbildet. Grundlage der Simulation bilden diereal gemessenen Übertragungsfunktionen. Mit Hilfe dieser Simulation erfolgt eine Ka- pazitätsbestimmung der verschiedenen Systeme, welche einen Vergleich ermöglicht undden Kapazitätsgewinn durch die Verwendung von Mehrantennensystemen quantifiziert.

2 Grundlagen

2.1UWB

Unter Ultra Breitband Technologie (UWB, engl. Ultra Wide Band) versteht man die Nutzung e-trem großer Frequenzbereiche mit einer Bandbreite von mindestens 20% der Mittenfrequenz oder mindestens 500MHz¹. Dadurch eröffnet sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, unter anderem:

- Sensorik (Bewegungsmelder durch Mauern hindurch)
- Bodenradar
- Medizinische Anwendungen (UWB Radar Stethoskop)
- Kaum ortbare Kommunikation

Des Weiteren bietet sich die Möglichkeit der digitalen Funkübertragung mit hoher Da- tenrate für kurze Distanzen. Den meisten dabei verwendeten Modulationsverfahren istgemein, dass die Informationen nicht länger einer bestimmten sinusförmigen Trägerfre- quenz aufmoduliert werden, sondern durch eine definierte Folge kurzer Impulse über- tragen werden. So wird auch in dieser Arbeit e-emplarisch PPM (engl. Pulse PositionModulation) zur Informationsübertragung verwendet. Durch die kurzen Impulse erhältdas Signal die gewünschte hohe Bandbreite und die übertragene Leistung verteilt sichauf einen großen spektralen Bereich. Als Folge bleibt die spektrale Leistungsdichte un- terhalb der vorhandenen Rauschdichte, so dass die im selben Band operierendenSchmalbanddienste kaum gestört werden. Andererseits belegen die Schmalbanddienstenur einen minimalen Bruchteil des Sendespektrums, so dass diese wiederum die UWB- Übertragung kaum stören sollten. Über die konstante Rauschleistungsdichte²:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Setzt man nun die verwendete Bandbreite B = 7GHz (2.3) ein und nimmt die Empfängerrauschzahl mit F = 6 dB (2.4) an, so erhält man die thermische Rauschleistung PRausch= -69,5 dBm (2.5). Um wie oben erwähnt, mit dem Sendesignal unterhalb der spektralen Rauschleistungsdichte zu bleiben, darf die Signalleistung folglich nicht über PRausch steigen (dabei wird eine gleichmäßige Verteilung der Rausch- und Signalleistung über den vollständigen Frequenzbereich vorausgesetzt).

Mehrwegeausbreitung, welche bei Schmalbandübertragung auf Grund von Fading oftzu Problemen führt, kann bei UWB sogar die Übertragung verbessern, da selbst mini- mal unterschiedliche Laufzeiten dank der hohen Bandbreite e-akt aufgelöst werdenkönnen. Ein weiterer Vorteil von UWB stellt die hohe Sicherheit der Übertragung dar.Da die spektrale Leistungsdichte unterhalb der des allgemein vorhandenen Rauschensgehalten wird, ist das Nutzsignal nur schwer zu erkennen und kaum zu orten. Zu denvielfältigen Leistungsmöglichkeiten kommen geringe Kosten. Zum einen e-istierenkeine Lizenzgebühren, deren Kosten auch durch die UMTS-Lizenzversteigerungen all- gemein bekannt sein dürften, des Weiteren können die Schaltungen hoch integriert wer- den und kommen mit wenig äußerer Beschaltung aus, wodurch sie relativ einfach reali- siert werden können und preiswerter herzustellen sind als Bandspreizsysteme³.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Ultra Breitband Übertragung

Wichtige Charakteristika der Breitbandübertragung sind die Impulsform sowie die Mo- dulation, welche wesentlich davon abhängt, ob man von vollständiger Kanalkenntnisauf Senderseite ausgeht, oder nicht. Kanalkenntnis kann durch Pilotsequenzen erlangtwerden.

2.2 Mehrantennensysteme

Mehrantennensysteme bestehen aus Gruppenantennen auf Sender- und/oder Empfän- gerseite. Eine Gruppenantenne wiederum ergibt sich durch Zusammenschalten mehrererEinzelantennen, wobei jede dieser Einzelantennen zur Signalverarbeitung eine komple- -e Gewichtung erhält. Zur schematischen Einteilung der Systeme unterscheidet man:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

jeweils mit oder ohne Kanalkenntnis.

Der Vorteil von Mehrantennensystemen besteht in der Steigerung der spektralen Effizienz durch

- Ausnutzung der räumlichen Diversität des Funkkanalsund
- Einer adaptiven Strahlformung.

Durch die Ausnutzung der räumlichen Diversität ist es möglich, Fading-Einbrüche zu verringern und/oder die Datenrate zu erhöhen.

Die Reduzierung der Fading-Einbrüche beruht auf der Idee, dass zwischen Sender und Empfänger mehr als ein Kanal besteht. Sollte es bei einem der Kanäle zu starkem Fading kommen, so hofft man darauf, dass einer der anderen Kanäle nicht davon betroffen ist und die Einbrüche so vermieden werden können.

In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den folgenden Systemarten: - SISO mit Kanalkenntnis auf Empfängerseite

- SIMO mit Kanalkenntnis auf Empfängerseite
- MIMO mit Kanalkenntnis auf Sender- und Empfängerseite

2.3 Betrachtung der verwendeten Antennen und deren Eigenschaften

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Mehrfachantenne und ihre symbolische Darstellung

Das für die verschiedenen Versuche verwendete Antennenarray besteht aus zwei kup- fernen „Vivaldi“ -ähnlichen Antennen, welche auf einer rechteckigen Platte montiertsind.

Die Streuparameter Si,j bestimmen die Antenneneigenschaften durch ihre Bedeutung alsReflektions- bzw. Transmissionsfaktoren bei Betrachtung der Antenne als linearesZweitor.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Zweitor mit Wellenkoeffizienten

Es ergibt sich die Systembeschreibung eines linearen Zweitors mit Hilfe der S- Parameter⁴:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um für die folgenden Versuche einen an die Antennen angepassten Frequenzbereich zu finden, messen wir die Reflektionsfaktoren sowie das Übersprechen eines Antennenfeldes in dem Frequenzbereich von 3GHz bis 15GHz.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: S-Parameter der Antenne

Eine Antenne gilt in einem Frequenzbereich der Bandbreite B durch Refle-ionsfaktormessungen als angepasst, wenn in diesem Bereich gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Logarithmisch ergibt sich dadurch ein Anpassungsgrenzwert für die Reflektionsfaktoren |S11| |S22| von etwa -10dB.

Für die von uns betrachteten Antennen kann man nach „Abbildung 4: S-Parameter der Antenne“ in dem Frequenzbereich von 6 GHz bis 13 GHz von Anpassung sprechen. In der weiteren Arbeit werden wir unsere Untersuchungen somit auf diesen B = 7 GHz breiten Bereich beschränken

2.4 Funkkanal

Der Funkkanal stellt die Übertragung zwischen Sender und Empfänger dar. Beschrieben wird er, wie jedes andere System auch durch eine komple-e Übertragungsfunktion H(j&) im Frequenzbereich oder die Impulsantwort h(t) im Zeitbereich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Systemdarstellung des Funkkanal

In einer realistischen Umgebung setzt sich ein Kanal meist aus mehreren Ausbreitungspfaden mit unterschiedlichen Laufzeiten, Amplitudendämpfungen und Phasenverschiebungen zusammen. Dies führt dazu, dass sich das Empfangssignal aus Überlagerungen des Sendesignals zusammensetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Ausbreitungspfade in einer realen Umgebung

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