Intelligente Antennen - Stiftung HAMFU · der Interferenzen, die vor allem durch andere Netzteilnehmer (multiple access interference, MAI) oder sonstige Störquellen verursacht werden

INFORMATIONSTECHNIK UND ARMEE

Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürichim Wintersemester 1999/2000

Leitung:Untergruppe Führungsunterstützung - Generalstab

Divisionär E. Ebert, Unterstabschef Führungsunterstützung

Intelligente Antennen

Referent: Prof. Dr. P. Leuthold

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Intelligente Antennen - Vorlesung Informationstechnik und Armee 1999/2000 (ETH Zürich) HAMFU History

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Prof. Dr. P. Leuthold

Inhalt

Zusammenfassung1. Einleitung2. Mobilfunkkanal3. Empfang mit adaptiven Antennensystemen4. Einsatz von intelligenten Antennen in Mobilfunksystemen5. Versuche mit intelligenten Antennensystemen6. SchlussfolgerungenLiteraturverzeichnis

Adresse des Autors:

Institut für KommunikationstechnikETH Zürich8092 Zürich

Informationstechnik und Armee39. Folge 1999/2000

04.00 10N97428/32154



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In jüngster Zeit stellen intelligente Antennen (Smart Antennas, SA) einvielversprechendes Potenzial dar, um der wachsenden Nachfrage nach mobilerKommunikation und der dazu erforderlichen Kapazitätserhöhung der Funknetze imRahmen der begrenzten Ressource des elektromagnetischen Spektrums gerechtzu werden. SA sind Antennen mit mehreren Elementen (Antennengruppen,Arrays), die auf der Senderseite in geeigneter Weise angesteuert bzw. derenAusgangssignale im Empfänger entsprechend kombiniert und ausgewertetwerden. Hier geht es um die Erläuterung der Arbeitsprinzipien und des Einsatzessolcher SA in Funknetzen sowie um Abschätzungen des zu erwartendenKapazitätszuwachses. Erste Resultate von Pilotversuchen mit SA in GSM900/1800-Netzen, aber auch in drahtlosen Fixnetzen (Wireless Local Loop, WLL)liegen vor und zeigen, dass Kapazitätsgewinne um Faktoren 3...5 durchausrealistisch sind.

Das schnel le Wachstum der T ei lnehmerzahl im Bereich der mobi lenKommunikat ion sowie die zunehmende Nachfrage nach immer breitbandigerenDiensten (Bi ldübertragung, Multimedia), die vor allem mit der Einführung derdritten Systemgenerat ion (UMTS, IMT-2000) angeboten werden sollen, zwingt dieNetzwerkbetreiber, die Kapazität ihrer Netze ständig zu erhöhen. Daneben mussinskünft ig mit einer starken Verbreitung von Funksystemen in Gebäuden (WirelessLAN, WLAN) sowie von drahtlosen Festnetzen (Wireless Local Loop, WLL) alsErwei terung des ISDN und B-ISDN (Broadband-Integrated Services DigitalNetwork) durch bewegl iche T erminals gerechnet werden. Die grösserenSignalbandbrei ten führen dabei zur Verwendung von immer höherenTrägerf requenzen bis in den Mil l imeter-Wellenbereich, da nur dort nochentsprechende zusammenhängende Bänder zur Verfügung stehen. Da dasFrequenzspektrum in allen Fällen eine limitierte Ressource darstellt, gewinntdessen mögl ichst effiziente Ausnützung stetig an Bedeutung. Hierzu lassen sichdie Verfahren zur Signalaufbereitung wie z.B. Modulat ion, Codierung, Entzerrungund Detektion immer noch graduell verbessern. Grössere Wirkung hinsichtlichSteigerung der Netzkapazität sind aber von der Neukonfigurat ion der Netze(Zellunterteilung, Mehrschichten- und Handover-Strategien etc.) sowie von derAnwendung intelligenter Antennen (Smart Antennas, SA) zu erwarten, die deshalb



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heute weltweit Gegenstand der universitären und industriellen Forschungdarstellen.

Unter einer SA versteht man eine geometrische Anordnung von Teilantennen oderFeldsensorelementen (Antennengruppe, Array), deren Eingangs- undAusgangssignale über ein Frontend durch einen mehr oder weniger komplexenProzessor aufgearbeitet bzw. ausgewertet werden (siehe Bild 1).

Array

SA erlauben eine Nutzung der unterschiedlichen Signaleigenschaften nicht nur inder Zeit und in der Frequenz, sondern auch im Raum für eine wirksame Reduktionder Interferenzen, die vor allem durch andere Netzteilnehmer (multiple accessinterference, MAI) oder sonstige Störquellen verursacht werden. Man spricht indiesem Fall von einer räumlichen Filterung zwecks Interferenzreduktion (spatialfiltering for interference reduction, SFIR). Eine weitere Anwendung von SA bestehtdarin, für die Mehrfachausnützung des Äthers auch eine räumliche Trennung derTeilnehmer vorzunehmen, d.h. neben Frequenz-, Zeit- und Codemultiplex (FDMA,T D M A und CDMA) schliesst sich der Raummultiplex (space division multipleaccess, SDMA) als weiteres Zugriffsverfahren an. Die Anwendungen SFIR undSDMA beruhen beide auf einer geeigneten Signalverarbeitung im Prozessor derSA mittels Algorithmen, die eine optimale Adaption an die momentanenräumlichen Gegebenheiten bezüglich Netzteilnehmer und Umgebung erlauben,d.h. der Unterschied liegt lediglich in der Zielsetzung. Die Zuschreibung "smart"oder "intelligent" ist in diesem Sinne dem wirklichkeitsnäheren Begriff "adaptiv"gleichzusetzen.

Für das allgemeine Verständnis der Problemstellung soll zunächst ein Blick auf dieEigenschaften des Funkkanals und insbesondere des Mobilfunkkanals geworfenwerden, da nur die ausreichende Kenntnis der Kanalparameter eine adaptiveSignalverarbeitung zulässt. Anschliessend erfolgt die Behandlung von zweiBetriebskonzepten, die adaptive Antennensignalkombination sowie die adaptiveSteuerung der Strahlungscharakteristik einer Antennenarray - im engeren Sinneals SA bezeichnet. Hernach werden Betrachtungen zum Einsatz der SA inBasisstationen sowie in Teilnehmerstationen von Mobilfunknetzen angestellt undAussagen über die dabei zu erwartenden Kapazitätsgewinne gemacht. DenAbschluss bilden die Beschreibung einiger weniger Pilotversuche, die Bewertung



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des heutigen Standes der SA-Technik sowie der Ausblick auf weitereEntwicklungen in diesem Sektor.

2. Mobilfunkkanal

Zufolge der bekannten Effekte bei der Wellenausbreitung in Wechselwirkung mitder terrestrischen Umgebung, nämlich Reflexion, Streuung, Beugung,Polarisationsdrehung, Dämpfung und Abschattung, resultiert ein inhomogeneselektromagnetisches Feld. Bewegt sich nun eine Mobilstation (MS) längs einesbestimmten Weges durch dieses Feld, so ist das Signal am Fusspunkt derEmpfangsantenne Pegelschwankungen unterworfen; man bezeichnet diesesPhänomen als Schwund oder Fading. Bei einer gegebenen Trägerfrequenz f0lässt sich die komplexe Enveloppe des elektrischen Feldes an der Antenne wiefolgt anschreiben:

Offensichtlich kommt durch Mehrwegausbreitung eine Superposition vonM Teilwellen zustande, die aus den räumlichen Richtungen Q.m (Azimut cpm,Elevation 9m) mit den relativen Verzögerungen rm einfallen. Die Grösse xbedeutet dabei den Weg oder die Trajektorie, die von der MS mit einer bestimmtenGeschwindigkeit v durchlaufen wird. Durch Abschattung ändert sich die Zahl Mder aktiven Ausbreitungspfade laufend, d.h. es gilt M =M(x).

Die Strecke zwischen der Sende- und Empfangsantenne kann für eine gegebenePolarisationsrichtung als lineares zeitvariantes System mit der komplexenStossantwort

M

(1)

(2)

modelliert werden, wobei y ( ü ) die Strahlungscharakteristik der Antennebezeichnet.



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Bild 2 zeigt als Beispiel gemessene Kanalstossantworten in einem Gebäude bei24 GHz [1].

n = x ( t ) / ( A / 2 ) °2 0 T

Cn s

^

Man erkennt den Hauptimpuls, gefolgt von schwächer werdenden Echos, welchedurch die verzögert einfallenden Reflexionen bzw. Teilwellen bedingt sind.Einerseits variieren die Amplituden des Hauptimpulses und der Echos,andererseits aber auch die Zahl der letzteren, wenn sich der Empfänger längs desWeges x bewegt. Dabei entstehen zudem Doppler-Verschiebungen v , die manmit Hilfe einer Fouriertransformation von h(t,r) nach t bestimmen kann.

Azimut (pm, Elevation 9m, Verzögerung zm, Amplitude Em und gegebenenfalls die

Doppler-Verschiebung vm der M Teilwellen sind die Funkkanalparameter, die im

Empfänger bekannt sein und laufend nachgeführt werden müssen, damit eineadaptive Signalverarbeitung im Hinblick auf eine optimale Detektion vorgenommenwerden kann. Dabei ist - wie bereits erwähnt - auch die Zahl M der relevantenPfade zu einem bestimmten Zeitpunkt ein bedeutungsvoller Kanalparameter. MitHilfe der SA gemäss Bild 1 kann unter Verwendung geeigneter Algorithmen eineSchätzung dieser Funkkanalparameter vorgenommen werden, die dann ihrerseitszur optimalen Signalverarbeitung bzw. Steuerung der StrahlungscharakteristikVerwendung finden können. Tabelle 1 gibt einen Überblick über Algorithmen zurFunkkanalparameterschätzung, auf die hier aber nicht näher eingegangen werdensoll [2],



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Beamforming,Fourier algorithms

Spectral estimation

E S P R I T (Estimation of SignalProcessing via Rotational InvarianceTechniques)

Non-parametricestimation

(P,n> and Tm

M U S I C (Multiple Signal Classification)

- 1-dimensional

- 2-dimensional

- 3-dimensional

Non-parametricestimation

<PmMJ

<Pm and xm

<Pm^,n andvm

S A G E (Space-Alternating GeneralizedExpectation-Maximization)

Maximum likelihood(ML) estimation

a n d v j

Übersicht über die Algorithmen zur Schätzung der Funkkanalparameter

Funkkanäle im Freien (outdoor) und solche in Gebäuden (indoor) unterscheidensich nicht bezüglich der physikalischen Effekte, wohl aber bezüglich Werte dersog. globalen Parameter. So liegt z.B. die zeitliche Spreizung der Teilwellen(delay-spread) zufolge Mehrwegausbreitung bei Outdoor-Situationenüblicherweise im Bereich 5. . .20j is , während sie bei Indoor-Situationen in dasIntervall 10. . . l00ns fällt. Auch die Zahl M der aktiven Pfade ist bei Outdoor-Situationen im Allgemeinen erheblich grösser als in Gebäuden. Diefrequenzmässige Spreizung der Teilwellen (Doppler spread) weist hingegen inbeiden Situationen ähnliche Werte auf, da den höheren Geschwindigkeiten der MSin Outdoor-Situationen zumeist kleinere Trägerfrequenzen im Vergleich zudenjenigen bei Indoor-Systemen gegenüberstehen.

Die klassische Empfangstechnik beschränkte sich auf eine Auswertung derHauptimpulse der zeitvarianten Kanalstossantwort und nahm die Echos alsStörungen in Kauf. Ebenso wurden die durch Doppler-Effekte bedingten mittlerenFrequenzverschiebungen nach Möglichkeit ausgeregelt.

Dank den Fortschritten der Signalverarbeitung ist es heute üblich, die ebenfallsinformationstragenden Echos bei allfälliger Kompensation individuellerFrequenzverschiebungen auszuwerten und damit die empfangene Nutzleistung imVergleich zur Störleistung zu vergrössern. Solche Empfänger bezeichnet man alsRAKE-Receiver [3], sie nutzen die kanalinhärente Zeitdiversität.

Zwecks weiterer Verbesserung des Signalempfangs liegt der Gedanke nahe,anstelle der Integration (2) eine Auswertung der relevanten Teilwellen gemäss (1)aus den entsprechenden Richtungen vorzunehmen und damit auch von derRaumdiversität zur Erhöhung des Störabstandes Gebrauch zu machen. Ferner



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räumliche Auflösung

AntennengruppeAntennenarray.

lineare Arrays,

Antennen-Cluster.

optimalenKombination Steuerung derArray- Strahlungscharakteristik

3.1 Adaptive Antennensignalkombination



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und

3.2. Adaptive Steuerung der Strahlungscharakteristik

d ~

Kapazität spektrale Effizienz,



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2N + \ d P{r0,<p)

E{t)= R e i exp\j(krQ - o y ) ] - £ En e x p [ - jknd • s in <p]l. ( 3 )l n=-N J

k 2njX, m0 = 27tf0

d « r 0 .

N

y{(p)= X £ „ • e x p [ - jknd • s i n tp]n=-N

\y(<p] Strahlungscharakteristik der Array

a -k-d -sin (p (5)



4 - 1 0

N

n=-N

Fourierreihe

Steuervektor d = A / 2

{En}=E0{cxp[jnAû]l

E0

A ü = 0 A û

\y((p)\/E0

A t f = 0 ° , Aû = 90°

A t f = 9 0 °

(p - 3 0 °

cp a aresin



4 - 1 1

Array Strahlformung



4 - 1 2

xN(t\ ),...,x_N(t)

En{t)=çn-xn(t), ( 8 )

cn = exp[jknd • s in cp]

raumbasierte Algorithmen

t

zeitbasierte Algorithmen



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4.1. Multiuser-Signalverarbeitung im Up- und Downlink

k k = \,2,...,K, dk

dk

dk

s k



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4.2. Mobilstationen mit intelligenten Antennen

R x , R x 2



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4.3 Kapazitätssteigerung

spektrale Effizienz,

hot spot

r



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5.1. Einsatz von Basisstationen mit intelligenten Antennen im GSM 900-Netz

Gain fdBi]



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10 -

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100rei. Anteil BS mit SA [%]

5.2 GSM/DCS 1800-Basisstation mit intelligenten Antennen



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5.3. Drahtloser Festnetz-Zugriff mit intelligenten Antennen



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Dankwort

Literaturverzeichnis

Documents

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