Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Mehrantennensystemen im Ultra Breitband und die zu erzielende Kapazitätssteigerung dieser Systeme gegenüber Einantennensystemen. Dabei liegt der Schwerpunkt der Betrachtung nicht in der Bestimmung der theoretisch oder praktisch maximal zu erreichenden Kanalkapazität. Vielmehr werden die relativen Kapazitätsunterschiede der in 2.2 aufgeführten Systeme untersucht.
Dazu wurden in einem ersten Arbeitsschritt reale Übertragungsfunktionen für die verschiedenen betrachteten Szenarien mit einem Networkanalyser gemessen. Zum Einsatz kamen dabei speziell entwickelte Ultra-Breitband Antennen, welche in Kapitel 2.3 näher beschrieben werden.
Anschließend wurde in einem weiteren Schritt eine einfache Matlab-Simulation aufgebaut, welche von einem auf die Bandbreite B begrenzten AWGN-Kanal (Additive White Gaussian Noise) mit einer konstanten Rauschleistungsdiche N0 ausgeht und ein breitbandiges Kommunikationssystem nachbildet. Grundlage der Simulation bilden die real gemessenen Übertragungsfunktionen. Mit Hilfe dieser Simulation erfolgt eine Kapazitätsbestimmung der verschiedenen Systeme, welche einen Vergleich ermöglicht und den Kapazitätsgewinn durch die Verwendung von Mehrantennensystemen quantifiziert.
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabenstellung und Zielsetzung
2 Grundlagen
2.1 UWB
2.2 Mehrantennensysteme
2.3 Betrachtung der verwendeten Antennen und deren Eigenschaften
2.4 Funkkanal
3 SISO-Systeme im Breitband
3.1 Grundlagen zu SISO-Systemen
3.2 Rake-Receiver
3.3 Versuchsaufbau / Simulation
4 SIMO-Systeme im Breitband
4.1 Grundlagen zu SIMO-Systemen
4.2 Versuchsaufbau / Simulation
5 MIMO-Systeme im Breitband
5.1 Grundlagen zu MIMO-Systemen
5.2 V-BLAST
5.3 Versuchsaufbau / Simulation
5.4 Waterfilling
5.5 Waterfilling im Breitband
6 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Mehrantennensystemen im Bereich Ultra-Breitband (UWB), um die Kapazitätssteigerung gegenüber herkömmlichen Einantennensystemen zu evaluieren. Dabei steht die Quantifizierung relativer Kapazitätsunterschiede auf Basis real gemessener Übertragungsfunktionen und einer Matlab-Simulation im Vordergrund.
- Grundlagen der UWB-Technologie und Mehrantennensysteme
- Analyse von SISO-, SIMO- und MIMO-Systemen im Breitband
- Implementierung von Rake-Receivern und V-BLAST
- Untersuchung von Leistungsverteilungsverfahren wie Waterfilling
Auszug aus dem Buch
5.4 Waterfilling
Eine Möglichkeit der weiteren Kapazitätssteigerung besteht darin, die insgesamt vorhandene Sendeleistung Pg mittels „Waterfilling“ auf die beiden orthogonalen Kanäle 1 und 2 aufzuteilen, so dass gilt: Pg = P1 + P2.
Dabei werden Kanäle mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis mit viel Leistung versorgt, schlechtere Kanäle erhalten weniger Leistung oder werden sogar ausgelassen. Anschaulich dargestellt verteilt das „Waterfilling“ Verfahren eine vorhandene Menge Wasser (entspricht Pg) auf verschiedene Röhren (entsprechen den orthogonalen Kanälen), welche bereits unterschiedlich hoch mit Wasser gefüllt sind (Li: Anfänglicher Füllstand, reziprokes Signal-Rausch-Verhältnis). Die Verteilung erfolgt in einer Art und Weise, dass letztendlich alle Röhren gleich hoch gefüllt sind. Das pro Röhre aufgefüllte Wasser entspricht der pro Kanal bereitgestellten Sendeleistung Pi.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Aufgabenstellung und Zielsetzung: Einführung in die Untersuchung von Mehrantennensystemen zur Steigerung der Kanalkapazität mittels realer Messungen und Simulationen.
2 Grundlagen: Definition der UWB-Technik, der Mehrantennensysteme, der Antenneneigenschaften sowie der Charakterisierung des Funkkanals.
3 SISO-Systeme im Breitband: Erläuterung des Single-Input-Single-Output-Prinzips, der Rake-Receiver-Technik sowie der Validierung durch eine Matlab-Simulation.
4 SIMO-Systeme im Breitband: Darstellung von Single-Input-Multiple-Output-Systemen und der durch Mehrantennennutzung erzielten Effizienzsteigerung.
5 MIMO-Systeme im Breitband: Analyse von Multiple-Input-Multiple-Output-Systemen unter Anwendung von V-BLAST und Waterfilling-Verfahren zur Kapazitätsoptimierung.
6 Zusammenfassung: Abschlussbetrachtung der erzielten Effizienzgewinne durch den Einsatz von Mehrantennentechnologien im Vergleich zu SISO-Systemen.
Schlüsselwörter
UWB, Ultra-Breitband, Mehrantennensysteme, SISO, SIMO, MIMO, Kanalkapazität, Rake-Receiver, V-BLAST, Waterfilling, Bitfehlerrate, Signal-Rausch-Verhältnis, Übertragungsfunktion, Strahlformung, Diversität
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelor-Thesis grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, wie Mehrantennensysteme im Ultra-Breitband (UWB) eingesetzt werden können, um die spektrale Effizienz und Kanalkapazität gegenüber einfachen Systemen mit nur einer Antenne zu erhöhen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Arbeit umfasst die Grundlagen der UWB-Technik, die Modellierung von SISO-, SIMO- und MIMO-Funksystemen sowie fortgeschrittene Konzepte der Signalverarbeitung wie Rake-Empfänger, V-BLAST und Waterfilling.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Hauptziel ist die Quantifizierung des Kapazitätsgewinns, der durch den Übergang von SISO zu komplexeren MIMO-Antennenkonfigurationen unter Breitbandbedingungen erreicht werden kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor kombiniert messtechnische Erfassungen realer Übertragungsfunktionen mittels Netzwerkanalysatoren mit anschließenden Matlab-Simulationen zur statistischen Auswertung der Bitfehlerraten.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine sukzessive Steigerung der Systemkomplexität: beginnend bei SISO, über SIMO bis hin zu MIMO-Systemen, wobei für jede Stufe der Versuchsaufbau und die Leistungscharakteristik detailliert analysiert werden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit lässt sich primär über die Begriffe UWB, MIMO-Systeme, Kanalkapazität, V-BLAST und Waterfilling definieren.
Warum wird im Rahmen von MIMO das V-BLAST-Verfahren vorgestellt?
V-BLAST wird eingesetzt, um durch Transformation die verkoppelten Kanäle eines MIMO-Systems zu entkoppeln, was eine parallele Datenübertragung ermöglicht und die Kapazität signifikant steigern kann.
Was ist das Prinzip des "Waterfilling"-Verfahrens bei der Leistungsverteilung?
Beim Waterfilling wird die verfügbare Sendeleistung bevorzugt auf Kanäle mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis verteilt, während schlechtere Kanäle weniger oder gar keine Leistung erhalten, um die Gesamtkapazität zu maximieren.
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- Daniel Rogusch (Author), 2003, UWB (Ultra Breitband) Kommunikationssysteme mit Mehrfachantennen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/26580
