Geometry-based Channel Modeling for Multi-User MIMO Systems and Applications

Im Rahmen dieser Dissertation wird die Kanalmodellierung von zeitvarianten, frequenzselektiven Mehrnutzer Multiple Input Multiple Output (MIMO) Kanälen für die Funkübertragung behandelt. Durch eine Erweiterung der Bello Funktionen auf mehrere Dimensionen mit Hilfe von Tensoren wird die Dispersion des Funkkanals, hervorgerufen durch Mehrwegeausbreitung, in Abhängigkeit von Verzögerung, Dopplerverschiebung und Einfallswinkel dargestellt. Der Kanal weist Selektivität auf, d.h. durch Fading verursachte zufällige Schwankungen der Signalleistung, entlang der Frequenz-, Zeit- und Raumachse. Die eingeführte unkonventionelle Notation ermöglicht den starken Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Darstellungsbereichen aufzuzeigen. Es werden einige der wichtigsten Ansätze zur Kanalmodellierung vorgestellt, klassifiziert und jeweils die Vor– und Nachteile herausgearbeitet. Für geometrische Kanalmodelle ist es entscheidend die Richtcharakteristika der Antennen im Fernfeld genau und effizient zu beschreiben. Zu diesem Zweck wird ein neues Beschreibungsverfahren entwickelt, das auf der Discrete Vector Spherical Fourier Transform (DVSFT) basiert. Dadurch ist es möglich, komplexe Vektorfunktionen auf der Kugel mit höherer Genauigkeit als bisher zu beschreiben, da die DVSFT auf sphärische Problemstellungen zugeschnitten ist. Die vorgeschlagene Methode führt zu einer Reihe von neuen Anwendungsmöglichkeiten. So ist eine verlustlose Rotation der Richtcharakteristik ebenso möglich wie die Reduktion von Rauschen, SNR Schätzungen, die Optimierung des Kalibrierungsprozesses, ein rotationsinvariantes Leistungsdichtespektrum, die Einführung einer sphärischen Bandbreite und die genaue Berechnung der Antenneneffizienz. Der Schwerpunkt dieser Dissertation ist IlmProp; ein Geometrie-basiertes Framework zur Kanalmodellierung. Es füllt die Lücke zwischen konventionellen direktionalen Kanalmodellen und so genannten "Ray-Tracer"Kanalmodellen. IlmProp ermöglicht es gleichzeitig mehrere Nutzer in der selben Umgebung zu simulieren. Mehrwege-Komponenten werden an Hand von punktförmigen Wechselwirkungsobjekten, so genannten Interaction Objects (IOs), im dreidimensionalen Raum modelliert. Dadurch wird die zeitliche Variation der Korrelation in Zeit, Frequenz, Raum und zwischen den Nutzern realitätsnah modelliert. Die Parameter des IlmProp Kanalmodells können willkürlich gesetzt oder aus hochauflösenden Parameterschätzverfahren gewonnen werden. Im ersten Fall kann IlmProp dazu genutzt werden, verschiedene Sende–, Empfangs– und Scheduling–Algorithmen zu testen. Darüber hinaus können unterschiedliche Antennenarrays und Arraykonfigurationen unter realistischen Bedingungen evaluiert werden. Um aus hochauflösenden Parameterschätzungen die IlmProp–Parameter zu gewinnen, wurde ein neuartiger Algorithmus entwickelt, der die Interaction Objects (IOs) lokalisiert. Er basiert auf dem klassischen Ansatz der Bayes’schen Inversionstheorie. Diese Methode erlaubt es, jeden einzelnen Ausbreitungspfad lediglich aus Einfallswinkel, Austrittswinkel und der Ausbreitungszeit zu rekonstruieren. Dies macht IlmProp zu einem leistungsfähigen Visualisierungswerkzeug, um Kanalmessungen und Parameterschätzverfahren zu validieren. Des Weiteren ist ein tieferer Einblick in die Ausbreitungsbedingungen des untersuchten Szenarios möglich. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird das Konzept des messungsbasierten parametrischen Kanalmodells, des so genannten Measurement-Based Parametric Channel Model (MBPCM), vorgestellt. Es ermöglicht durch eine antennenunabhängige, doppelt-direktionale Kanalbeschreibung, aus vorhandenen Kanalmessungen zusätzliche realitätsnahe, synthetische Kanalrealisierungen zu erzeugen. Die Lokalisierung der IOs ermöglicht eine weitere Verbesserung des MBPCM-Konzepts durch die daraus resultierende genauere Kenntnis der Ausbreitungspfade. Der Lokalisierungs-Algorithmus und das verbesserte IlmProp MBPCM-Konzept wurden sowohl in künstlichen als auch gemessenen Szenarios getestet. Die Ergebnisse bestätigen die Validität und Anwendbarkeit der vorgestellten Methoden.