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NTS-Poster

Smart Antennas

Stand: 08.08.2016
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg
  • Im Bereich der Kommunikationstechnik zeichnen sich seit einiger Zeit die beiden folgenden Tendenzen ab:
    Einerseits steigen die Datenraten der angebotenen bzw. geplanten Dienste und andererseits nimmt die Akzeptanz und Nachfrage nach mobil angebotenen Diensten ebenfalls zu.
    Eine höhere Datenrate kann durch adaptive Modulations- und Kanalcodierungsverfahren erzielt werden, die sich in optimaler Weise an den Zustand des Funkkanals anpassen und damit die Bandbreiteneffizienz steigern. Die Kapazität eines zellularen Mobilfunksystems kann über die räumliche Komponente der Wellenausbreitung durch intelligente Antennen gesteigert werden.

  • Intelligente Antennen

    Aufgrund der großen Nachfrage nach Mobilfunkdiensten kommt es bei den aktuellen Mobilfunksystemen zunehmend zu Kapazitätsengpässen. Der konventionelle Weg, die Kapazität zellularer Mobilfunksysteme zu steigern, besteht darin, entweder weitere Lizenzen zur Vergrößerung der Bandbreite zu erwerben oder die Größe der Zellen zu verkleinern. Im ersten Fall muss festgestellt werden, dass die zur Verfügung stehende Bandbreite eng begrenzt ist und dass zum Teil erhebliche Lizenzgebühren zu entrichten sind. Im zweiten Fall müssen viele neue Basisstationen errichtet werden, was ebenfalls hohe Kosten verursacht. Außerdem wird es für Netzbetreiber aufgrund von Akzeptanzproblemen in Teilen der Bevölkerung immer schwieriger, Standorte für neue Basisstationen zu finden.


    Prinzip eines Mobilfunksystems mit intelligenten Antennen.

    Eine elegante Maßnahme, diese Problematik zu umgehen, besteht darin, die Kapazität aktueller Mobilfunksysteme mit Hilfe von intelligenten Antennen zu steigern. Die Idee intelligenter Antennen besteht darin, die räumlichen Eigenschaften der Wellenausbreitung zu nutzen. Aus Platzgründen können intelligente Antennen nur an den Basisstationen eingesetzt werden. Intelligente Antennen bestehen aus einem Feld von Antennen und einer intelligenten Verarbeitung der Antennensignale. Mit Hilfe dieser Signalverarbeitung wird die Richtcharakteristik des Antennenfelds in optimaler Weise an den Funkkanal angepasst. Ziel ist es dabei, im Uplink (Übertragungsrichtung Mobilstation ® Basisstation) möglichst viel Leistung von gewünschten Mobilstationen zu empfangen und die Signale von ungewünschten Mobilstationen zu unterdrücken. Im Downlink (Übertragungsrichtung Basisstation ® Mobilstation) soll möglichst viel Leistung zur gewünschten Mobilstation und möglichst wenig Leistung in die Richtung ungewünschter Mobilstationen gesendet werden. Auf diese Weise kann die Gleichkanalinterferenz in einem zellularen reduziert und damit die Kapazität gesteigert werden. Das Prinzip ist im obigen Bild dargestellt. Hierbei ist zu beachten, dass für jede gewünschte Mobilstation eine eigene Richtcharakteristik optimiert wird.

    Zukünftige Mobilfunksysteme: Adaption an den Funkkanal

    Betrachtet man zukünftige Mobilfunksysteme, so geht die Tendenz hin zu breitbandigeren Systemen. Da die zur Verfügung stehende Bandbreite in jedem Fall eng begrenzt ist, müssen für zukünftige Funksysteme Übertragungsverfahren mit höherer Bandbreiteneffizienz entwickelt werden. Die Bandbreiteneffizienz kann durch Übertragungsverfahren gesteigert werden, die sich besser an den Mobilfunkkanal anpassen. Als Verfahren zur Anpassung an den Funkkanal kommen im Wesentlichen die oben angesprochenen intelligenten Antennen sowie adaptive Modulation und adaptive Kanalcodierung in Frage.

    Adaptive Modulations- und Kanalcodierverfahren können besonders erfolgversprechend in Systemen mit Mehrträgerübertragung eingesetzt werden, da man sich in diesem Fall in optimaler Weise an die Frequenzselektivität des Funkkanals anpassen kann. Ähnliche Verfahren werden bereits bei der Übertragung über Zweidrahtleitungen (ADSL) eingesetzt. Bei der Mobilfunkübertragung kommt jedoch als zusätzliche Problematik die Zeitvarianz des Funkkanals hinzu.

    Durch Verwendung von Antennenfeldern sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite können enorme Steigerungen der Datenrate einzelner Verbindungen erzielt werden. Solche Übertragungssysteme sind ein sehr aktueller Forschungsschwerpunkt; diese Systeme werden als Multiple-Input-Multiple-Output-Systeme (MIMO) bezeichnet.