OFDM-basierte MIMO-Kanalmessungen mit verschiedenen OFDM-basierte MIMO-Kanalmessungen mit verschiedenen

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  • Matthias Lieberei

    OFDM-basierte MIMO-Kanalmessungen mit verschiedenen Antennen

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  • OFDM-basierte MIMO-Kanalmessungen mit

    verschiedenen Antennen

    Vom Fachbereich Elektrotechnik der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg

    zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs genehmigte

    DISSERTATION

    vorgelegt von

    Matthias Lieberei aus Hamburg

    Hamburg 2010

  • Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Udo Zölzer (Helmut-Schmidt-Universität, Universität der Bundeswehr Hamburg)

    Prof. Dr. Hermann Rohling (Technische Universität Hamburg-Harburg)

    Tag der mündlichen Prüfung: 18. August 2010

    Gedruckt mit freundlicher Unterstützung der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der

    Bundeswehr

    http://www.hsu-hh.de http://www.hsu-hh.de http://www.tu-harburg.de

  • Vorwort

    Die vorliegende Dissertation ist während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mit- arbeiter an der Professur für Allgemeine Nachrichtentechnik an der Helmut-Schmidt- Universität / Universität der Bundeswehr entstanden.

    Ich möchte mich bei meinem Betreuer Professor Udo Zölzer bedanken, für die Möglichkeit diese Arbeit durchzuführen und die Anregungen während des For- schungsprojekts und bei der Verschriftlichung. Ich möchte mich bei meinem Stu- denten und späteren Kollegen Patric Beinschob und bei meinem Kollegen Christian Zimmermann bedanken, für die wichtigen Beiträge zum Forschungsprojekt und die vielen hilfreichen fachlichen Ratschläge und Diskussionen. Weiterhin möchte ich mich bei Peter Pomrehn für die durchgeführten mechanischen Arbeiten bedanken, wie z. B. die Herstellung von Antennenhalterungen und das Design der Senderbox. Ich möchte mich auch bei Günther Fiergolla und Otto Beinschob bedanken, die uns bei den Messungen in der B707 hilfreich unterstützt haben. Weiterhin möchte ich mich bei meinen weiteren Studenten – SivaSiva Ganesan Rakash, Tair Kozhakhme- tov und Christian Bauckhage – bedanken, die alle wichtige Beiträge zu dieser Arbeit geleistet haben.

    Ich möchte mich bei Jan Müller, Tim Fuss und Daniel Glaser bedanken, die das Forschungsprojekt von Industrieseite gelenkt und die Durchführung ermöglicht ha- ben. Bei Oomke Weikert möchte ich mich für die Vorbereitung des Forschungspro- jekts bedanken und bei Jörg Petersen für die Mitarbeit an den Messungen am MIMO- System. Mein Dank gilt weiterhin Professor Hermann Rohling für die Übernahme des Zweitgutachtens und Professor Gerd Scholl für die Übernahme des Prüfungs- vorsitzes. Ich möchte mich bei allen Korrekturlesern – Jan Strutz, Swenja, Roswitha und Reinhard Lieberei – bedanken. Ich danke meinen Eltern Peter und Karin Paasch für die Unterstützung während meiner gesamten Ausbildung. Und ich danke Serafi- na Lieberei für ihr Dasein. Weiterhin möchte ich mich bei allen weiteren Kollegen aus dem Arbeitsbereich Allgemeine Nachrichtentechnik bedanken und bei allen, die direkt oder indirekt einen Beitrag zu diesem Projekt geleistet haben.

    Hamburg, im August 2010

    Matthias Lieberei

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  • Inhaltsverzeichnis

    1 Einleitung 1 1.1 Mehrantennensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 Kanalmodell und Kanalcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Antennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2 Beschreibung des experimentellen MIMO-Laborsystems 17 2.1 MIMO-Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 MIMO-Demodulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3 Software zur automatisierten MIMO-Übertragung . . . . . . . . . . 34

    3 Mehrträgerverfahren für Raummultiplex in Mehrantennensystemen 39 3.1 MIMO-OFDM-Systemstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    3.1.1 Kanalschätzung und Entzerrung . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.1.2 Verbesserung der Kanalschätzung durch Datensymbole . . . 46

    3.2 Erweiterung um PAPR-Reduktion im Zeitbereich . . . . . . . . . . 48 3.2.1 A-law und µ-law Kompander . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2.2 Amplitudenbegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2.3 Vergleich der Zeitbereichs-PAPR-Reduktionsverfahren . . . 55 3.2.4 MIMO-OFDM-System mit A-law Kompandern . . . . . . . 62

    4 Auswertung der OFDM-basierten MIMO-Kanalmessungen 67 4.1 Flugzeugkabine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    4.1.1 Omnidirektionale Antennen . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.1.2 Planarantennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.1.3 Leaky-Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

    4.2 Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.1 Omnidirektionale Antennen . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.2 Planarantennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.3 Leaky-Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

    4.3 Diskussion der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

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  • Inhaltsverzeichnis

    5 Zusammenfassung 127

    Anhang 129

    A Simulationsparameter 131

    Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 135

    Literaturverzeichnis 141

    Index 149

    Lebenslauf 151

    viii

  • „Airplanes seem to be the last remaining frontier where wireless communications and Internet access are still not available.“

    N. Moraitis, [MCFV09] 1 Einleitung

    Die Standardisierung von Mehrantennen-(MIMO1)-Funksystemen, z. B. in lokalen, drahtlosen Rechnernetzen in „IEEE 802.11 n“ oder für den Mobilfunk in „3GPP LTE“ ist weit fortgeschritten. Flugzeugbauer stellen sich die Frage, wie man eine MIMO-Infrastruktur in Flugzeugen bereitstellen kann, um für die zukünftigen Anfor- derungen von Fluglinien und letztlich ihren Passagieren gerüstet zu sein. Dabei spielt das Gewicht der Anlage einerseits eine Rolle, da jedes Gramm Gewicht vom Flug- zeughersteller auf den Treibstoffverbrauch und auf die Lebensdauer eines Flugzeugs umgelegt wird und so Kosteneinsparungen in Millionenhöhe berechnet werden. An- dererseits spielt die durch die MIMO-Lösung erreichbare Kanalkapazität eine Rolle, da dem Nutzer die größtmögliche Kapazität zur Verfügung gestellt werden soll. Als Kanalkapazität wird die Bitrate bezeichnet, die fehlerfrei über einen Kanal übertra- gen werden kann.

    Die Zielsetzung dieser Arbeit ist in erster Linie, Aussagen über Unterschiede in der Leistungsfähigkeit eines experimentellen MIMO-Systems zu treffen, wenn es mit Antennen verschiedenen Typs als Sendeantennen betrieben wird. In zweiter Linie sollen Aussagen über die Leistungsfähigkeit des MIMO-Systems in einer Labor- und einer Flugzeugumgebung getroffen werden. Dabei wird das MIMO-System mit om- nidirektionalen Antennen betrieben, mit abstrahlenden Koaxialkabeln2 und mit Pla- narantennen. Die omnidirektionalen Antennen strahlen einheitlich in alle Richtungen in der Ebene quer zur Antenne ab. Die Leaky-Lines besitzen mehrere Abstrahlpunk- te und sind für Mobiltelefonie nach dem GSM-Standard im Flugzeug installiert. Die Planarantennen verfügen über eine Richtwirkung und werden vom Flugzeugbauer als mögliche Alternative zu den Leaky-Lines gesehen. Verschiedene Antennen mit unter- schiedlichen Charakteristiken beeinflussen das Übertragungsverhalten. Welche Rolle diese Beeinflussung spielt wird anhand der in Abschnitt 1.4 beschriebenen drei An- tennentypen untersucht. Das Abstrahlverhalten dieser Antennentypen ist in Bild 1.1 skizziert.

    In einem Flugzeug muss mit einer starken Streuung der Sendesignale durch viele Metallteile z. B. in Sitzen oder durch die Außenhülle gerechnen werden. Weiterhin herrscht im Flugzeug eine höhere Hindernisdichte als z. B. in einem Büro. Der Fra-

    1 engl. multiple input multiple output 2 engl. leaky lines

    1

  • 1 Einleitung

    a) Abstrahlende Koaxialkabel. b) Omnidirektionale Antennen. c) Planarantennen.

    Bild 1.1: Abstrahlverhalten verschiedener Antennen.

    ge, ob und in welcher Weise eine Beeinflussung durch die Flugzeugumgebung bei dem verwendeten MIMO-System messbar ist, wird in der vorliegenden Arbeit nach- gegangen.

    Das verwendete experimentelle MIMO-Laborsystem wird in Kapitel 2 beschrie- ben. Zunächst wird auf den Aufbau des Senders eingegangen, dann auf den Auf- bau des Empfängers, bevor die Software zur automatisierten MIMO-Übertragung beschrieben wird. Im Rahmen dieser Arbeit wird MIMO ausschließlich im räumli- chen Multiplex betrieben (s. Abschnitt 1.1), d. h. im Empfänger müssen die räumlich und zeitlich überlagerten Sendeströme entzerrt werden. Die in dieser Arbeit verwen- deten Entzerrer werden in Kapitel 3 diskutiert und experimentell untersucht. In Kapi- tel 4 werden die Ergebnisse vorgestellt und präsentiert, die mit dem MIMO-System und verschiedenen Antennen in unterschiedlichen Umgebungen erzielt wurden. Im letzten Kapitel wird schließlich eine kurze Zusammenfassung der Ergebnisse dieser Arbeit gegeben.

    1.1 Mehrantennensysteme

    Durch die Verwendung mehrerer Antennen auf Sende- und Empfangsseite lässt sich die Kanalkapazität linear erhöhen [FG98, Tel99]. Da der Kanal als ein System mit mehreren Eingängen (engl. multiple input) und mehreren Ausgängen (engl. multi- ple output) beschrieben wird, spricht man in diesem Zusammenhang von MIMO- Systemen. Das Empfangssignal setzt sich dabei aus einer linearen Überlagerung aller Sendesignale zusammen. Man kann jede Antenne nutzen, um unterschiedliche Da- tens