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Wellenausbreitung Videos zur räumlichen Entzerrung

Auf dieser Seite finden Sie Videos, die eine räumliche Entzerrung von Teilnehmern in einem Mobilfunkszenario demonstrieren. Sie veranschlaulichen die Inhalte des Buches „Wellenausbreitung – Grundlagen – Modelle – Messtechnik – Verfahren“ von Prof. Bernhard Rembold.

Die räumliche Entzerrung verbessert die Frequenzeffektivität, da sie zusätzlich zu den klassischen Entzerrungsverfahren im Frequenz-, Zeit- oder Codebereich eingesetzt werden kann. Die Videos wurden mit dem institutseigenen Ray-Tracer hergestellt und helfen zum Verständnis der verschiedenen Entzerrungsalgorithmen (MMSE, Zero-Forcing, Matched-Filter).

Laborraum im Institut für Hochfrequenztechnik

Als Mobilfunkszenario diente das Modell eines Laborraums. Die Quer-Abmessungen des Raums betragen etwa 6 m x 19 m. In der Simulation sind am hinteren Ende des abgebildeten Raums 8 Sendeantennen angebracht. Die Übertragung erfolgt zu einzelnen Teilnehmern, die sich im Raum bewegen.

Die Videos wurden hergestellt, indem der Ray-Tracer zunächst die Übertragungsfaktoren von jeder einzelnen Antenne der Basisstation zu einem Dipol in jedem Punkt des Raums in einer Höhe von 1,50 m berechnet. Somit sind im ganzen Raum die Koeffizienten der Kanalmatrix bekannt. Zur Entkopplung der Teilnehmer werden die Signale in der Basisstation vorverzerrt. Die Entzerrungsverfahren sind Zero-Forcing, MMSE und Matched-Filter, jeweils in Richtung der Abwärtsstrecke. 

Standbild aus dem Video zum Zero-Forcing-Algorithmus

Das Standbild zeigt stellvertretend für alle Videos im oberen Teil den Laborraum als Grundriss. Das dunkelblaue Rechteck im linken Bereich ist eine Absorberkammer, die in diesen Simulationen keine Rolle spielt. Rechts in der Abbildung befindet sich die Basisstation mit 8 Sende-Dipolen vertikaler Polarisation, die einen gegenseitigen Abstand von ?/2 aufweisen. Die Frequenz beträgt 1 GHz. Im Raum sind vier Teilnehmer zu erkennen, durchnummeriert von 1 bis 4. Sie befinden sich in einer Höhe von 1,50 m über dem Boden des Laborraums und bestehen aus jeweils einem Dipol mit vertikaler Polarisation. Die Videos zeigen die farbkodierte Dipol-Empfangsleistung im Raum in Abhängigkeit von der Teilnehmerbewegung. Die Größe der Empfangsleistung kann an dem Farbbalken abgelesen werden.

Zur Demonstration der Teilnehmerentkopplung wird nur Teilnehmer 4 versorgt, die Signale an der Basisstation für die anderen Teilnehmer sind gleich Null. An der Größe der Empfangsleistungen der Teilnehmer 1 bis 3 kann die Güte der Entkopplung abgelesen werden. Im unteren Bereich der Abbildung werden die aktuellen Leistungen und Phasen der acht Antennensignal der Basisstation sowie die Empfangsleistungen der vier Teilnehmer dargestellt.

Zero Forcing

In diesem Video erfolgt die Vorverzerrung nach dem Zero-Forcing-Algorithmus. Teilnehmer 4 bewegt sich langsam durch den Raum, während die anderen Teilnehmer an ihrem Standort verbleiben. Die Farbe um Teilnehmer 4 (im Video grün) und das Diagramm rechts unten zeigen, dass seine Empfangsleistung konstant 1 beträgt (0 dB), wogegen die anderen Teilnehmer mit über 20 dB von Teilnehmer 4 entkoppelt sind. Der Zero-Forcing Algorithmus trennt somit die Teilnehmer optimal. Bewegt sich allerdings Teilnehmer 4 in die Nähe eines anderen Teilnehmers, gleichen sich auch ihre Übertragungsfaktoren zu den jeweiligen Basisstationsantennen an, sodass die Kondition der Kanalmatrix schlechter wird. Somit muss zur Einhaltung der Entkopplung die von der Basisstation abgestrahlte Leistung zunehmen, was an den Farbverläufen deutlich erkennbar ist. Die Abbildung und auch das zugehörige Video zeigen ferner, dass eine effektive räumliche Entzerrung eine ausgeprägte Mehrwegeausbreitung voraussetzt. Z.B wird Teilnehmer 4 deutlich durch Wandreflexionen und weniger auf dem direkten Wege versorgt. Die Gruppenantenne nutzt die Reflexionsmöglichkeiten der Umgebung, um ihre Basis und somit ihre räumliche Auflösung zu vergrößern. Auf diese Weise können auch Teilnehmer in weiterer Entfernung entkoppelt werden.

MMSE vs. Zero-Forcing

Das Video zeigt das gleiche Szenario, die Entzerrung erfolgt zum Vergleich im oberen Teil durch Zero-Forcing, unten durch MMSE. Darunter sind die zugehörigen Sendeleistungen sowie deren Differenz dargestellt. Die beiden Diagramme im linken Bereich geben die Empfangsleistungen wieder. Erwartungsgemäß lässt MMSE eine geringfügige Verkopplung zu, benötigt aber weniger Sendeleistung im Vergleich zu Zero-Forcing.

MMSE vs. 1 Dipol

Dieses Video zeigt deutlich die große Einsparung an Sendeleistung, die eine Gruppenantenne mit einem geeigneten Algorithmus im Vergleich zu einem einfachen Dipol bietet, auch wenn nur ein Teilnehmer versorgt werden muss. Im oberen Teil besteht die Basisstation wie vorher wieder aus 8 Dipolen. Der Algorithmus ist MMSE. Im Grundriss darunter besteht die Basisstations-Antenne aus nur einem Dipol. Der Teilnehmer soll in beiden Fällen unabhängig von seiner Position konstante Empfangsleistung (0 dB) erhalten. Das untere Diagramm vergleicht die dafür notwendigen Sendeleistungen der beiden Fälle. Während sich im oberen Teil die Sendeleistung bei der Bewegung des Teilnehmers kaum ändert, fordert insbesondere die Versorgung von „Interferenzlöchern“ im unteren Teil deutlich höhere Sendeleistung. Der Unterschied kann 30 dB erreichen. Gruppenantennen sorgen deshalb nicht nur für eine bessere Frequenzökonomie sondern verhindern auch Verschwendung von Energie und vermeiden unnötige elektromagnetische Strahlenbelastung.

Matched-Filter-Entzerrung

Dieses Video zeigt die Matched-Filter-Entzerrung, wiederum mit vier Teilnehmern wie im ersten Beispiel. Es soll nur Teilnehmer 4 versorgt werden. Ziel ist beim Teilnehmer die geforderte Empfangsleistung (0 dB) mit möglichst geringer Sendeleistung zu erreichen. Die Entkopplung der anderen Teilnehmer wird bei diesem Verfahren nicht berücksichtigt. Am Farbverlauf kann man erkennen, dass die notwendige Sendeleistung gering ist, ähnlich wie bei dem MMSE- Algorithmus mit nur einem Teilnehmer. Zur optimalen Versorgung des Teilnehmers nutzt auch die Matched-filter-Entzerrung vorhandene Reflexionspfade.