Andreas Czylwik

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Lehrveranstaltungen / Lectures

• Vorlesung / Lecture Information Engineering 1 - COM 2
• Vorlesung / Lecture Information Engineering 2 - Coding Theory
• Vorlesung / Lecture Grundlagen der Nachrichtentechnik 1
• Vorlesung / Lecture Grundlagen der Nachrichtentechnik 2
• Vorlesung / Lecture Grundlagen der Nachrichtentechnik 3
• Vorlesung / Lecture Grundlagen der Nachrichtentechnik 4
• Vorlesung / Lecture Radio Propagation Channels

Arbeitsgebiete

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.

Activities

For mobile communication systems, higher data rates can be achieved through adaptive modulation and channel coding schemes: In order to increase bandwidth efficiency, these schemes optimally adapt to the time-variant characteristic of the mobile radio channel. The capacity of a cellular mobile radio system can be increased exploiting the spatial aspect of wave propagation by smart antennas.

• Smart Antennas

  Because of the high demand for mobile services, current mobile communication systems suffer from capacity problems. The conventional way to increase the capacity of a cellular mobile radio system is the acquisition of new licences for enlarging the bandwidth or to reduce the cell size. Concerning new licences it must be realised that the available bandwidth is strictly limited and that licence fees (which may be rather high) must be paid. For reducing the cell size, many new base stations have to be built, with the consequence of additional costs. Furthermore, to find locations for new base stations is becoming more and more difficult for network operators because of acceptance problems in parts of the population.

  
  Principle of a mobile radio system with smart antennas
  
  An elegant way to solve these problems is to increase the capacity of mobile communication systems with the help of smart antennas. The idea of smart antennas is to exploit the spatial properties of wave propagation. Because of a limitation in space, smart antennas can only be employed at base stations. Smart antennas consist of an array of antenna elements and a smart processing of antenna signals. With the help of signal processing, the beam pattern of the antenna array is optimally adapted to the mobile radio channel. The goal is to receive in the uplink (transmission direction: mobile station ® base station) as much power as possible from the desired mobile station and to attenuate as much as possible the signals from any undesired mobile station. In the downlink (transmission direction: base station ® mobile station) as much power as possible has to be transmitted into the direction of the desired mobile station and as little power as possible to undesired mobiles. By this method, cochannel interference in a cellular system can be reduced, with the consequence that the capacity increases. This principle is illustrated in the figure above. It has to be mentioned that for each desired mobile station an individual beam pattern must be optimized.

• Future mobile radio systems: Adaption to the radio channel

  Considering future mobile radio systems, there is clearly the tendency towards larger bandwidths. Since the available bandwidth is in any case strictly limited for future generation mobile radio systems, new transmission techniques with higher bandwidth efficiency must be developed. Bandwidth efficiency can be increased by using transmission techniques which better adapt to the mobile radio channel. Possible methods for adaptation to the channel are: smart antennas, adaptive modulation and adaptive channel coding techniques.

  Adaptive modulation and channel coding techniques seem to be particularly promising for multi-carrier systems. For these systems it is possible to adapt to the frequency-selectivity of the mobile radio channel in an optimum way. Similar methods are used for the transmission on twisted pair lines (ADSL). Mobile radio communication systems face the additional problem of the time-variance of the channel.

  Using antenna arrays on both the transmitter and the receiver side, it is possible to achieve a considerable increase of data rate. Such communication systems are called multiple input multiple output systems (MIMO).

Veröffentlichungen / Publications