Handys in der vierten Dimension Intelligente Antennen in zellularen Mobilfunksystemen

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1 Handys in der vierten Dimension Intelligente Antennen in zellularen Mobilfunksystemen Photos: Photodisc, Andreas Czylwik, Montage: rasch. In einem Mobilfunksystem kommunizieren Mobilstationen wie zum Beispiel Handys mit Basisstationen. Dabei nutzen Mobil- und Basisstationen den Funkkanal gemeinsam. Damit sich die Signale an den einzelnen Stationen nicht gegenseitig stören (Gleichkanal- Interferenz cochannel interference), muss der Zugriff auf den Kanal in geeigneter Weise koordiniert Diese Koordination kann mit Hilfe der Dimensionen Zeit, Frequenz und Code erreicht werden: So kann die Zeit in so genannte Zeitschlitze eingeteilt werden, wobei die Zeitschlitze jeweils unterschiedlichen Nutzern zugeordnet werden: Das nennt man Zeitmultiplex (TDMA time division multiple access). Dies bedeutet ganz einfach, dass die Nachrichten der einzelnen Nutzer zeitlich nacheinander übertragen Eine andere Möglichkeit stellt die Aufteilung der Frequenz dar. Der für ein Mobilfunksystem zur Verfügung stehende Frequenzbereich kann in schmale Frequenzkanäle unterteilt werden, wobei die Frequenzkanäle unterschiedlichen Nutzern zugeordnet werden: Das nennt man Frequenzmultiplex (FDMA frequency division multiple access). Alternativ oder zusätzlich zu TDMAoder FDMA-Verfahren können Nutzern schließlich auch unterschiedliche Codes zugeordnet werden: Das nennt man Codemultiplex (CDMA code division multiple access). Räumliche Dimension im Fokus Zugriffsverfahren in heutigen Systemen nutzen in der Regel mehrere der drei angesprochenen Dimensionen. Aber selbst wenn man durch beliebig hohe Sendeleistungen beispielsweise jeden Nutzer in Deutschland versorgen könnte, reicht die zur Verfügung stehende Bandbreite bei weitem nicht aus, um alle Mobilfunknutzer zu versorgen. Mit dem heute dominierenden Standard GSM etwa wären nur rund 4000 Teilnehmer gleichzeitig versorgbar. Aus diesem Grund sind Mobilfunksysteme wie GSM als zellulare Netze mit einer großen Zahl von Basisstationen aufgebaut. Nur dadurch kann die benötigte Kapazität bereitgestellt Hinsichtlich des Zugriffs bedeutet dies, dass auch die räumliche Dimension bei der Mobil- So langsam wirds eng: Dass inzwischen selbst für Vorschulkinder der Griff zum Handy routinierter abläuft als der Weg zum Sandkasten, hat man inzwischen fast verdaut. Aber auch als technikfeindlich denunzierte Kaffeekränzchen älterer Damen organisieren ihre Torten-Treffs neuerdings gern mit Handy und per SMS. Schön übersichtlich war die Zeit, als der Mobilfunk noch Autotelefon hieß, per Hand vermittelt wurde und rund Teilnehmer bundesweit zählte. Auch das mühsam tragbare C-Netz-Telefon hatte noch seine natürliche Begrenzung, denn die handtaschengroßen Geräte waren für den privaten Gebrauch einfach zu schwer und zu sperrig. Doch seit Handys wirklich handlich und bezahlbar sind, wird der Frequenzraum knapp im Himmel über Deutschland. Neue Mobilfunknetze wie das viel gepriesene UMTS können nicht der Ausweg aus der Mangelsituation sein. Duisburger Forscher wollen den Engpass durch eine neue Generation von Antennen für Mobilfunknetze erweitern. funkübertragung genutzt werden muss. Die von Mobilstationen und Basisstationen benachbarter Zellen ausgesendeten Signale stören sich aber gegenseitig (Gleichkanal-Interferenz). Dies ist in Bild 1 für die Übertragungsrichtung von Mobilstationen zu Basisstationen (Aufwärtsstrecke Bild 1: Gleichkanal-Interferenz in der Aufwärtsstrecke (Uplink) von Mobilstationen zu Basisstationen; gewünschte Signale = grüne Pfeile, störende Signale = rote Pfeile 143

2 Expertenwissen Intelligente Antennen Das Blockdiagramm der Übertragung im Uplink ist in Bild A dargestellt. Die Empfangssignale der Antennen der Basisstationen werden zunächst vom Hochfrequenzbereich in das Basisband verschoben und anschließend mit Koeffizienten gewichtet. Die Linearkombination der Empfangssignale wird an den Eingang eines konventionellen Empfängers gelegt. Die Intelligenz des Verfahrens liegt dabei in der Berechnung der zeitveränderlichen Koeffizienten. Die Berechnung der Koeffizienten basiert auf ständigen Messungen des Übertragungskanals zwischen der Antenne der Mobilstation und den Antennen der Basisstation. Dabei muss für jede einzelne Mobilstation eine individuell geformte Richtcharakteristik erzeugt Die Richtcharakteristiken und damit auch die Koeffizienten der Linearkombinationen müssen ständig an die sich zeitlich ändernden Ausbreitungsbedingungen (insbesondere bei Bewegung der Mobilstationen zum Beispiel beim Autotelefon) angepasst Je größer die Zahl der Einzelantennen im Antennenfeld der Basisstation, um so besser die individuelle Abstrahlungscharakteristik. Andererseits muss sich aber der technische Aufwand in Grenzen halten. Daher werden für die Mobilfunkübertragung Antennenfelder diskutiert, die aus vier bis acht Einzelantennen bestehen. Das Blockdiagramm der Übertragung im Downlink, also von der Basisstation zum Mobilteilnehmer, ist in Bild B dargestellt. Das Sendesignal wird von einem konventionellen Sender erzeugt. Anschließend wird es mit einem Satz von Koeffizienten multipliziert, um die gewünschte Abstrahlcharakteristik zu erzeugen. Das Sendesignal wird anschließend in den Hochfrequenzbereich gebracht und über die einzelnen Antennen des Antennenfelds abgestrahlt. Genau wie für die Uplink-Übertragung muss für jede Mobil- Bild A: Blockdiagramm der Übertragung im Uplink station eine eigene Abstrahlcharakteristik geformt Funkwellen breiten sich entlang bestimmter Pfade aus. Im Allgemeinen liegt eine Mehrwegeausbreitung vor, das heißt die von Mobilstationen ausgehenden Wellen erreichen die Basisstation über mehrere Pfade, beispielsweise über eine direkte Sichtverbindung, über Reflexionen an Bergen oder Gebäuden, über Streuungen an Vegetation oder sonstigen unregelmäßigen Objekten sowie über Beugungen um Hindernisse, die die direkte Sichtverbindung blockieren. Jeder Ausbreitungspfad kann durch eine zufällig sich ändernde Übertragungsfunktion beschrieben Bei der Gestaltung der Strahlformung im Downlink muss beachtet werden, dass als Zugriffsverfahren, das die gleichzeitige Übertragung in beiden Richtungen zwischen Basis- und Mobilstation ermöglicht, häufig ein Frequenz-Duplex-Verfahren (frequency division duplex FDD) eingesetzt wird. Bei Frequenz-Duplex-Verfahren wird die Trennung der Signale für die beiden Übertragungsrichtungen Uplink und Downlink dadurch erreicht, dass für beide Richtungen unterschiedliche Frequenzbänder verwendet Einerseits unterscheiden sich aufgrund der Wellenausbreitung im Mobilfunkkanal die Übertragungsfunktionen im Uplink-Frequenzband von den Übertragungsfunktionen im Downlink-Frequenzband. Für heute bestehende Systeme können die Übertragungsfunktionen in den beiden Frequenzbändern als unkorreliert angenommen Daher ist es nicht möglich, die Kanalmessungen im Uplink direkt für die Strahlformung im Downlink einzusetzen. Auf der anderen Seite stimmen die räumlich bzw. zeitlich gemittelten Leistungsübertragungsfunktionen in beiden Frequenzbändern gut überein. Der Grund hierfür liegt darin, dass nach einer räumlichen bzw. zeitlichen Mittelung im Wesentlichen nur noch Abschattungseffekte eine Rolle spielen. Entscheidend für den Einsatz intelligenter Antennen ist nun, dass sich die Wellen der Uplink- und Downlink-Signale entlang der gleichen Pfade ausbreiten, solange sich die Frequenzen nicht erheblich unterscheiden. Für den Entwurf von Algorithmen zur Strahlformung im Downlink kann also ausgenutzt werden, dass sowohl die mittleren Leistungsübertragungsfunktionen als auch die Einfallsrichtungen an der Basisstation für Uplink und Downlink übereinstimmen. Wesentlich einfacher gestaltet sich die Strahlformung im Downlink, wenn ein Zeitduplex-Verfahren (time division duplex TDD) eingesetzt wird, bei dem die Signale in beiden Richtungen nacheinander übertragen werden dann können nämlich die gleichen Koeffizienten zur Strahlformung in beiden Richtungen eingesetzt Systeme mit Frequenzduplex sind beispielsweise die Mobilfunksysteme GSM (Global System for Mobile Communications) und UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Systeme mit Zeitduplex sind DECT (Digital European Cordless Telephone) und HIPERLAN (High Performance Radio Local Area Network) sowie der TDD-Modus von UMTS. Bild B: Blockdiagramm der Übertragung im Downlink 144 FORUM Forschung 2002/2003

3 -60 A Elevation vs. Azimuth Azimuth [deg] D Elevation vs. Azimuth Azimuth [deg]

4 «Als technologieorientierte Beteiligungsgesellschaft investieren wir in junge HighTech-Unternehmen aus den Bereichen Kommunikationstechnik, Mikrosystem- und Nanotechnologie. Die Transferstelle der Universität Duisburg ist dabei ein wichtiger Netzwerkpartner für Technologie- KnowHow und neue Projekte. Auch Technologie-Business ist People-Business.» Dr. Peter Wolff Geschäftsführer der enjoyventure Management GmbH, Düsseldorf Innovationen brauchen Netzwerke. Die Transferstelle Hochschule-Praxis der

5 Bild 2: Gleichkanal-Interferenz in der Abwärtsstrecke (Downlink) von Basisstationen zu Mobilstationen; gewünschte Signale = grüne Pfeile, störende Signale = rote Pfeile Uplink) anhand eines Beispiels dargestellt. Stark vereinfachend werden die Zellen des Funksystems als Sechsecke dargestellt, wobei sich die Basisstationen jeweils im Zentrum der Zellen befinden. An der betrachteten Basisstation in der Mitte des Bildes kommen nicht nur die gewünschten Signale (grüne Pfeile) aus der eigenen Zelle, sondern auch die störenden Signale (rote Pfeile) von Mobilstationen aus Nachbarzellen an. Die konventionelle Methode zur Lösung dieser Problematik besteht darin, gleiche Frequenzkanäle nicht in direkt benachbarten Zellen zu verwenden. Stattdessen verwendet man diese Kanäle erst wieder in Zellen, die so weit entfernt sind, dass die Störsignale stark gedämpft werden und sich kaum noch auswirken. Dadurch kann jedoch in den einzelnen Zellen nur ein kleiner Teil, nämlich nur etwa zehn Prozent, der gesamten zur Verfügung stehenden Frequenzkanäle, verwendet In der umgekehrten Übertragungsrichtung von den Basisstationen zu Intelligente Antennen als Königsweg Doch aufgrund der großen Nachfrage nach Mobilfunkdiensten kommt es selbst mit einer Sektorisierung bei den heutigen Mobilfunksystemen zunehmend zu Kapazitätsengpässen. Der konventionelle Weg zur Kapazitätssteigerung besteht darin, entweder weitere Lizenzen zur Vergrößerung der Bandbreite zu erwerben oder die Größe der Zellen zu verkleinern. Im ersten Fall muss festgestellt werden, dass die zur Verfügung stehende Bandbreite eng begrenzt ist und dass zum Teil erhebliche Lizenzgebühren fällig Im zweiten Fall müssen viele neue Basisstationen errichtet werden, was ebenfalls mit hohen Kosten verbunden ist. Außerdem wird es für Netzbetreiber aufgrund fehlender Akzeptanz in Teilen der Bevölkerung Stichwort Elektrosmog immer schwieriger, Standorte für neue Basisstationen zu finden. Ein eleganter Ausweg aus dieser misslichen Zwickmühle liegt darin, die Kapazität zellularer Mobilfunksysteme mit Hilfe von intelligenten Antennen zu steigern. Dabei nutzen intelligente Antennen die räumlichen Eigenschaften der Wellenausbreitung. So wirken die an Basisstationen einden Mobilstationen (Abwärtsrichtung Downlink) entsteht ein ähnliches Problem: Die Mobilstationen empfangen gleichzeitig nicht nur das Signal der gewünschten Basisstation, sondern außerdem auch die Signale benachbarter Basisstationen (Bild 2). Heutige zellulare Mobilfunksysteme nutzen die räumliche Dimension einerseits durch die oben beschriebene zellulare Struktur und andererseits durch Sektorisierung innerhalb der Zellen. Dabei werden die Zellen durch entsprechend ausgerichtete Antennen in Sektoren aufgeteilt. Die Kapazität solcher Systeme ist höher, da durch die Sektor-Charakteristik der Antennen ein Teil der Störung unterdrückt wird. Bild 3 zeigt ein Beispiel eines zellularen Mobilfunksystems, bei dem jede Zelle in Sektoren von 120 eingeteilt ist und in jeder dritten Zelle die gleichen Frequenzkanäle verwendet werden gleiche Farben entsprechen gleichen Frequenzkanälen. Bild 3: Zellulares System mit drei Sektoren pro Zelle und Frequenzwiederholung in jeder dritten Zelle 147

6 Forschungsschwerpunkte im Fachgebiet Nachrichtentechnische Systeme Am Fachgebiet Nachrichtentechnische Systeme der Gerhard-Mercator-Universität Duisburg wird in der rund 25- köpfigen Arbeitsgruppe SMART (Smart Antenna Research Team) intensiv an der Verbesserung zellularer Mobilfunksysteme mit intelligenten Antennen gearbeitet. Es werden Simulationen auf Systemebene (insbesondere für UMTS) durchgeführt, die zeigen, um welchen Faktor die Bandbreiteneffizienz bei Verwendung eines bestimmten Konzepts zur Strahlformung gesteigert werden kann. Wichtig ist hierbei, dass realitätsnahe Kanal-, Mobilitätsund Verkehrsmodelle eingesetzt Ein Vergleich verschiedener Verfahren ist besonders fair, wenn man sich nicht auf spezielle Ausbreitungssituationen bezieht, sondern rein stochastische Modelle verwendet. Bei der Simulation auf Systemebene kann für die einzelnen Verbindungen aus Aufwandsgründen keine bitweise Übertragung betrachtet Vielmehr muss eine Abstraktion für einzelne Verbindungen gefunden werden, die alle wesentlichen Aspekte einzelner Verbindungen beinhaltet. Dies schließt beispielsweise Effekte durch den Mehrwegeempfang und Diversitätsverfahren ein. Betrachtet man Strahlformungsalgorithmen, so muss berücksichtigt werden, dass die Parameter des Funkkanals nicht exakt bekannt sind. Die Fehler aufgrund der grundsätzlich endlichen Genauigkeit der Kanalschätzung können zu erheblichen Einbußen bei der Interferenzunterdrückung in einem zellularen System führen. Daher werden im Fachgebiet robuste Strahlformungsverfahren entwickelt, die weniger empfindlich gegenüber Fehlern bei der Kanalschätzung und Fehlern bei der Modellierung der Wellenausbreitung sind. gesetzten intelligenten Antennen als anpassungsfähiges räumliches Filter, das dafür sorgt, dass in der Abwärtsstrecke besonders viel Leistung in Richtung des gewünschten Nutzers und besonders wenig Störleistung an nicht gewünschte Nutzer abgestrahlt wird. In der Aufwärtsrichtung wird ebenfalls durch räumliche Filterung das gewünschte Signal besonders gut empfangen, Signale aus anderen Richtungen werden dagegen möglichst gut unterdrückt. Aus Platzgründen können intelligente Antennen allerdings häufig nur an den Basisstationen eingesetzt Konstruktiv bestehen intelligente Antennen aus einem Feld von konventionellen Antennen und einer intelligenten Verarbeitung der Antennensignale. Mit Hilfe dieser Signalverarbeitung wird die Richtcharakteristik des Antennenfelds in optimaler Weise an den Funkkanal angepasst. Intelligente Antennen bieten in zellularen Mobilfunksystemen eine Reihe von Vorteilen: Der wichtigste Vorteil ist, dass durch intelligente Antennen die Gleichkanalinterferenz entscheidend reduziert werden kann und damit die Kapazität gesteigert wird. Die Kapazität wird hierbei als Anzahl versorgbarer Mobilstationen pro Mobilfunkzelle gemessen. Die Kapazität wird durch intelligente Antennen vergrößert, ohne dass neue Standorte für zusätzliche Basisstationen benötigt Dadurch, dass mehrere Antennenelemente gleichzeitig verwendet werden, steigt der Antennengewinn (= Anzahl der Antennenelemente). Aus diesem Grund kann die Sendeleistung an der Mobilstation um den entsprechenden Faktor gesenkt Der Verbrauch an elektrischer Energie in den Mobilstationen sinkt, so dass längere Verbindungs- und Bereitschaftszeiten möglich sind. Außerdem wird im menschlichen Körper eine geringere Leistung aufgenommen, so dass der Sicherheitsabstand zu den Strahlungsgrenzwerten weiter gesteigert wird. Ein weiterer Vorteil des höheren Antennengewinns besteht darin, dass beim Aufbau eines neuen Netzes schneller eine Flächendeckung erzielt werden kann. Mit Hilfe einer entsprechenden Strahlformungsstrategie kann die Anzahl der Pfade reduziert werden, über die nennenswert Leistung übertragen wird. Dadurch wird die Intersymbolinterferenz, das heißt die Eigenstörung eines Signals, das gleichzeitig über mehrere Ausbreitungspfade empfangen wird, verringert und folglich auch die notwendige Komplexität der Empfänger. Ein Blick in die Zukunft Die Versteigerung der UMTS-Lizenzen im Jahr 2000 in Deutschland zeigte, welchen Wert Bandbreite darstellt. Vor diesem Hintergrund müssen Maßnahmen zur Steigerung der Bandbreiteneffizienz beurteilt Es wurde eine Bandbreite von 60 MHz jeweils für Uplink und Downlink versteigert. Diese Bandbreite muss in Relation zu den für die heutigen GSM- Netze zur Verfügung stehenden Bandbreiten gesehen So stehen für das D-Netz zum Beispiel für Uplink und Downlink jeweils 25 MHz und für das E-Netz jeweils 75 MHz zur Verfügung. Das bedeutet, dass für GSM insgesamt deutlich mehr Bandbreite genutzt wird als dies für UMTS der Fall sein wird. Da aber die Bandbreiteneffizienz von TDMA- und CDMA-basierten heutigen Systemen in der gleichen Größenordnung liegt, kann in einem UMTS-Netz, das die gleiche Dichte an Zellen wie das heutige GSM-Netz aufweist, nur dann im Mittel mit wesentlich höheren Datenraten übertragen werden, wenn entweder wesentlich weniger Nutzer gleichzeitig versorgt werden oder zusätzliche Maßnahmen zur Steigerung der Bandbreiteneffizienz vorgesehen Besonders erfolgversprechend sind dabei Maßnahmen, die die räumliche Dimension nutzen, da diese Dimension bislang nur sehr unbefriedigend ausgenutzt wird. Wenn das UMTS-Netz mit wesentlich höheren Datenraten zu einem Erfolg werden soll, besteht daher kein Zweifel, dass Basisstationen mit intelligenten Antennen intensiv eingesetzt werden müssen. Aber auch bei drahtlosen lokalen Netzen (WLAN, Wireless local area network) werden intelligente Antennen in Zukunft eine entscheidende Rolle spielen. Verwendet man nämlich sowohl auf der Seite der Basisstation als auch auf der Seite der Mobilstation Antennenfelder (so genannte MIMO-Systeme multiple input multiple output), so kann die erzielbare Datenrate bzw. Übertragungsqualität entscheidend gesteigert Schaut man etwas weiter in die Zukunft, so werden höhere Datenraten in drahtlosen lokalen Netzen eine immer wichtigere Rolle spielen. Für Funksysteme mit hohen Datenraten steht aber nur im Bereich höchster Trägerfrequenzen ausreichend Bandbreite zur Verfügung. Mit zunehmender Trägerfrequenz steigt außerdem die Funkfelddämpfung an. Auch nimmt die Rauschleistung 148 FORUM Forschung 2002/2003

7 am Eingang der Empfänger mit zunehmender Bandbreite zu. Daher können solche Breitbandsysteme bei höchsten Trägerfrequenzen nur mit Richtantennen betrieben werden, die einen ausreichend hohen Gewinn aufweisen. Um nicht bei jeder Veränderung der Lage von Sender, Empfänger sowie der Umgebung die Richtung der Antennen manuell nachstellen zu müssen, ist es auch bei diesen Systemen notwendig, intelligente Antennen einzusetzen und ihren Antennengewinn zu nutzen. Erst durch intelligente Antennen kann die räumliche Dimension der Wellenausbreitung wirkungsvoll genutzt In zellularen Mobilfunksystemen wird die Kapazität (Mobilstationen pro Mobilfunkzelle) entscheidend gesteigert, indem die Gleichkanalinterferenz sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung durch eine räumliche Filterung verringert wird. Aufgrund der eng begrenzten Bandbreite werden zukünftige Systeme zwangsläufig intelligente Antennen einsetzen, um auch den räumlichen Aspekt der Mobilfunkübertragung zu einer Steigerung der Kapazität zu nutzen. Betrachtet man eine einzelne Verbindung, so kann die übertragbare Datenrate bzw. die Übertragungsqualität durch den Einsatz mehrerer Antennen auf Sendeund Empfangsseite (MIMO multiple input multiple output) vergrößert Vorteile intelligenter Antennen bei Uplink und Downlink In einem konventionellen System sendet die Mobilstation in der Aufwärtsrichtung mit einer hohen Leistung (dicke Linien), damit die Basisstation das Signal störungsarm empfängt. Werden intelligente Antennen eingesetzt, so kann die Mobilstation aufgrund des Antennengewinns an der Basisstation mit einer geringeren Leistung (dünne Linien) senden. In einem konventionellen System strahlt die Basisstation das Sendesignal in Sektoren mit einem Öffnungswinkel von ca. 120 ab. Damit werden alle nicht gewünschten Mobilstationen gestört, die sich in diesem Sektor befinden. Mit intelligenten Antennen wird die Anzahl von Mobilstationen reduziert, die durch die Basisstation gestört Unter Umständen können wie im Bild dargestellt mehrere Mobilstationen in einem Sektor gleichzeitig versorgt Außerdem wird die im Mittel von den Basisstationen abgestrahlte Gesamtleistung reduziert. Kontakt Prof. Dr.-Ing. Andreas Czylwik Fachgebiet Nachrichtentechnische Systeme / Fax / czylwik@sent5.uni-duisburg.de 149