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Gexp (jkdrsin(θl,i,AoA))

·exp

jkkvkcos(θl,i,AoAθv)m fS

. (1.17) Dabei stehtkhier für die Wellenzahl und ist nicht zu verwechseln mit dem Sub-trägerindexk. Das zugrunde liegende Modell wird in Bild 1.8 illustriert. Zur Modellierung der Mehrwegeausbreitung werdenLsogenannte Scatter-Cluster eingeführt, in denen I Scatter zusammengefasst sind. Die Effekte innerhalb eines Clusters l werden summiert zum l-ten Koeffizienten der Kanalimpuls-antwort. Die Parameter wurden aus Messungen von 3GPP bestimmt. Durch Modellierung als Zufallsvariablen mit den in den Messungen festgestellten Ver-teilungen werden Parametersätze je nach Zell-Umgebungsszenario erzeugt. Ei-ne genaue Bestimmung der Parameter wird im Anhang A vorgestellt bzw.

tabellarisch in Tabelle A.1. Bild 1.9 stellt so erzeugte zeitvariante Kanalimpul-santworten dar.

1.4. Modulationstechniken

Um die bereits in Abschnitt 1.1 vorgestellte OFDM-Modulation durchzufüh-ren, sind weitere Schritte bzw. Subsysteme zur digitalen Übertragung nötig.

Sie werden nun im Einzelnen diskutiert, so dass schließlich in Abschnitt 1.4.4 eine komplette Übersicht über das in dieser Arbeit zugrunde liegende Über-tragungssystem gegeben werden kann.

Am Eingang dessen steht eine binäre InformationsquelleQ, die unkorrelierte Bits u∈ B mit gleicher WahrscheinlichkeitP(u= +1) =P(u=−1) = 1/2

1.4. Modulationstechniken

Sender

Empfänger Clusterl

Scattereri

l,i,AoD

θBS

δl,AoD

θl,i,AoD

δl,AoA

l,i,AoA

θl,i,AoA

θMS

Bild 1.8.:Non Line of Sight MIMO-Kanalmodell nach [3rd08] mit Scatter Cluster und äquidistanten Antennenabstand.

Verzögerungl

|h4,4|2 [l,m]

Zeitm

Bild 1.9.: Beispielhafte zeitvariante Kanalimpulsantwort-Koeffizienten des (4,4)-Subkanals eines MIMO-Kanals.

1. Einführung

mit den Werten B={−1,+1}ausgibt2. Ziel des Übertragungssystems ist es, die Daten der Quelle zur Senke zu transportieren, so dass an der Senke die Daten zur Verfügung stehen. Es werden Quellbitsuder LängenI blockweise einer FehlerschutzcodierungC unterzogen:

C:BnI →BnI+nP,

x=C{u}. (1.18)

Aus den Datenbits der Quelle werden redundante Bits der Länge nP er-rechnet, die den Datenbits angehängt werden. Ein solcher Block x wird im Weiteren als Codewort mit LängeN =nI+nP bezeichnet. Eine genauere Be-schreibung der Kanalcodierung und ihrer wichtigen Aspekte für diese Arbeit erfolgt in Abschnitt 1.5.

1.4.1. Interleaver

Zur Überwindung von im Mobilfunkkanal unvermeidlichen Schwunderschei-nungen (fading) werden codierte Bits verschachtelt und gekennzeichnet durch die Verschachtelungsabbildung Π:

x= Π{x}. (1.19)

Durch die inverse Abbildung Π1 im Empfänger – Deinterleaver – werden eventuell fehlerhafte Bits über der Zeit gespreizt und Bündelfehler (burst er-rors) zu Einzelfehlern gewandelt. Einzelfehler sind durch Kanaldecoder leichter korrigierbar, deshalb führen Interleaver zu einem höheren Fehlerschutz in Mo-bilfunksystemen [HLY02]. Allerdings entsteht durch den Interleaver eine Ver-zögerung zwischen Empfang und Decodierung, denn es ist nötig den Empfang des verschachtelten Blocks abzuwarten, bevor das Deinterleaving durchgeführt werden kann. Die Verzögerung ist direkt proportional zur Verschachtelungslän-ge|Π|.

Zur Erleichterung der Lesbarkeit wird im Folgenden auf eine Unterschei-dung zwischen codierten Bitsxund der verschachtelten Fassungx verzichtet, solange durch den Kontext die Eindeutigkeit gewahrt bleibt.

Die Spreizung des Interleavers sollte in einem MIMO-OFDM System so groß sein, dass Bits, die vor dem Verschachteln benachbart waren, um mindestens

∆k Subträger verschoben werden, und muss dem entsprechend ∆k·κ·nT

Bits betragen, wobei κ die Anzahl der Bits pro Symbol darstellt. Um dies

2 Eine logische Null entspricht +1, eine logische Eins−1.

1.4. Modulationstechniken

Bild 1.10.: Alternierende Zufallsinterleaver der Länge|Π|= 16.

zu realisieren, werden Zufallsinterleaver eingesetzt, die im Durchschnitt gute Spreizeigenschaften zeigen [SH09]. Im Einzelfall kann es allerdings zu gerin-geren Spreizungen kommen, so dass verschiedene Zufallsinterleaver in einem Rahmen angewandt werden, wie in Bild 1.10 gezeigt.

1.4.2. Symbolmodulation

Bei der SymbolmodulationMwerdenκBits zu einem (Sende)-Symbolsaus dem ModulationsalphabetSzusammengefasst, wobei|S|=M = 2κ gilt:

M:Bκ→C, (1.20)

Dies dient zum einen der Anpassung an den Mobilfunkkanal – Mittelwert-freiheit – und zum Anderen einer möglichen Erhöhung der Bandbreiteeffizienz

1. Einführung

bei Verringerung der Energie pro Bit. Es wird dabei von leistungsnormalisier-ten Modulationsalphabeleistungsnormalisier-ten ausgegangen, d. h.

1 M

X

sS

|s|2= 1. (1.22)

Bild 1.11 zeigt zwei mögliche Symbolmodulationen für ein sechszehnstufiges Modulationsalphabet vom QAM-Typ.

Beim MIMO Spatial Multiplexing oderdirect transmissionwerdennT Sym-bole s, bestehend aus nT ·κ Bits, zu einem Vektor s zusammengefasst. Die direkte Abbildung lautet:

MnT :BnT·κ→CnT (1.23) s=MnT





 x1

... xnT·κ







(1.24)

Die Menge aller möglichen Bitkombinationen, um alle Kombinationen von Sen-desymbolvektorenszu bilden, wird mitXbezeichnet. Die Anzahl der Elemen-te ist|X|= 2nT·κ. Die Symbolvektormodulation kann als Symbolmodulation pro Sendeantenne aufgefasst werden. Da jede Sendeantenne mit Einheitsleis-tungEs= 1 sendet, ist die abgestrahlte Gesamtleistung des Übertragungssys-temsPT =nTEs.

1.4.3. Bit Interleaved Coded Modulation

In [Zeh92] wurde gezeigt, dass eine Verschachtelung der codierten Bits (Bit Interleaved Coded Modulation- BICM) einer codierten Modulation – z. B. der Trellis Coded Modulation (TCM) [Ung82] – in Rayleigh-Kanälen vorzuziehen ist. In BICM für MIMO ist die Reihenfolge von KanalcodierungC, Interleaving Π und SymbolmodulationMwie folgt festgelegt:

s1, . . . , sN/(κ·nT)

=MnT{Π{C{u}}}, (1.25) vgl. Bild 1.12. Das abgebildete Kommunikationssystem kann in ein äußeres Codesystem, z. B. LDPC Code, und in ein inneres zerlegt werden. Das innere Codesystem bildet die Symbolmodulation, eine Codierung von BN → CnT. Beim Spatial Multiplexing wird allerdings keine Redundanz hinzugefügt, so dass der Decoder des inneren Codesystems keine Paritätsüberprüfungen oder

1.4. Modulationstechniken

0000 0100 1100 1000

0001 0101 1101 1001

0011 0111 1111 1011

0010 0110 1110 1010

ℜ{s}

ℑ{s}

(a)

1111 0010 1101 0000

0100 1001 0110 1011

1010 0111 1000 0101

0001 1100 0011 1110

ℜ{s}

ℑ{s}

(b)

Bild 1.11.: 16-QAM Konstellationsdiagramm mit Gray- (a) und Anti-Gray-Mapping (b).

Binäre

Quelle

C Π M

nT

nT

H nR

r

w AWGN

MIMO-Detektor

Π

−1

C

−1

Senke

u x x

LD1

LA2

LD2

˜ u

CoderateRc Interleaver

De-Interleaver Hard

Decision

Soft In/Out

Innerer Code Äußerer Code

Bild 1.12.: Bit Interleaved Coded Modulation-MIMO-System.

1. Einführung

ähnliches durchführen kann. Entsprechend ist zu erwarten, dass der Detektor, also der innere Decoder, einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems hat. Bei der äußeren Codierung, der Kanalcodierung, werden nI Informationsbits mitnP durch den Code hinzugefügten, redundanten Bits aufN/(κ·nT) Symbolvektoren, verschachtelt abgebildet, vgl. Abschnitt 1.5.

1.4.4. MIMO-OFDM Spatial Multiplexing

Bild 1.13 zeigt den Aufbau eines MIMO-OFDM Systems mit BICM-Modula-tion. Die nach Gleichung (1.25) erzeugten Symbole werden auf die Subträger dernT OFDM-Systeme verteilt, visualisiert durch die Seriell-zu-Parallelwand-lung. Die so geformten MIMO-OFDM-Symbole s[k] ∈CK×nT werden durch die inverse FFT innT Zeitbereichssignales[m] transformiert. Durch zyklische, partielle Wiederholung der nT OFDM-Zeitsignale wird das OFDM-Schutzin-tervall erzeugt und an den Beginn des Signals kopiert.

Die nT Zeitsignale werden im komplexen, äquivalenten Basisbandkanal nR·nT Faltungen mit den jeweiligen SISO-Kanalimpulsantworten unterzogen.

Um der Annahme eines zeit-veränderlichen Kanals nachzukommen, werden die Faltungen als zeitvariante, endliche Impulsantwortfilter (time variant fini-te impulse response - TV-FIR) realisiert, wie in Bild 1.9 dargestellt. DennR

Empfangssignalen werden schließlich die nach Gewichtung durch die Koeffi-zienten der Kanalmatrix unterschiedlichen Überlagerungen der Sendesignale zugeordnet und additives, weißes, normalverteiltes Rauschen (AWGN) hinzu addiert, vgl. Gleichung (1.10).

Das gegebene Signal-zu-Rauschverhältnis vor der Detektion ist definiert durch

SNR = E

rHr −E

˜ wHw˜

E{w˜Hw˜} , (1.26)

wobei die Erwartungswerte über den diskreten Zeitindex mzu interpretieren sind. Die Energie pro Informationsbit Eb/N0 kann aus dem SNR ermittelt werden: Jede der nT Sendeantennen sendet Symbole mit normierter Energie Es, die nR Empfangsantennen nehmen nR·nT ·Es Energie auf, für κ·nT

codierte Bits, bzw.Rc·κ·nT Informationsbits. Deshalb wird die Energie pro Informationsbit am Empfänger definiert zuEb = (nT ·nR)/(Rc·κ·nT) oder im logarithmischen Maßstab:

Eb

N0

dB= SNR

dB+ 10 log10 nR·nT

Rc·κ·nT

. (1.27)