Antenna systems with reduced order based on stationary eigen-value optimization (OASE)
Final Report Abstract
In dieser Arbeit wurde ein neues Systemkonzept zur Synthese kanalkapazitätsmaximierender Antennensysteme auf Basis simulierter und gemessener MIMO Übertragungskanäle umfassend analysiert und evaluiert. Hierbei wurden Richtcharakteristiken synthetisiert, die sowohl feste Antennensysteme als auch umschaltbare rekonfigurierbare Antennensysteme optimieren. Der Schwerpunkt der praktischen Realisierung einer Antennensynthese lag dabei auf dem Design von Fahrzeugantennen für die Mobilkommunikation. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden rekonfigurierbare Einzel- und Mehrantennensysteme entwickelt und realisiert. Im Vergleich mit herkömmlichen omnidirektionalen Antennen führen die entwickelten rekonfigurierbaren Antennen sowohl in städtischer Umgebung als auch in ländlicher Umgebung zu Synthesegewinnen in der Kanalkapazität. Das ECC wurde hierbei als Maß der Korrelation zwischen rekonfigurierbaren Richtcharakteristiken angewendet. Um die auf Basis von simulierten Kanälen gewonnenen Erkenntnisse messtechnisch zu bestätigen, wurde ein neuartiges Messsystem für MIMO Übertragungskanäle zur Anwendung der Antennensynthese in realen mobilen Kommunikationsszenarien entwickelt. Auf Basis der hiermit erhobenen Messdaten des Übertragungskanals wurde eine Antennensynthese in mobilen Kommunikationsszenarien durchgeführt und umfassend evaluiert. Hiermit können verschiedene herkömmliche omnidirektionale, synthetisierte und adaptive Einzel- und Mehrantennensysteme für reale mobile Kommunikationsanwendungen hinsichtlich ihres maximal zu erwartenden SNR und ihrer Kanalkapazität miteinander verglichen werden. Die Antennensynthese erreichte bei allen gemessenen Kanälen signifikante Optimierungsgewinne beim maximalen SNR und bei der Kanalkapazität im Vergleich zu entsprechenden herkömmlichen omnidirektionalen Antennen. Die untersuchten adaptiven Antennensysteme erzielen zwar sowohl beim SNR als auch bei der Ausfallkapazität größere Werte, ihre Realisierung ist jedoch im Vergleich zu den festen Richtcharakteristiken der synthetisierten Antennen signifikant aufwendiger und teurer. Synthetisierte Antennensysteme sind demnach in der Lage, die Lücke in der Leistungsfähigkeit zwischen herkömmlichen omnidirektionalen Antennensystemen und adaptiven Antennensystemen zu füllen. Dabei bilden sie einen Kompromiss zwischen der Leistungsfähigkeit eines adaptiven Antennensystems und einem weitaus einfacheren Realisierungsaufwand. Die in dieser Arbeit entwickelten Syntheseverfahren für mobile Antennen in umgebungsvarianten Kanälen stellen eine neue Grundlage für Anwendungen der Mobilkommunikation mit hoher Leistungsfähigkeit dar. Mit den entwickelten Syntheseverfahren wurden vielversprechende Ansätze zur Maximierung des SNR und der erreichbaren Datenraten mobiler Kommunikationssysteme vorgestellt. Die beispielhafte konkrete Anwendung des Systemkonzepts zur systematischen Optimierung von Fahrzeugantennensystemen zur Mobilkommunikation weist die praktische Funktion der Antennensynthese nach und besitzt zudem ein großes Potenzial für weitere Anwendungen in der Mobilkommunikation.
Publications
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“Applying Antenna Synthesis Methods on a Path Based MIMO Channel Model for Verification”, 2017 47th European Microwave Conference (EuMC)
Mahler, T.; Deletoille, T.; Frey, J.; Kowalewski, J. & Zwick, T.
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“Channel Capacity and Beamforming Issues in MIMO Channels Subject to Tolerances”, 2017 International Workshop on Antenna Technology (iWAT)
Mahler, T.; Müller, D.; Eisenbeis, J.; von Vangerow, C.; Marahrens, S. & Zwick, T.
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“Channel Measurement Based Antenna Synthesis for Mobile Automotive MIMO Communication Systems”, Progress In Electromagnetics Research B (PIER B), 2017
Mahler, T.; Kowalewski, J.; Nuß, B.; Richt, C.; Mayer, J. & Zwick, T.
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2018 “Synthese kapazitätsoptimierter Antennensysteme mit messtechnischer Verifikation”, Karlsruher Forschungsberichte aus dem Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, Band 88
Mahler, T.
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“Antenna Synthesis for SIMO and MISO Systems with Optimality to Arbitrary Quantiles of the Channel Capacity”, 2018 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS)
Mahler, T.; Richt, C.; Bell, L.; Pauli, M.; Kowalewski, J. & Zwick, T.
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“Evaluation of a Wideband Pattern-Reconfigurable Multiple Antenna System for Vehicular Applications”, 2018 European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP)
Kowalewski, J.; Mayer, J.; Mahler, T.; Zwick, T.
