Systeme II 8. Die physikalische Schicht (Teil 6)

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1 Systeme II 8. Die physikalische Schicht (Teil 6) Thomas Janson, Kristof Van Laerhoven*, Christian Ortolf Folien: Christian Schindelhauer Technische Fakultät : Rechnernetze und Telematik, *: Eingebettete Systeme 112

2 convergence of the two classes. A further classification is in terms of the number of Fourier transforms (FT) within the device. Any beamformer must perform an FT in distributing energy from a single feed point to the required aperture distribution. Fig. 1 illustrates antennas with Another key performance factor is scan angle capability and this is usually limited by one or more of the factors given in Table 1. Performance within this scan Richtfunk/Räumliches Multiplex,/---\ Table 1 : Factors limiting scan angle Limitation Cause (a) Array grating lobes I (b) Array blindness Insufficiently filled aperture Mutual coupling or leaky wave action (c) Pattern degradation Reduced effective aperature size (reduced gain, increased with scan, phase and amplitude beamwidth and sidelobe errors, beamformer frequency level) dependence (d) Spillover (in quasi-optic Insufficient objective or feed bearnforrners) aperture size / / ''' lens focal point multi-beam with Rotman lens a lens range Txis determined by antenna Rxgeometry, and beamwidth, beam spacing and beam cross over level are imporparameters. Probable system loss components are : tant loss (in aperture tapering loss, spillover loss, resistive both active and passive components), loss due to manu110.. facturing errors, and some additional loss related to the beam spacing which reduces to zero for orthogonal beam sets C2, 3, 41. Most practical antennas will not have exactly orthogonal beams and will therefore incur this extra loss. MIMO Spatial Multiplexing 2 Lens based beamformers Foschini et al. 2.1 The Ruze lens first beamforming with circular array phased antenna array for radio direction Karl F. Braun finding (Nobel Prize) Wullenweber antenna feed points focal arc The weight of solid dielectric lenses [SI, even when reduced by zoning [SI, makes them unsuitable for general microwave use although they are currently being considered for EHF and millimetric systems [7]. Metal parallel plate lenses reduce this problem. Early forms operated in an analogous way to dielectric lenses, but with the modification by Ruze [8] to contain the rays within the lens to travel parallel to the axis, that is the path P-Q in Fig. 2, allowed simplified analysis and \'dl 1996 lens MIMO Radar Fishler et al 1960 Rindfleisch (Telefunken) signal processor controlled beamforming in Classification of multiple beam systems by number of Fourier Fig. 1 adaptive antenna array transjorms Zero FT with array feed Widrow et al. (Stanford) b One FT with set of point feeds Two FT with array feed radar with \ \ various numbers of FTs undergone by the wavefront in focal arc rotating its passage from the feed to the objective. As indicated, Fig. 2 Geometry of the constrained lens this number determines whether the feed is a phased array P-Q specifies R u x form whilst P-Q specifies Rotman antenna or simplyyagi a collection of feed points. In general, capabilarray WIDROW ET AL.: ADAPTIVE ANTENNA SYSTEMS 1924 LI c / Parabolic reflector antenna, Hertz ity increases with the number of FTs. Specification of the beamformer performance is aided by definition of the element use factor Fe [11 directional Yagi-Uda antenna Fe = 294 NJNmin (1) opened the way to much fruitful development. The path P-Q can be formed in a variety of ways such as waveguide, coaxial line, triplate stripline or microstrip. The electrical path length P-Q is varied across the lens IEE PROCEEDINGS, Vol. 137, Pt. H, No. 5, OCTOBER

3 Richtfunk mit mehreren Antennen 2 Sender übertragen das gleiche Signal mit gleichen Daten verschiedene Distanzen zum Empfänger führen zu Phasenverschiebung - Signale löschen sich teilweise aus Phasenverschiebung wird für Empfängerposition angepasst - durch Superposition verdoppelt sich die Amplitude Sendeantennen Sendeantennen Funksignal zum Zeitpunkt t Wellenlänge Trägerfrequenz Funksignal zum Zeitpunkt t Phasenanpassung Beamforming Phasenverschiebung Empfangsantenne Phasenverschiebung Empfangsantenne 114

4 Beamforming von 3 Sendeantennen Beamforming Gain = Steigerung der Empfangsleistung im Vergleich zu Einzelantenne mit gleicher Sendeleistung Empfänger 3 3 Sendeantennen

5 Smart Antennas, MIMO, SIMO, MISO Smart antennas - MIMO (multiple input/multiple output) - SIMO (single input/multiple output) - MISO, SISO - sind mehrere Antennen, welche koordiniert Signale übertragen und empfangen Vorteile - Beam forming (Power gain) - Diversity gain Anwendungen - IEEE n-WLAN SISO SIMO MISO MIMO 116

6 Beamforming - Durch geschickte Phasenverschiebung kann ein gerichteter Sendestrahl gesendet werden - oder symmetrisch auch empfangen werden side beams side beams main beam =0 117

7 Power Gain Warum haben n Sender (oder n Empfänger) eine höhere Reichweite als 1 Sender und Empfänger? - mit gleichen Antennen - mit gleicher Energie Superposition: - Die elektrischen Felder überlagern sich (nicht die Energie) - Energy = P ~ E 2 = (el. Feld) 2 - El. Feldstärke = D ~ 1/d 1 Sender - Energie: P - Energie im Abstand d: P/d 2 n Sender - Energie von n Sendern: P - Feldstärke eines von n P Sendern: n - Feldstärke im Abstand d von n Sendern: n d P n = Pn d - Gesamtenergie im Abstand d: Der selbe Effekt funktioniert auch beim Empfänger - führt zu einem Power Gain von Faktor n für n Sender und n Empfänger n P d 2 118

8 Steigerung der Datenrate mit Power Gain Shannons Theorem: maximale Datenrate H log2 (1+S/N) bit/s - bei höherer Signalleistung S durch Power Gain von Beamforming kann bessere Codierung verwendet werden (z.b. 4, 8, 16, 256 QAM) max. Datenrate/H 3 2 linear SNR/log(2) Shannon log2(1+snr) SNR

9 MU-MIMO Multi-User-MIMO: im ac Standard können mehrere Nutzer gleichzeitig den Kanal benutzen parallele Beams/Kanäle Nutzer 2 Nutzer 1 Access Point 120

10 Multipath Channel Superposition von Reflektionen s 2 e jft s 1 e jft (s 1 + s 2 + s 3 )e jft s 3 e jft h = s 1 + s 2 + s 3 121

11 Rayleigh fading Superposition führt zu drastischen Einbrüchen Introduction to Wireless MIMO Theory and Applications Jacob Sharony IEEE LI

12 Räumliches Multiplex (Diversity Gain) Wenn in der Umgebung viele Reflektoren (scatterers) vorhanden sind, - dann ergibt sich für die Beschreibung der Sender-/Empfänger-Beziehung eine Kanalmatrix H H i,j = - resultierende Dämpfung und Phasenverschiebung zwischen Sender i und Empfänger j Für geeignete Kanalmatrizen - mit guter Singulärwertzerlegung - können bis zu max{#sender, #Empfänger} parallele Kommunikationskanäle verwendet werden Dadurch können mehr Daten übertragen werden, als Shannons Theorem für SISO zulässt Kanalmatrix H 123

13 Systeme II 8. Die physikalische Schicht Thomas Janson, Kristof Van Laerhoven*, Christian Ortolf Folien: Christian Schindelhauer Technische Fakultät : Rechnernetze und Telematik, *: Eingebettete Systeme 124