Bestimmung von MIMO-Kanalkapazitäten für unterschiedliche Antennenarchitekturen auf der Basis von breitbandigen Ausbreitungsmessungen

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Jens Meissner
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1 Bestimmung von MIMO-Kanalkapazitäten für unterschiedliche Antennenarchitekturen auf der Basis von breitbandigen Ausbreitungsmessungen Dirk Hampicke, Markus Landmann, Andreas Richter, Christian Schneider, Gerd Sommerkorn, Reiner Thomä Technische Universität Ilmenau Fachgebiet Ilmenau 1

2 Übersicht Vorbetrachtungen zur MIMO-Kanalkapazität Messbeispiele und Ergebnisse der Kapazitätsanalyse Kapazitätsanalyse basierend auf einer parametrischen Kanalmodellierung Zusammenfassung, Ausblick 2

3 Motivation distant scatterers Mehrwegeausbreitung local scatterers ν MS ( ) γ δ τ 1 τ 1 γ δ ' θ 1 ( τ ) 2 τ 2 γ δ ' θ K ' θ 2 ( τ ) K τ K BS s Signal-Fading Unterdrückung durch Diversity- Verfahren (z.b. Time, Space, Polarization) Informationstheoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass mit multiplen Antennen auf Sender - und auf Empfängerseite der Effekt der Mehrwegeausbreitung vorteilhaft ausgenutzt werden kann, indem viele parallele Übertragungskanäle gleichzeitig im selben Frequenzband mit der selben Sendeleistung gebildet werden können. 3

4 MIMO - Kanalkapazität Eigenmoden RX Rx Empfangsdaten Sendedaten S-T-Algorithmen des Senders TX Tx TX Tx TX Tx TX Tx 1. H 2. RX Rx RX Rx RX Rx RX Rx RX Rx S-T-Algorithmen zur Separierung der Sendedaten Sender Empfänger ohne Kanalkenntnis am Sender: n C = log 2 1+ k = 1 P λ Tx k 2 n σ mit Kanalkenntnis am Sender: n α C = log 2 1+ k = 1 k P σ Tx 2 λ k λ i 2 σ Eigenwerte zugehörig zur i-ten Eigenmode Rauschleistung PTx Sendeleistung αtx Water-filling-Faktor n = min( NTx, NRx) 4

5 Rauschpegelbestimmung Kernproblem: Bestimmung der Rauschleistung (Rauschpegel) Rauschen setzt sich aus Empfängerrauschen und Quantisierungsrauschen zusammen bei gutem SNR überwiegt das Quantisierungsrauschen Ansatz: Übergang zwischen Signal- und Rauschraum im Subspace finden 5

6 Zweiseitig richtungsaufgelöste Messungen Meßequipment: RUSK ATM Vektor Channel Sounder Frequenzbereich: 5.2 GHz Bandbreite: 120 MHz TX bikonische Multibeam-Antennen (CUBA, circular uniform beam array) mit 8 gerichteten Antennen 360 Abdeckung im Azimutbereich TX Szenario: Straßenschlucht mit parkenden PKW Bewegung des Senders (TX) von der Empfänger (RX)-Position weg mit Schrittgeschwindigkeit abwechselnd line-of-sight (LOS) bzw. Abschattung von LOS 6

7 MIMO-Kapazität und SNR für die gesamte Messfahrt 55 MIMO capacity averaged over freqency [bps/hz] Measured SNR [db] time [s]

8 MIMO-Kapazität für Messfahrt #2 (Parkplatz) TECHNISCHE RX capacity [bps/hz] MIMO capacity averaged over freqency time [s] TX SNR [db]

9 MIMO-Kapazität für Messfahrt #3 (Wohngebiet) TECHNISCHE RX TX capacity [bps/hz] MIMO capacity averaged over freqency [bps/hz] Tx Rx measured SNR [db] time [s]

10 Vergleich der gemessenen Kapazitäten measurement #1 measurement #2 measurement #3 0.8 probability (Capacity > Abscissa) Capacity [bps/hz] 10

11 Ableitung von MIMO-Kapazitäten auf der Basis von Messdaten TECHNISCHE MIMO- Messung (1) direkter Weg Channel response vector snapshot [M N] Kanalmatrix hochauflösende Parameterschätzung Rekonstruktion der multidimensionalen Impulsantwort (2) indirekter Weg über Parameterschätzung und Rekonstruktion Variation von Antennenabstand, -anzahl bzw. Anordnung der Elemente Bestimmung des Rauschpegels; Eigenwertzerlegung Bestimmung der Kapazitäten (Schmalbandfall) 11

12 Zusammenfassung Untersuchungen zur MIMO-Kapazität für MIMO- Ausbreitungsmessungen mit circular uniform beam arrays (CUBA) Kernproblem: Bestimmung des Rauschpegels Ansatz: Übergang zwischen Signal- und Rauschraum im Subspace suchen Synthese von Impulsantworten für unterschiedliche Arraystrukturen (Anzahl, Anordnung und Abstand der Elemente) auf der Basis einer hochauflösenden Parameterschätzung und Rekonstruktion des elektromagnetischen Wellenfeldes entsprechende Anpassung des SNR und der Sendeleistung wichtig für sinnvollen Vergleich von Kapazitäten 12

13 Ausblick weiterführende Untersuchungen, u.a. im Hinblick auf Fragen zu Anzahl, Abstand und Anordnung der Antennenelemente Untersuchungen zum Grad der Korrelation zwischen den Kanälen Untersuchungen zur Statistik der Eigenwerte Verifizierung der Ergebnisse im Rahmen von Simulationen (z.b. Ray Tracing) 13

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